乏燃料组件燃料棒更换抓爪疲劳特性的数值分析和试验研究

本文针对乏燃料组件燃料棒更换抓爪的疲劳特性进行研究,目的在于获得燃料棒抓爪合理可靠的使用寿命。抓爪所用材料属于定制特种材料,为获取不同应力值对应的极限循环次数,拟合出该材料的S-N疲劳特性曲线,本研究中对抓爪所用材料进行了疲劳试验;而后通过ANSYS软件建立抓爪模型并施加载荷。通过S-N疲劳特性曲线数据,对ANSYS进行参数设定,获得抓爪的理论疲劳寿命;通过疲劳试验验证了乏燃料组件燃料棒更换抓爪的使用寿命。     

燃料组件修复装置的设计

核电站反应堆燃料组件修复装置包括燃料棒更换装置、燃料棒定位小车和燃料篮倾翻装置3套设备。燃料篮倾翻装置能实现待检修燃料组件翻转的功能;燃料棒更换装置在燃料棒定位小车上能进行3个方向的移动,对准工位后对单根燃料棒进行检修。     

破损燃料组件修复后的物理特性分析

破损燃料组件修复后再次入堆使用是必须进行安全评估,以确保核安全。本文以采用AFA3G燃料组件的CPR1000机组为研究对象,对装入反应堆后的正常燃料组件和修复燃料组件的核物理和功率分布进行分析评估。结果表明:燃料组件内更换一根燃料棒对燃料组件反应性的影响很小,该影响可以忽略。更换不锈钢棒的数量越大,燃料组件反应性变化幅度越大。随着燃耗的加深,燃料组件反应性变化幅度也增大。修复的燃料组件虽然在换棒位置局部区域发生功率畸变,相对功率略微的升高,但离换棒位置较远的燃料棒的相对功率没有变化,换棒不会导致组件内功率峰发生象限的偏移。     

钠冷快堆乏燃料组件自然循环冷却瞬态过程的数值模拟研究

应用Fluent程序,对处于氩气中的钠冷快堆乏燃料组件自然循环冷却瞬态过程进行了三维数值模拟。计算获得了乏燃料组件内部冷却剂通道和外部区域的热工水力学现象及变化规律。结果表明:利用标记区域分割方法,将燃料棒间隙网格划分为绕丝网格和绕丝周边流体域网格,能在棒束区生成高质量结构化网格;在氩气自然循环冷却瞬态过程中,棒束区内子通道氩气流量增加速度落后于边子通道,内子通道升温更快;乏燃料组件棒束区温度在轴向呈现中心高、边缘低的分布特征;为避免包壳温度超过设计值,乏燃料组件处于氩气中的时间不宜超过6min。     

核电厂变形相关组件安全贮存工器具研发及应用

由于变形相关组件形状发生变化,无法配插到燃料组件或存放架内进行贮存,一般是将其临时放入乏燃料水池贮存格架中的空贮存小室内,这种状态下的变形相关组件失去支撑,变形相关组件棒体会在自身重量作用下发生弯曲,长时间处于此状态下可能导致棒体破损,致使里面的物质泄漏而污染乏燃料水池。文章中工器具的整个研发是以秦山第二核电厂作为试验场所,以其乏燃料水池内的3组变形相关组件作为研制对象,最终研发出一套适用于变形相关组件安全贮存的工器具,本套工器具保证了变形相关组件的完整性。     

VVER燃料在稳态运行和瞬态条件下的状况和基本性能

【《欧洲核综览》 1998年 11— 12月号报道】　VVER燃料在稳定状态运行下的状况专门对辐照后的全尺寸 VVER和RBMK燃料组件进行检测的实验室成立于19 87年。在此之前 ,只对燃料棒碎片和燃料组件元件在热室中进行过检测。自 1987年以来 ,已研究了 7个 VVER-44 0和 17个 VVER- 10 0 0燃料组件 (从燃耗为 18— 6 3MWd/ kg U的 6 0 0 0多根燃料棒中选出 )。标准燃料和先进燃料组件的典型样品、异常条件下运行的燃料组件和不气密的燃料组件都进行过检测。选取有代表性的乏燃料有利于全面了解燃料棒和组件在商用机组实际运行条件下的状态…     

燃耗信任制中可燃毒物对乏燃料反应性的影响分析

以压水堆(PWR)常用的可燃毒物棒(BPRs)为研究对象,定性分析了组件燃耗过程中不同类型的BPRs对燃料组件反应性的影响,为基于燃耗信任制的乏燃料贮存系统临界安全分析保守参数的选取提供参考。分析表明,在组件燃耗过程中含有BPRs时,忽略含钆毒物可使临界分析结果保守,而必须考虑涂硼燃料元件(IFBA)、湿式环状可燃毒物棒(WABA)、硼玻璃可燃毒物棒(PYREX)等对乏燃料反应性的影响。     

