压水堆燃料组件抗震试验研究

燃料组件属I类抗震物项,其抗震问题直接关系核电厂运行安全,通常需通过抗震试验验证反应堆燃料组件抗震分析方法的合理性。本文模拟反应堆实际堆芯燃料组件安装方式,设计压水堆燃料组件抗震试验件与试验装置,针对不同组件数量布置方案,在高性能地震模拟振动台上开展试验研究。结果表明,水介质中燃料组件的第一阶频率为2.96 Hz,最大冲击力出现在燃料组件偏中间位置处,试验获取了地震作用下燃料组件的格架冲击力、格架相对位移、模拟堆芯板与围板的加速度等响应。试验结果可用于设计基准事故工况中燃料组件抗震分析模型的建立与分析软件的验证。     

VVER反应堆燃料组件流动传热特性CFD分析

采用计算流体力学（CFD）方法对俄罗斯水-水高能反应堆（VVER）先进燃料组件（AFA）的流动传热特性进行模拟,获得了额定工况下燃料组件冷却剂流场、流动压降和温度分布等。结果表明:与内部含交混翼的格架相比,AFA燃料组件定位格架的压力损失较小;定位格架围板导向翼附近存在滞流现象,导致燃料组件外围区域冷却剂温度偏高;不同的测量管周向棒功率比K_c对燃料组件出口冷却剂温度的测量值有较大影响。该分析结果可为核电厂堆芯温升预警值ΔT_t的设定提供参考。      

压水堆下腔室流场对堆芯流场和温度场影响数值分析

利用三维数值模拟,对不同环腔厚度和环腔内冷却剂速度条件下,下腔室内冷却剂流场进行了计算。在此基础上,对压水堆流量孔板冷却剂流量的分配情况进行了分析,并找出了通过流量孔板通孔小组的冷却剂流量与平均流量的最小偏差。分别计算了最小偏差条件下与平均流量条件下,堆芯内板状燃料元件周围冷却剂的流场和温度场。发现由环腔厚度或环腔内冷却剂速度不同而引起的下腔室流场分布不均匀,对堆芯内冷却剂流场和温度场影响较大。     

环形燃料混合堆芯横向流动特性数值模拟研究

环形燃料混合堆芯横向流动特性对原堆芯的热工安全具有重要影响。本文基于计算流体力学(CFD)方法建立了3×3环形燃料混合堆芯，通过计算混合堆芯的速度场、局部阻力特性与各组件的出入口流量守恒性，对环形燃料与原堆芯燃料之间的横向流动进行了评价。结果表明，当环形燃料与原堆芯燃料轴向各处阻力一致时，原堆芯燃料出入口冷却剂流量相对偏差小于0.8%,环形燃料出入口冷却剂流量相对偏差小于1.8%,混合堆芯各格架段无显著横向流动。     

板状燃料组件入口堵流事故下流场和温度场的瞬态数值计算

板状燃料组件具有结构紧凑、换热效率高、深燃耗等特点,故被广泛应用在一体化反应堆和实验用研究堆中。在堆芯窄矩形流道中,冷却剂一般采用自上向下的强迫循环方式。在某些事故工况下,譬如由于燃料元件的辐照肿胀、堆内材料碎片或异物随冷却剂循环流入堆芯,可能引发堵流事故。该事故将造成燃料板失冷,板温升高,可能导致局部冷却剂蒸干,威胁燃料包壳的完整性,甚至造成放射性外泄,引发严重事故后果。本文采用CFD软件ANSYS FLUENT 12.1对板状燃料组件在入口95%部分堵塞和全部堵塞的工况进行了瞬态数值模拟。计算中考虑了冷却剂和燃料板的流固耦合传热问题,并对所得三维流场、温度场及影响因素进行了分析。     

基于SCALE的RFA改进型燃料组件堆内贮存临界安全分析

RFA改进型燃料组件是西屋公司设计的能应用于大功率先进压水堆的改进型燃料组件。SCALE计算程序是一款在国际上得到广泛认可的综合性建模及模拟程序包,可用于核设计与核安全分析。基于SCALE计算程序,针对大功率先进压水堆的乏燃料贮存水池,建立恰当的计算模型,并选取合理的保守假设,分析乏燃料水池正常贮存及事故工况下的临界安全。计算结果表明一区正常贮存工况keff值为0.901 29,组件跌落事故工况下,有效增值因子为0.907 93。二区正常贮存工况下,计算模型keff值为0.909 98,新燃料组件误插入事故工况keff值为0.924 07。先进压水堆乏燃料贮存水池正常贮存工况及事故工况的有效增值因子均小于0.95,处于次临界状态。该设计模型可确保燃料堆内贮存区域临界状态安全可控。     

