[發明專利]一種預測超臨界二氧化碳冷卻堆燃料元件主要參數的方法

有效

• 申請號: 202110299921.2
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113065241B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 張魁;楊佟安;田文喜;廖浩宇;劉強;陳榮華;秋穗正;蘇光輝
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

一種預測超臨界二氧化碳冷卻堆燃料元件主要參數的方法。該方法步驟如下：1、給定幾何、材料及熱工參數，設置幾何參數初值；2、進行時間步的迭代，設置新的熱工參數，為熱工、機械計算模塊設置參數初值；3、進行熱工計算模塊，冷卻劑調用二氧化碳的物性；4、進行機械計算模塊；5、計算間隙氣體的溫差，判斷與步驟3假定的氣體溫差是否相等，如若不相等則更新氣體溫差，返回步驟3；6、計算包殼氧化腐蝕情況；7、將步驟3到步驟6按照軸向節點從小到大進行循環；8、調用裂變氣體計算模塊；9、將步驟2到步驟8按照每個時間步長進行迭代；本發明方法采用熱工?機械?材料耦合迭代求解的方法，計算超臨界二氧化碳冷卻堆燃料元件的主要參數。

技術領域

本發明屬于反應堆安全分析技術領域，具體涉及一種預測超臨界二氧化碳冷卻堆燃料元件主要參數的方法。

技術背景

氣冷快堆具有高經濟效率、良好熱傳遞性能和高度的安全性，成為在第四代核能計劃框架中的六種類型反應之一，第四代核能計劃中氣冷快堆的目標是可持續性，即在保持良好安全性和經濟性能的同時，優化資源利用。

基于對熱中子高溫反應堆的研究，目前氣冷快堆冷卻劑大部分都使用氦氣作為冷卻劑，但是通過詳細分析，由于透平的級數與工質的相對分子質量成反比，氦氣的相對原子質量太小，所以其透平機械的體積非常大，不便于小型化以及結構優化。也正是因為過大的透平，所以在循環過程中壓縮功損耗較大，整體循環效率不高，經濟性較低。同時為了達到較高的氦氣布雷頓循環轉換效率，需要的透平入口峰值溫度在800℃以上，這對渦輪機組的結構材料高溫承受能力提出了很高的要求。

二氧化碳狀態處于臨界點(7.3773MPa，304.12K)以上時變為超臨界二氧化碳，具有密度接近液體，粘度靠近氣體的特殊性質，有較高的相對分子質量以及流體密度，所以渦輪機組的體積可以變得小；同時擁有更好的傳熱物理性能，在較低的透平入口溫度650℃下的熱效率與氦氣循環入口溫度850℃的熱效率相同，這減輕了堆芯材料在高溫下的性能問題，并且現有材料是完全能夠滿足該溫度下的要求。

雖然目前世界上沒有超臨界二氧化碳的已建反應堆，但是目前全世界已建造和運行了大約52座利用超臨界二氧化碳作為冷卻劑的商用發電反應堆。

超臨界二氧化碳冷卻堆芯壓力一般為15-20MPa，冷卻劑入口溫度一般為450-650℃，進出口溫差最優在150-200℃之間，冷卻劑沿下降段順著壓力容器壁到達堆芯底部，然后向上流動，流經燃料組件冷卻堆芯，隨后從堆芯頂部流出，進入渦輪機組做功，形成能量循環。

超臨界二氧化碳冷卻堆的可持續性、資源利用高效性、強的非能動安全性等優勢，超臨界二氧化碳冷卻堆目前已經得到了探究和發展，并且已經顯示出相比其他氣體和液態金屬冷卻堆芯有著更大的潛力，國內外對于超臨界二氧化碳冷卻反應堆也不斷地加大研發的力度，但是對于超臨界二氧化碳冷卻堆燃料元件的主要參數計算缺少方法，從而獲得燃料元件、包殼和冷卻劑在服役期間的主要參數，為超臨界二氧化碳冷卻堆的設計提供參考。

基于此，有必要提出一種計算方法，能夠進行熱工-機械耦合計算，預測超臨界二氧化碳冷卻堆芯，燃料元件在服役期間熱工-機械-材料主要參數。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供一種預測超臨界二氧化碳冷卻堆燃料元件主要參數的方法，給定幾何、材料及熱工參數，進行熱工-機械-材料耦合計算，得到服役期間超臨界二氧化碳冷卻反應堆燃料元件主要參數。

為了達到上述目的，本發明的采用如下技術方案：

一種預測超臨界二氧化碳冷卻堆燃料元件主要參數的方法，包括如下步驟：

步驟一：給定燃料元件幾何參數即燃料元件高度、元件直徑、氣隙寬度、包殼厚度、柵距、氣腔長度和彈簧系數，材料參數即包殼材料和燃料芯塊參數，以及熱工參數即冷卻劑進口壓力、進口溫度、質量流速、燃料棒線功率和功率形狀因子；