紧密栅内燃料棒周向传热不均匀性研究

发布时间：2020-08-15 18:13

【摘要】：由于具有可提高燃料转换比等优点,紧密栅结构的燃料元件被广泛应用于一些现有及概念设计堆型中。与栅径比较大的棒束结构相比,紧密栅棒束内存在明显的温度分布沿周向不均匀性。由于包壳温度是反应堆热工设计的重要指标,有必要对紧密栅棒束内换热沿周向分布的规律特点进行研究,并开发可以对燃料棒内温度沿周向分布的情况进行预测的计算工具。在对国内外研究现状进行充分调研的基础上,本文对棒束内周向传热不均匀性这一现象的研究路线可概括为:建立针对该现象的数学模型并进行理论分析——在理论分析的基础上归纳影响该现象的无量纲数——以CFD方法对不同工况进行参数分析——确定描述传热沿周向不均匀性的经验关系式——建立三维的燃料棒模型,将周向导热模型引入子通道程序。论文的工作主要包括以下几方面:(1)在一定假设和简化的基础上,从基本守恒方程出发求解棒束内温度分布的半解析解;(2)推导影响棒束内温度分布的无量纲数,以此为基础并结合半解析解的形式提出了局部换热系数沿包壳表面分布的经验关系式的基本形式,并通过CFD计算确定经验关系式中的待定系数;(3)采用上述经验关系式作为边界条件,开发了子通道程序的非均匀燃料模型,并将其应用于不同堆型的子通道分析中。本文的主要结论为:(1)对于流体为常物性的情况,局部换热系数和包壳温度沿周向的分布近似于余弦分布,子通道内窄缝附近的温度要高于中心区域的温度;(2)局部换热系数的分布受栅径比的影响较大,由于包壳对于周向温度展平的重要性,包壳与流体导热系数之比对换热系数的分布也有影响,当流体的普朗特数较低时,换热的周向不均匀性随普朗特数的减小迅速增强;(3)在引入非均匀燃料棒模型后,新的子通道程序有能力对燃料棒内温度沿周向的变化趋势进行预测,计算结果与现有实验数据吻合较好。本文旨在开发一种计算方法来改造现有子通道程序,使之可以计算紧密栅内温度沿周向分布不均匀性,对后续的先进反应堆热工水力分析及程序开发研究有一定启发意义。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL352
【图文】：

燃料冷却剂图1-1 压水堆正方形燃料组件示意图Fig.1-1 Square fuel assembly in PWR图1-2 燃料棒横截面示意图Fig.1-2 Cross section of fuel rod紧密栅组件内的流动与传热机理非常复杂。当组件的栅径比较小时，流道间的横向流动和交混就变得非常明显，而这种横向流动与子通道间冷却剂流体之间的动量和能量交换密切相关。Hooper 等人[6-9]曾观察到在相邻通道间的窄缝区域流体的轴向、横向速度分布存在类周期性的脉动现象。Meyer 等[10-13]认为，这种类周期性脉动流产生的原因与二次流的关系较小，主要是由湍流结构决定，在窄缝两侧稳定交替产生且旋向相反的大尺度涡结构是这一现象产生的根本原因。这种棒束内湍流的周期性波动会使湍流运动

图1-7 子通道划分Fig.1-7 Configuration of sub-channels图1-8 燃料棒与子通道Fig.1-8 Fuel rod and sub-channels如前文所述，在燃料组件内换热沿燃料棒周向存在不均匀性，且通常这种不均匀性随着栅径比的减小而加剧。通常认为当栅径比大于 1.3 时这种不均匀性可以忽略，因此对于传统的堆型如压水堆和沸水堆，现有程序的燃料棒模型所作出的忽略周向温度变化的假设是合理的。但对于采用紧密栅结构的燃料棒而言，不同周向位置的包壳温度可能

DU）作为增殖区材料。SCWR-M 堆芯及组件的具体设计参数可参见文献[34]。(a) 热谱区组件 (b) 快谱区组件图1-12 混合能谱超临界水冷堆热谱、快谱燃料组件示意图[34]Fig.1-12 Fuel assembly structures of thermal zone and fast zone in SCWR-M[34]前文所述的几种新型水冷堆的快谱设计和液态金属堆都采用了紧密栅结构，其中新型水冷堆的栅径比列于表 1-2.表1-2 几种新型水冷堆的栅径比Table1-2 p/d of advanced water-cooled reactors堆型 SCWR[29, 33, 35-43]HCPWR[30]RMWR[31]冷却剂 水 水 水栅径比 1.10-1.40 1.05-1.20 1.101.3 研究现状1.3.1 理论与数值研究1.3.1.1 理论研究上世纪 60 年代至 80 年代，国外开展了很多针对液态金属快堆棒束流动与换热特性的研究[44]。由于液态金属具有高热导率和低比热容的特性，其贝克莱数（Pe）较低。在假设 Pe 趋近于零的基础上，文献[45]将流体的能量方程进行化简，得到了无限大棒束内温度场的半解析解，该半解析解给出了燃料、气隙和流体区域的温度分布以及包壳表面

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 康日新;钱顺发;汤国良;陈立霞;刘燕;;秦山核电厂3×3-2燃料棒束格架动水磨蚀试验[J];中国原子能科学研究院年报;1989年00期

2 ;法国“超凤凰”快堆堆芯燃料就绪[J];国外核新闻;1984年08期

3 陈超峰;陈凌;董柳灿;严源;焦志娟;韩春彩;王薇;任艳霞;;秦山三期破损燃料棒束公路运输[J];中国原子能科学研究院年报;2005年00期

4 康椰熙;CANDU堆燃料生产及其标准化研究[J];核标准计量与质量;1998年04期

5 王小军;陈炳德;黄彦平;;棒束通道CHF预测方法研究[J];工程热物理学报;2008年01期

6 李林森;王侃;袁昊民;臧金光;;基于中子随机输运理论的物理-热工耦合研究[J];原子能科学技术;2013年S1期

7 邓寿昌;加拿大研制CANDU堆用CANFLEX燃料棒束[J];国外核新闻;1999年06期

8 曾建丽;刘晓晶;程旭;;棒束中高含气量空泡份额计算模型适用性的研究[J];核动力工程;2009年06期

9 蒋兴;姚彦贵;谢永诚;徐受律;姚伟达;;乏燃料干式储存模块衰变热导出的三维仿真计算分析[J];原子能科学技术;2008年S2期

10 卜灵;法-日在快堆安全性合作方面的新计划[J];国外核新闻;1997年01期

相关会议论文 前3条

1 许立军;;CANDU6燃料棒束制造过程的质量监督[A];中国核学会核能动力学会核电质量保证专业委员会第十届年会暨学术报告会论文专集[C];2010年

2 景磊;;CANDU-6型重水堆核燃料棒束半壳测量方法不确定度的确定[A];中国核科学技术进展报告（第二卷）——中国核学会2011年学术年会论文集第4册（核材料分卷、同位素分离分卷、核化学与放射化学分卷）[C];2011年

3 张汝娴;谢光善;周培德;;快堆燃料元件[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集（第一卷·第4册）[C];2009年

相关重要报纸文章 前1条

1 本报记者 高嵘;无须谈“核”色变[N];中国环境报;2003年

相关博士学位论文 前1条

1 杨婷;紧密栅内燃料棒周向传热不均匀性研究[D];上海交通大学;2015年

相关硕士学位论文 前2条

1 满晓宇;先进重水反应堆燃料棒束物理研究与设计[D];清华大学;2005年

2 黄晨;快堆燃料棒寿命分析程序[D];中国原子能科学研究院;2000年

本文编号：2794465