采用变化附加阻尼的快堆堆芯组件抗震分析方法的研究

对快堆堆芯组件进行的抗震分析需要考虑冷却剂与堆芯组件之间的流固耦合作用。在之前的分析中,大多数人将流体附加阻尼处理为定值。实际上冷却剂对组件的作用还随着组件间的间隙变化而变化,其带来的附加阻尼应为变量。为更准确地模拟堆芯组件的振动,本文采用变化附加阻尼对快堆堆芯组件的抗震分析方法进行了研究。建立了快堆堆芯单排（5根）堆芯组件的抗震分析计算模型,对该模型进行了附加阻尼为定值和随间隙变化两种情况下的抗震分析,结果显示了考虑变化附加阻尼的堆芯组件抗震分析方法的可行性与有效性。本文所使用的模拟方法更为贴近堆芯组件的振动情况,为更为真实地模拟快堆堆芯组件的地震响应打下基础,这也有助于减少结构设计的保守性,具有一定的工程价值。     

基于CMS程序包的环形燃料堆芯物理计算分析

为研究在大型商用压水堆中采用环形燃料元件的可能性,需分析环形燃料的堆芯物理性能。本文研究了CASMO5程序计算环形燃料组件物理参数出现偏差的原因及其处理方法,分析了4组环形燃料先导组件加入秦山二期核电站平衡循环堆芯之后的堆芯物理参数。计算结果表明,装载的环形燃料先导组件对堆芯物理性能影响较小,基于CMS程序包开展环形燃料堆芯物理性能分析计算是可行的。     

数值反应堆堆芯通道级三维热工水力程序CorTAF开发及初步验证

堆芯是核动力系统的核心部件,其完整性是反应堆安全运行的重要前提。传统核反应堆堆芯热工水力分析方法无法满足未来先进核动力系统的高精度模拟需求。本文依托开源CFD平台OpenFOAM,针对压水堆堆芯棒束结构特点建立了冷却剂流动换热模型、燃料棒导热模型和耦合换热模型,开发了一套基于有限体积法的压水堆全堆芯通道级热工水力特性分析程序CorTAF。选取GE3×3、Weiss和PNL2×6燃料组件流动换热实验开展模型验证,计算结果与实验数据基本符合,表明该程序适用于棒束燃料组件内冷却剂流动换热特性预测。本工作对压水堆堆芯安全分析工具开发具有参考和借鉴意义。     

基于动态差分法的压水堆一回路放射性核素浓度分析

本文通过分析一回路冷却剂在堆芯辐照区、非辐照区、稳压器及化容控制系统中的流动特性,建立核素浓度的动态差分数学模型,模型特征参数可根据实际操作情况进行调整,将每次取水测量值对数学模型计算初始值进行修正,以准确地反映核素浓度变化情况。应用所建立的动态差分数学模型针对某一典型压水堆的实际运行工况进行计算,并将计算结果与Profip5程序计算值进行对比,验证了所建立的数学模型的准确性。然后,对压水堆一回路放射性核素浓度进行计算分析,得到一回路冷却剂核素浓度和辅助系统中核素平衡浓度,以及各系统核素浓度随时间的变化规律和停堆时一回路核素的浓度变化规律。结果表明,所建立的动态差分数学模型冷却剂核素计算值与Profip5计算值相差不大,化容控制系统对一回路放射性核素的净化率与国家标准中提供的净化率相吻合,方程组可用于压水堆不同工况下冷却剂核素浓度计算,在燃料破损监测时,对分析破损发生的时间、预估破损后冷却剂核素浓度峰值、计算破口所在燃耗区域及大小均有重要意义。     

LOCA工况下环形燃料元件内包壳外压屈曲试验研究

环形燃料一种安全高效的新型核燃料。为对环形燃料元件冷却剂丧失事故（LOCA）下整体受压失效形式的问题进行研究,将环形电加热棒、模拟芯块和试验件组装成试验装置,在空气环境中,以环形电加热棒外加热的方式,对环形燃料元件内包壳进行了外压屈曲试验,并将试验屈曲压力与Bresse?Bryan公式计算结果和特征值屈曲数值模拟分析结果进行了对比分析。结果表明：Bresse?Bryan公式计算结果除以安全系数m=2?5得到的结果高于试验结果而不够保守,试验结果分布于特征值屈曲数值模拟分析结果的1/5?1/3之间。本文结果可为环形燃料元件安全评价及后续工程化提供基础数据。     