转运通道中燃料组件沸腾传热的试验研究

在压水堆换料过程中,乏燃料组件要通过水下通道完成从反应堆厂房到乏燃料水池的运输。为获得乏燃料组件在换热条件较恶劣的承载器顶角区域的传热特性,开展了试验研究,测量得到了2 400～20 000 W/m²不同热流密度下承载器顶角区域3根燃料棒顶部的沸腾换热系数,并拟合得到沸腾传热关联式。研究结果可为今后工程应用中评估燃料组件在转运过程中的热工安全状态和表面最高温度提供参考。     

转运通道中燃料组件沸腾传热的试验研究

在压水堆换料过程中,乏燃料组件要通过水下通道完成从反应堆厂房到乏燃料水池的运输。为获得乏燃料组件在换热条件较恶劣的承载器顶角区域的传热特性,开展了试验研究,测量得到了2 400～20 000 W/m~2不同热流密度下承载器顶角区域3根燃料棒顶部的沸腾换热系数,并拟合得到沸腾传热关联式。研究结果可为今后工程应用中评估燃料组件在转运过程中的热工安全状态和表面最高温度提供参考。     

日本多台核电机组的乏燃料组件水棒发生变形

【东京电力公司网站2013年1月7日报道】2013年1月7日,东京电力公司向原子能监管委员会提交了有关柏崎刈羽核电站乏燃料组件水棒变形的中间调查报告。如图1所示,水棒是安装在燃料组件中央位置、与燃料棒平行排列的中空管,其长度为4.2m,直径为3.4cm。水棒可发挥3个作用:①加强中子慢化效果,改善燃料组件重要区域的功率分布;②在发生失水事故时加强散热     

乏燃料组件抓具混合双摆模型及地震响应分析

核动力厂对乏燃料组件抓具提出了抗安全停堆地震(SSE)的要求,而抓取过程的地震响应是评价其安全性的重要依据。为精确分析抓取过程的地震响应,根据乏燃料组件抓具的结构和工作方式,建立乏燃料组件抓具工作状态的混合双摆模型,推导其运动微分方程,采用Runge-Kutta法求解其在地震载荷作用下的响应,根据动力学理论进一步求得钢丝绳和抓具上的动态载荷,并对结果进行分析。此方法为类似结构的精确抗震设计、综合评定提供参考。     

压水堆乏燃料单棒冷却液膜流动特性实验研究

为避免在极端事故工况下,乏燃料水池会长期失去补水和冷却,第3代核电站如AP1000和CAP1400,引入了喷淋冷却系统。在喷淋条件下,乏燃料棒上液膜流动特性是影响冷却效果的重要因素,国内外学者还未对其做过详细的研究。本文使用光学法研究了在不同雷诺数(Re)条件下,对单根乏燃料棒进行喷淋冷却所形成的液膜厚度随时间和空间的变化。利用CCD相机采集液膜图像,并经过处理得到了清晰的液膜厚度图像和与图像吻合良好的数据。实验结果表明：当Re为608～7 538时,瞬态液膜厚度最大值出现在Re=7 085的条件下,其值为2.36 mm;随着Re的增加,时均液膜厚度会随之增加,并且液膜波动的振幅也会随之增加;在沿棒方向上,随着距棒顶距离的增加,液膜厚度会逐渐减小并趋于平稳,并且随着Re的增加,平稳部分会出现在距棒顶更远的位置。对乏燃料单棒冷却液膜流动特性的研究,为确定具有有效冷却能力的最小喷淋流量奠定了基础。     

压水堆燃料辐照后燃料棒棒间距数据机器视觉测量方法研究

针对辐照后燃料棒棒间距数据获取和处理困难的问题,基于燃料棒几何特性及其在压水堆燃料组件中的排列方式,本文提出一种基于机器视觉的高效、可靠的燃料棒棒间距数据测量方法。该方法首先采用Retinex算法对水下燃料棒的采集图像进行增强预处理;然后,针对燃料棒阵列的前后成像干扰问题,采取边缘增强和逐行灰度特征处理方法实现待测燃料棒与背景燃料棒的有效分离,并进一步提升图像清晰度;最后,对燃料棒图像的单行灰度值进行二次曲线拟合,获得各个燃料棒的亚像素边缘点坐标。乏燃料组件的现场实验验证结果表明,该方法可一次性实现16个燃料棒棒间距测量,且测量精度达±0.32 mm,可为燃料性能分析提供高效、可靠的数据支持。      

快堆燃料组件少棒替代方法研究

快堆堆芯流量分配实验需大量燃料组件,为缩短燃料组件的加工周期,需寻找一种可简化燃料组件结构的思路。本文采用CTS理论算法,计算了燃料组件结构参数变化对组件水力特性的影响,提出了采用较少燃料棒替代组件完成试验的思路。该方法不改变组件外部结构与试验环境,仅用少量燃料棒获得与多棒燃料组件相同的水力特性。计算结果表明,替代组件与原组件水力曲线吻合较好,可达到替代效果。     

