判定弥散型板燃料元件起泡与沸腾临界先后顺序的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种判定弥散型板燃料元件起泡与沸腾临界先后顺序的数值模拟方法。包括以下步骤：1、填写并读入输入卡；2、设定时间循环次数与计算网格结构；3、计算燃料元件径向及轴向功率分布；4、进行稳态热工参数计算，更新燃耗和芯块最高温度；5、更新包壳和燃料板厚度；6、更新流道尺寸，计算燃料组件温度与热流密度；7、计算流道出口含汽率，根据沸腾临界类型计算临界热流密度；8、进行热流密度收敛判断，计算沸腾临界阈值温度；9、进行燃料颗粒开裂判断，计算裂变气体释放量；10、进行起泡判断，计算起泡阈值温度；11、将步骤8与步骤10温度进行对比，判定弥散型板燃料元件起泡与沸腾临界发生先后顺序。临界发生先后顺序。临界发生先后顺序。

【技术实现步骤摘要】
判定弥散型板燃料元件起泡与沸腾临界先后顺序的数值模拟方法


[0001]本专利技术属于反应堆安全分析
，具体涉及一种判定弥散型板燃料元件起泡与沸腾临界先后顺序的数值模拟方法。

技术介绍

[0002]弥散型燃料元件(dispersion fuel element)是指采用弥散型燃料的元件。弥散型燃料是将细颗粒状的核燃料弥散在基体材料中形成的核燃料，由核裂变颗粒(如铀、钚等的化合物)分布在金属、陶瓷或石墨基体中构成，在结构上类似于颗粒增强复合材料，其基本思想是用基体材料把燃料颗粒相互隔离开。核燃料可以是金属铀或二氧化铀等；基体材料可以是铝、锆合金或石墨等。弥散型燃料的辐照损伤只限于弥散相本身及其邻近区域，基体受损较轻，所以燃耗可以很高。弥散型燃料的热学性能和机械性能与基体材料基本相似，通常它有较高的强度和塑性，良好的导热性和抗腐蚀性，能承受较大的热应力。
[0003]相较于传统棒状UO2陶瓷型燃料元件，板状燃料元件具有传热好，燃料芯体温度低等特性，可大幅度提高堆芯的功率体积比；同时，板状燃料元件加工简单，毋需复杂的表面加工和处理，在通道内高速流体的冲刷下，换热表面不易发生杂质的沉淀和污染，是一种较为先进的紧凑型堆芯。在板状燃料元件反应堆堆芯内，燃料元件之间形成若干平行的矩形流道，燃料板间隙一般为1～3mm，构成一种大宽高比的扁平矩形窄缝流道。冷却剂从入口到出口可能经历单相水、包括过冷沸腾和饱和沸腾的汽水两相流及单相蒸汽几种流型的转变，流动和传热工况极为复杂。
[0004]弥散型板状燃料元件矩形窄缝通道热流局部集中和起泡现象会使得热流分布和流道几何形状均发生畸变，是弥散型燃料元件热工水力设计和安全分析的关键瓶颈技术。起泡是指弥散型燃料元件内辐照产生的裂变气体在局部聚集，不断增大的气体压力导致燃料发生塑性变形，对矩形窄缝热工水力特性会产生不利的影响。对矩形通道内热流局部集中下的流动换热特性进行研究，需关注临界热流密度这一重要的安全准则。临界热流密度是核燃料元件表面发生传热恶化时的热通量，是冷却剂流动沸腾机理发生转变的结果。对热流局部集中下高温高压沸腾临界影响机理的研究，需要关注起泡发生和生长演变机理，从而获得沸腾临界与起泡阈值关系以及影响机制。
[0005]板状核燃料元件起泡发生过程与热工水力学密切相关，不同阶段传热模式会影响元件温度分布。因此，可通过探索沸腾临界发生时燃料元件温度以及起泡阈值温度之间的关系，建立沸腾临界和起泡阈值的安全准则，如果沸腾临界发生时元件温度低于起泡阈值温度，则沸腾临界限值准则可确保燃料元件安全性；如果高于起泡阈值温度，则需要梳理出这些运行工况并分析起泡后传热特性，为起泡后热工安全准则制定提供技术基础。获得弥散型燃料元件沸腾临界前壁温与起泡阈值温度的先后关系，对于理清弥散型燃料元件在各种工况范围下安全传热和可冷却性具有重要的意义。