基于流固热耦合的燃料元件包壳结构完整性分析

反应堆系统发生瞬态工况时,冷却剂温度的瞬间大幅度变化会对燃料元件包壳结构完整性造成冲击,危及反应堆安全。本文以某压水堆3×3燃料组件为对象,采用流固热耦合方法对冷水事故下燃料组件的流动换热特性和燃料元件包壳温度、变形及应力进行了三维精细化模拟。结果表明:定位格架能够增强燃料棒表面的对流换热强度;包壳变形时向与刚凸接触的一侧折弯,向与弹簧接触的一侧凸起;包壳与定位格架接触部位的温度和最大等效应力随事故时间不断增大,且最大等效应力超过了包壳材料的屈服强度,将发生强度失效,影响其结构完整性。本文研究可为反应堆燃料元件包壳瞬态工况下的完整性评价提供借鉴。      

改进Flower型超临界水冷快堆初步增殖研究

超临界水冷快堆集快堆和轻水堆两种特性。整个堆芯冷却剂流量仅为现BWR的1/8,中子能谱硬于普通PWR,故有一定的核燃料增殖能力。本文建立不同Flower型超临界水冷快堆堆芯物理模型,研究堆芯分区布置、冷却剂密度分层、seed及blanket组件P/D值设计、MOX燃料设计、燃料富集度分区分层布置、blanket内部通道采用贫铀冷却等方案,分析堆芯的空泡反应性、功率分布及增殖比。通过比较,得到了超临界水冷快堆的优化设计方案。     

Preliminary study of parameter uncertainty influence on Pressurized Water Reactor core design

Sub-channel analysis can improve the accuracy of reactor core thermal design. However, the important initial parameters contain various uncertainties during reactor operation. In this work, the Sub-channel Analysis Code of Supercritical reactor (SACOS) code, which is also applicable for Pressurized Water Reactor (PWR), was used to study the coolant flow characteristic and fuel rod heat transfer characteristic of 1/8 assembly which has the maximum linear power density in 300 MWe PWR core firstly. Then the Wilks' method and Response Surface Method (RSM) were utilized to determine the influence of sub-channel input parameters uncertainties on the highest temperature of reactor core fuel rod and Minimum Departure from Nucleate Boiling Ratio (MDNBR). The results show that in the most conservative conditions, the maximum temperature of the fuel rod and MDNBR were 2167.4 °C and 1.08, respectively. Considering the uncertainties of assembly inlet flow rate, inlet coolant temperature and system pressure, the 95% probability values (with 95% confidence) of fuel rod maximum and MDNBR calculated using response surface methodology were 2144.0 °C and 1.6, while they were 2137 °C and 1.74 calculated by Wilks' approach. Results show that the uncertainty analysis methods can provide larger reactor design criteria margin to improve the economy of reactor. Furthermore, the code was developed to have the capacity to perform the uncertainty study of sub-channel calculation.     

简谐海洋条件下堆芯冷却剂系统自然循环能力分析

应用海洋条件下堆芯冷却剂系统运行状态的仿真数学模型 ,使用MathCAD进行编程 ,开展了左右摇摆海洋条件下堆芯冷却剂系统自然循环能力的分析。研究结果表明 :在左右摇摆海洋条件的影响下 ,反应堆中的各种参数均发生了与摇摆相对应的振荡 ,并且在幅值上发生了变化。堆芯流量和堆芯总功率的下降说明 ,左右摇摆的海洋条件对堆芯冷却剂系统自然循环能力有很大影响 ,总趋势是使自然循环能力有所下降     

双环路压水堆非对称入口条件下物理-热工特性研究

双环路压水堆存在反应堆入口流量、温度不对称的非正常运行工况。本文建立了基于CFD方法的反应堆整体三维流场模型,并耦合中子动力学计算程序和RELAP5程序,对这种非对称入口条件下的反应堆物理-热工特性进行了数值模拟。结果表明：反应堆入口流量不对称会加剧堆芯入口流量分配的不均匀性,并进一步导致局部功率变化,对反应堆安全不利;在入口温度不对称的条件下,冷却剂在下腔室的混合非常不充分,并导致堆芯入口温度分布不均匀,引起局部功率变化较大,对反应堆安全不利。     

LOCA工况下环形燃料元件外包壳鼓胀爆破试验研究

为获得环形燃料元件外包壳在压水堆冷却剂丧失事故（LOCA）工况下鼓胀爆破温度和应变的经验关系式，为设计计算提供必要的输入，并初步评价其LOCA工况下的鼓胀爆破性能，在堆外对其开展了LOCA工况下的鼓胀爆破试验研究。在不同的升温速率和内压下，蒸汽环境中，以外表面红外加热的方式对环形燃料元件外包壳进行了鼓胀爆破试验。总结了试验得到的经验关系式，分析了试验中爆破温度和应变的影响因素，并将试验结果与美国核管理委员会出版的NUREG0630中的结果进行对比，验证了试验结果的合理性。获得的试验数据可用于环形燃料的设计、计算和改进。