反应堆乏燃料组件的破损检测

为了解决某反应堆101盒乏燃料组件外运送贮,对乏燃料组件破损检测方法进行了研究,在已有技术的基础上,根据自身的需求设计、加工了新的采样系统,设计了工作流程,并给出了测量数据的判断依据。该采样系统可以在水下实现一次对一批乏燃料组件进行逐个取样,每个样品对应一个确定的组件,检测效率高。测量破损检测样品101个,根据测量结果判断出1个样品含有85Kr,其余样品不含85Kr或是85Kr的含量低于该条件下仪器的探测限,表明101盒乏燃料组件中有1盒组件包壳存在破损情况,其余组件包壳未破损。     

基于多孔介质和等效热导率模型的快堆乏燃料组件传热特性数值分析

乏燃料组件在运输或转运过程中,组件会裸露在传热较差的气体介质内,需关注其散热性能。为模拟乏燃料组件的传热特性,采用多孔介质模型模拟组件的流动阻力,并利用等效热导率模型模拟组件内部的传热。由于自然对流条件下乏燃料组件内部流动符合层流假设,在多孔介质阻力模型中忽略了惯性力项的作用。将等效热导率模型的模拟结果与SNL-LMFBR实验结果进行对比,证明了该模拟方法的有效性。计算结果表明,在水平放置工况下乏燃料组件温度轴向呈对称分布,在竖直放置工况下轴向呈非对称分布,乏燃料组件的高温区域向组件上方偏移。     

UO2-不锈钢燃料棒的光纤激光切割研究

为验证光纤激光用于燃料组件解体和燃料棒切割的可行性,研究光纤激光用于热物性差别很大的UO2芯块 不锈钢包壳管复合结构的切割和铀芯块的切割质量,本文采用光纤激光切割UO2芯块 316Ti包壳管元件棒,并通过扫描电子显微镜、能谱和X射线衍射对UO2芯块的切断面进行微观表征分析,研究激光切割过程对铀芯块切断的表面微观形貌、元素组成及物相的影响。研究结果表明,光纤激光可用于切割UO2芯块 316Ti包壳管元件棒,激光切割过程虽会造成铀芯块切断面出现大量微孔和碎渣,但不会造成UO2的相变。以上结果表明,光纤激光可用于UO2芯块 316Ti包壳管元件棒的切割,通过后续对激光切割系统的抗辐射屏蔽防护,可应用于乏燃料组件解体和乏燃料棒切割。     

Characteristics of a Geological Disposal System for the Increasing Burn-up of Spent Nuclear Fuel in Korea

The characteristics of a geological disposal system that can accommodate increasingly higher burn-up levels of spent fuel were assessed based on the Korea reference disposal system concept. First, a status investigation that included a projection of spent fuel quantity versus burn-up was carried out to demonstrate the trend toward higher burn-up levels. Next, the main features of the Korea reference disposal system were introduced. Finally, the disposal tunnel length, excavation volume, and raw materials (e.g., a cast insert, copper, bentonite and backfill) necessary for a disposal system were comprehensively analyzed to define the characteristics and overall effects on geological disposal at increasingly higher burn-up levels. Our study determined that it is reasonable to use a canister containing 4 spent fuel assemblies with burn-up levels up to 50GWD/MTU, while a canister containing 3 spent fuel assemblies can accommodate burn-up levels beyond 50GWD/MTU. A remarkable increase of 33% in disposal tunnel length and that of 30% in excavation volume were observed as the burn-up increased from 50 to 60GWD/MTU. However, this was offset by a reduction of 17% in raw materials used in canister fabrication. Therefore, it seems that spent fuel at increasingly higher burn-up levels is not a serious concern for deep geological disposal in Korea.     

复杂几何燃料组件的参数计算

利用加拿大蒙特利尔大学研制的DRAGON程序对反应堆复杂几何组件进行参数计算，并通过压水堆柱状元件基准问题、MTR型反应堆板状元件基准问题和其他不同几何形状的燃料组件进行校核计算。结果表明：DRAGON程序可用于多种复杂几何燃料组件参数的计算，且具有良好的计算精度。      

快堆组件数值模拟研究

为详细研究快堆组件棒束中的流动换热特性,本工作采用Fluent程序对169棒束快堆燃料组件进行三维数值模拟。结果表明,在流量为10.92~18.67 kg/s时,计算得到的压降与已公开发表文献结果的相对偏差小于3.41%。内子通道的相对温度升高,呈现出周期为1/3螺距的波动,内子通道的局部温度比子通道程序SUPERENERGY计算的结果更高。根据模拟计算结果可更为准确地预测棒束通道内的流动换热情况,为今后组件棒束热工水力学设计提供参考。