[發明專利]一種用于環形燃料堆芯嚴重事故下熱工水力計算的方法

在審

• 申請號: 202010449368.1
• 申請日: 2020-05-25
• 公開（公告）號: CN111581849A
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 史曉磊;魏嚴凇;季松濤;何曉軍;史寶磊;鄒遠方
• 申請（專利權）人: 中國原子能科學研究院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06Q50/06;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 核工業專利中心 11007
• 代理人: 張雅丁

本發明屬于核燃料組件試驗方法技術領域，具體涉及一種用于環形燃料堆芯嚴重事故下熱工水力計算的方法。本方法首先假設一個芯塊內部絕緣面，將環形燃料以芯塊內部絕熱面為界分為內、外兩環，以芯塊絕緣面為界，內環計算芯塊向內包殼及內流道的傳熱，外環計算芯塊向外包殼及外流到的傳熱，在嚴重事故下，燃料處于非穩態，環形燃料的絕熱面半徑是隨時間節點不斷變化的。本專利方法適用于嚴重事故下環形燃料堆芯熱工水力分析，可以通過假設的芯塊絕緣面求解向內、向外的傳熱，通過反復迭代確認絕緣面的最終位置。

技術領域

本發明屬于核燃料組件試驗方法技術領域，具體涉及一種用于環形燃料堆芯嚴重事故下熱工水力計算的方法。

背景技術

核電站反應堆運行過程中，核燃料的性能是影響反應堆安全性和經濟性的重要因素。因此國際上一直將燃料元件的研究放在十分突出的地位，通過優化燃料元件設計、采用先進結構材料、改進元件制造工藝等方法，不斷提高核燃料元件的各種性能，促使核電向更安全和更經濟的方向發展。

全性和經濟性是核電發展的基礎，幾乎所有的核電技術發展都以增加核電安全性和經濟性為目標。燃料元件作為核電廠反應堆核心部件，其性能是核電安全性和經濟性最主要影響因素之一，因此國際上一直將燃料元件的研究放在十分突出的地位，通過優化燃料元件設計、采用先進結構材料、改進元件制造工藝等方法，不斷提高核燃料元件的各種性能，促使核電向更安全和更經濟的方向發展。

目前壓水堆核電廠普遍采用棒狀燃料，可通過加深組件卸料燃耗、延長換料周期，降低電廠運營成本，提高核電經濟性。壓水堆燃料組件的平均設計燃耗從早期的10～15GWd/tU逐步提高，至今已達到60～70GWd/tU，換料周期也相應地從12個月延長至現在的18或24個月。燃料組件燃耗加深也帶來諸如裂變氣體釋放量增大、包殼腐蝕和吸氫增加、燃料芯塊腫脹、燃料元件和組件輻照生長加劇等一系列問題。如何解決這些問題，一直是國際壓水堆燃料元件研究的重要任務，例如，研發抗腐蝕性能好的先進包殼，采用低裂變氣體釋放率的芯塊。此外，通過改進定位格架設計，增加組件臨界熱流密度等途徑，也提升了反應堆堆芯的整體安全性。總的來說，棒狀燃料組件結構和參數是近50年發展不斷優化的結果，以棒狀燃料為基礎的技術改進對于提升核電經濟性和安全性的潛力已非常有限，因此，近些年來，采用其他幾何結構的燃料元件成為一種新的發展思路。

對于新型幾何結構的燃料元件至少滿足以下五個基本要求：1)能提高燃料的“表面積/體積”比；2)能減小芯塊厚度；3)有足夠的剛度；4)能降低堆芯壓降；5)組件要有開式柵格設計。美國麻省理工學院最早提出的輕水堆用環形燃料元件的概念，很好地滿足了上述5個要求。所謂環形燃料是將燃料芯塊制成環狀，在芯塊內、外表面加裝包殼管，使得冷卻劑可以從內、外兩個流道同時對元件進行冷卻與傳統的實心圓柱狀燃料相比，環形燃料的好處是在很高的線性密度下，燃料中心的溫度仍然很低，燃料內的儲能較少，裂變氣體釋放較少。可預期正常運行和瞬態條件下燃料性能較好。

環形燃料作為一種結構上完全革新的先進燃料元件，可大幅度提高燃料元件的傳熱效率，降低燃料芯塊溫度，能顯著提升反應堆的安全性和經濟性，已成為壓水堆先進燃料組件的重要發展趨勢之一，受到國際上業界的重點關注。美、韓等國相繼進行了環形燃料的研發，研究表明環形燃料具有很好的應用前景。

目前，針對環形燃料堆芯的嚴重事故分析剛剛起步，國際上得到廣泛認可的嚴重事故分析軟件，比如MAAP、MELCOR、ICARE、ASTEC等，僅適用于傳統棒狀燃料堆芯，沒法模擬具有內外冷卻劑通道的環形燃料堆芯。國內開展過相關的嚴重事故分析工作，采用截面積相等、傳熱面積相等的原則，將環形燃料棒等效為傳統棒狀燃料，可以近似模擬環形燃料棒的傳熱特性，研究環形然燃料氫氣行為等。

環形燃料的結構特性導致其在嚴重事故下的行為特性與棒狀燃料不同，因此，國內外通用的嚴重事故分析軟件不能直接應用于環形燃料。

發明內容