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术提供一种判定弥散型板燃料元件起泡与沸腾临界先后顺序的数值模拟方法，在给定燃料元件参数和热工水力参数之后，可以计算服役期间核反应堆板状燃料元件的主要参数，并对元件起泡与沸腾临界发生的先后顺序进行判定，考虑燃料颗粒、芯块和包壳的行为包括颗粒开裂、裂变气体释放、包壳膨胀等。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种判定弥散型板燃料元件起泡与沸腾临界先后顺序的数值模拟方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：读入输入文件，填写输入卡，输入文件包括燃料元件的几何结构参数和材料参数，反应堆堆芯的热工水力参数以及初始计算工况；
[0010]步骤2：使用输入文件参数，根据输入时间步长的数目设定时间循环次数，根据输入轴向节点数目设定计算的网格结构；
[0011]步骤3：依据线平均功率和堆芯形状因子得到燃料元件长度、宽度和高度方向上不同位置处的功率分布；
[0012]步骤4：假设芯块最高温度位置，进行稳态热工参数计算，依次计算通道和堆芯热流密度分布、冷却剂流量，根据热平衡计算得到冷却剂温度、包壳温度、通道压降，更新燃耗分布并计算芯块温度，根据得到的芯块温度重新更新芯块最高温度位置调整；
[0013]步骤5：根据燃料元件的温度分布和燃耗计算出芯块热膨胀、燃料颗粒密实化和辐照肿胀，并计算出芯块的应变、燃料板应力，进行屈服判断并更新等效弹塑性增量和等效应力，从而更新包壳和燃料板厚度；
[0014]步骤6：根据步骤5更新后的包壳和燃料板厚度更新流道尺寸，判断是否为最后几何尺寸节点，是则进行下一个步骤计算，否则更新计算节点，重复步骤4，更新燃料组件温度以及热流密度；
[0015]步骤7：将步骤4
‑
6获得的稳态热工参数作为输入条件进行瞬态计算，计算冷却剂通道出口含汽率，从而判断沸腾临界类型，进行沸腾临界热流密度计算，将含汽率与当前工况下发生环状流起始含汽率进行对比判断沸腾临界类型，若出现环状流则进行Dryout型沸腾临界计算得到沸腾临界热流密度，若未出现环状流则进行DNB型沸腾临界计算得到沸腾临界热流密度；
[0016]步骤8：计算步骤7得到的沸腾临界热流密度与步骤6得到的热流密度之间的误差，如未达到收敛标准，则更新热流密度，重复步骤7计算；如达到收敛标准，则判断发生沸腾临界，得到沸腾临界阈值温度T
chf
；
[0017]步骤9：将步骤4得到的温度和燃耗分布作为输入数据，根据边界条件求解燃料颗粒弹性力学基本方程，对燃料颗粒开裂进行判断，如燃料颗粒未开裂则进行反冲击出释放量计算；如燃料颗粒开裂则进行裂纹连通、气泡连通以及原子扩散释放方式释放量的计算，从而得到总的裂变气体释放量；
[0018]步骤10：根据步骤3
‑
6得到的热工、机械参数和步骤9得到的总的裂变气体释放量，进行包壳屈服应力和弹性模量计算，计算出自由空间气体的释放量并计算燃料板缺陷处气体温度和燃料板的体积变化，并得到缺陷处裂变气体总压力与可容纳气体体积，从而计算出包壳最大应力和应变进行包壳起泡判断；如包壳所受应力小于屈服应力，则进行温度、压
力和角度迭代重复计算；如包壳应力大于屈服应力，则计算对应起泡阈值温度T
blister
；
[0019]步骤11：将步骤8得到的沸腾临界阈值温度T
chf
与步骤10得到的起泡阈值温度T
blister
进行对比，从而判定弥散型板燃料元件起泡与沸腾临界发生的先后顺序。
[0020]步骤1中所述的输入文件中，反应堆堆芯的热工水力参数是分时间步长输入的热工水力参数；输入文件输入长度、宽度和高度方向上的节点数目，通过输入的节点数改变划分网格的疏密程度并适应实际的计算工况；热工水力参数包括冷却剂温度、冷却剂压力、冷却剂质量流速、堆芯平均线功率、反应堆功率形状因子、快中子注量率；分时间步长输入的热工水力参数储存在定义的全局变量数组中，在每次时间循环迭代时，读取新的时间步长数目和新的时间步长的长度和新的热工水力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种判定弥散型板燃料元件起泡与沸腾临界先后顺序的数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：读入输入文件，填写输入卡，输入文件包括燃料元件的几何结构参数和材料参数，反应堆堆芯的热工水力参数以及初始计算工况；步骤2：使用输入文件参数，根据输入时间步长的数目设定时间循环次数，根据输入轴向节点数目设定计算的网格结构；步骤3：依据线平均功率和堆芯形状因子得到燃料元件长度、宽度和高度方向上不同位置处的功率分布；步骤4：假设芯块最高温度位置，进行稳态热工参数计算，依次计算通道和堆芯热流密度分布、冷却剂流量，根据热平衡计算得到冷却剂温度、包壳温度、通道压降，更新燃耗分布并计算芯块温度，根据得到的芯块温度重新更新芯块最高温度位置调整；步骤5：根据燃料元件的温度分布和燃耗计算出芯块热膨胀、燃料颗粒密实化和辐照肿胀，并计算出芯块的应变、燃料板应力，进行屈服判断并更新等效弹塑性增量和等效应力，从而更新包壳和燃料板厚度；步骤6：根据步骤5更新后的包壳和燃料板厚度更新流道尺寸，判断是否为最后几何尺寸节点，是则进行下一个步骤计算，否则更新计算节点，重复步骤4，更新燃料组件温度以及热流密度；步骤7：将步骤4
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6获得的稳态热工参数作为输入条件进行瞬态计算，计算冷却剂通道出口含汽率，从而判断沸腾临界类型，进行沸腾临界热流密度计算，将含汽率与当前工况下发生环状流起始含汽率进行对比判断沸腾临界类型，若出现环状流则进行Dryout型沸腾临界计算得到沸腾临界热流密度，若未出现环状流则进行DNB型沸腾临界计算得到沸腾临界热流密度；步骤8：计算步骤7得到的沸腾临界热流密度与步骤6得到的热流密度之间的误差，如未达到收敛标准，则更新热流密度，重复步骤7计算；如达到收敛标准，则判断发生沸腾临界，得到沸腾临界阈值温度T
chf
；步骤9：将步骤4得到的温度和燃耗分布作为输入数据，根据边界条件求解燃料颗粒弹性力学基本方程，对燃料颗粒开裂进行判断，如燃料颗粒未开裂则进行反冲击出释放量计算；如燃料颗粒开裂则进行裂纹连通、气泡连通以及原子扩散释放方式释放量的计算，从而得到总的裂变气体释放量；步骤10：根据步骤3
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6得到的热工、机械参数和步骤9得到的总的裂变气体释放量，进行包壳屈服应力和弹性模量计算，计算出自由空间气体的释放量并计算燃料板缺陷处气体温度和燃料板的体积变化，并得到缺陷处裂变气体总压力与可容纳气体体积，从而计算出包壳最大应力和应变进行包壳起泡判断；如包壳所受应力小于屈服应力，则进行温度、压力和角度迭代重复计算；如包壳应力大于屈服应力，则计算对应起泡阈值温度T
blister
；步骤11：将步骤8得到的沸腾临界阈值温度T
chf
与步骤10得到的起泡阈值温度T
blister
进行对比，从而判定弥散型板燃料元件起泡与沸腾临界发生的先后顺序。2.根据权利要求1所述的一种判定弥散型板燃料元件起泡与沸腾临界先后顺序的数值模拟方法，其特征在于：步骤1中所述的输入文件中，反应堆堆芯的热工水力参数是分时间步长输入的热工水
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【专利技术属性】
技术研发人员：张魁，余颂娇，刘毓民，祁添翼，田文喜，苏光辉，秋穗正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：