CN105529053A - 压水反应堆燃料组件模拟体及其设计方法 - Google Patents

Abstract

压水反应堆燃料组件模拟体及其设计方法，用于在压水反应堆堆内构件流致振动试验中模拟堆芯燃料组件，包括至少一个燃料组件模拟体，所述燃料组件模拟体包括刚杆和安装在刚杆不同高度位置的多个质量块。及反应堆堆芯燃料组件模拟体设计方法。采用本发明所述的反应堆堆芯燃料组件模拟体及其设计方法，大大降低了设计、加工难度，同时节约大量的材料及加工经费，经济适用，同时代替原反应堆燃料组件，在反应堆堆内构件流致振动模型试验中能较准确的获得堆内构件主要部件的流致振动响应，从而较好地完成对反应堆堆内构件主要部件的流致振动安全评价。

Description

压水反应堆燃料组件模拟体及其设计方法

技术领域

本发明属于机械领域，涉及核能发电领域，特别是一种反应堆燃料组件模拟体及其设计方法。

背景技术

反应堆堆内构件是反应堆主冷却剂系统中的关键设备之一。其主要功能是支承容纳堆芯，为堆芯和控制棒提供合适的定位、支承、导向和保护，堆内构件的结构比较复杂，各关键零、部件设计可靠是反应堆安全运行的前提之一。

反应堆结构部件的流致振动问题是重要的动力学问题之一，是反应堆安全运行必须重点考虑的问题。国外压水堆核电站因流致振动而发生过不少事故，涉及吊篮、热屏蔽、螺栓、销钉、热导管、热交换器传热管等部件，造成巨大的经济损失。相关规范对流致振动研究作了明确的规定：在设计初期首先必须进行分析计算，预估流致振动大小，并同时开展流致振动模型试验，在设备安装、系统调试阶段则要进行现场实测检查，以确保反应堆安全运行。

在反应堆堆内构件流致振动模型试验中，为了更经济且能较准确的获得堆内构件主要部件的流致振动响应，多采用缩比试验模型进行试验，然后按照相似准则，将模型试验结果反推到原型结构上，从而完成对结构的流致振动安全评定。

反应堆堆内构件模型设计，按照流致振动模拟相似准则，各重要部件均需按相似比，严格进行模拟设计，并保证边界条件；而非测试部件则可简化结构形式及材料，但需考虑其对其他结构及对流场的影响，使其保持与原型基本相同，并保证其在试验过程中对其它结构的流致振动响应影响能够基本代表原型。

反应堆原型燃料组件结构，由燃料棒、上管座、下管座、格架、导向管、通量测量管等部件构成。组件中有上很多根燃料棒、还有数根导向管、测量导管；有多层格架。原型燃料组件结构极为复杂，加工制造难度非常大，如果按照缩小比例进行精确模拟，加工制造就更加困难。

反应堆燃料组件，其结构非常复杂，制造加工要求很高，其格架和燃料包壳材料也很特殊，并且价格非常昂贵，而在反应堆堆内构件流致振动模型试验中，燃料组件本身的流致振动响应并不测量(有专门的试验完成)，而且燃料组件位于吊篮筒体内部，为了使其形状、尺寸变化对吊篮组件、压紧组件和二次支承组件等的流致振动响应不会带来明显的影响，因而对试验模型中燃料组件的模拟采用合适而实用的特殊的方法——动力相似模拟方法。

动力相似模拟方法：必须考虑作用于结构上的各种力相似。在模型设计中，要同时满足全部动力相似条件是很困难的，只能针对具体问题分析哪些力起主要作用，保证它们的相似关系，而其它作用较小的力，相似关系可以不满足，可分析它们对结果的影响，甚至不考虑它们。

在压水堆或冷却剂流速较低的反应堆系统流致振动问题中，由于流动速度V远小于声音的传播速度C_f，所以流体压缩性可以不考虑。

在封闭流动系统中，如管道流或容器充满液体的振动问题，重力的影响可不计。

表面张力在核工程流致振动研究中也不考虑。

此外，当不计试验环境条件差异对材料特性和流体介质性能的影响时，如果模型试验采用与原型相同的结构材料和流体介质，则无量纲(相似准则)数都自然满足。在流致振动模型试验中，不满足Re数相似是允许的。

在反应堆堆内构件流致振动试验中，燃料组件本身不是项目的研究对象(有专门的试验进行研究)，而位于吊篮筒体内部，通过研究发现其形状、尺寸变化对吊篮组件、上部堆内构件的上支承柱及导向筒等试验件的流致振动响应不会带来明显的影响，但其结构质量、刚度、总的结构间隙、却会对堆内构件的流致振动响应带来影响。为了为反应堆堆内构件流致振动模型试验提供了一种经济适用而又满足上述要求的燃料组件模拟体，代替实际的反应堆燃料组件，使反应堆堆内构件流致振动模型试验既能降低模型设计加工的难度、节约经费，又能较准确的获得堆内构件主要部件的流致振动响应，从而较好地完成对反应堆堆内构件主要部件的流致振动安全评定，我们发明了一种满足上述要求的反应堆燃料组件模拟体。

发明内容

为克服现有技术不足，本发明提供一种反应堆燃料组件模拟体及其设计方法。

本发明所述反应堆燃料组件模拟体，用于在反应堆堆内构件流致振动试验研究中模拟堆芯燃料组件，包括至少一个燃料组件模拟体，所述燃料组件模拟体包括刚杆和安装在刚杆不同高度位置的多个质量块。

上述反应堆堆芯燃料组件模拟体可以在流致振动模型试验研究中能较准确的获得堆内构件主要部件的流致振动响应，较好地完成对反应堆堆内构件主要部件的流致振动安全评价。

优选的，所述燃料组件模拟体钢杆，通过详细的计算分析而设计的，保证其刚度是按相似比模拟的单组或多组原燃料组件的刚度；其刚度根据其所模拟的燃料组件及其数量的多少而不同。

优选的，所述燃料组件模拟体质量块的总质量是按相似比模拟的单组或多组原型燃料组件的总质量。

优选的，所述燃料组件模拟体质量块安装成组件后的重心是按相似比模拟原型燃料组件的重心。

优选的，所述燃料组件模拟体间的间隙以及与吊篮围板间的间隙，是按相似比模拟原型燃料组件的间隙。

具体的，所述质量块为圆柱形。圆柱形质量块便于设计，并且安装方便。

具体的，所述刚杆和质量块之间由销钉连接。

反应堆堆芯燃料组件模拟体设计方法，包括如下步骤：

步骤1.通过有限元程序，建立详细的有限元模型，计算获得反应堆原型燃料组件的质量、频率、刚度和重心位置；

步骤2.根据反应堆堆芯燃料组件在吊篮筒体内的分布，计算反应堆堆芯各组件的过水面积(及总间隙)；

步骤3根据堆芯燃料组件的分布状况，再利用步骤2中计算得到的反应堆堆芯各组件的过水面积，设计反应堆堆芯燃料组件模拟体的数量。

步骤4.利用步骤1、步骤2中得到的反应堆原型燃料组件的质量、频率、刚度和重心位置，反应堆堆芯组件的过水面积，及堆芯燃料组件的分布状况；根据原型与试验模型的模拟相似准则，设计反应堆燃料组件模拟体；

优选的，所述步骤4中根据动力相似准则设计反应堆堆芯燃料组件模拟体。

燃料组件模拟体的设计首先要计算分析其振动特性，通过结构分析软件，先计算出原型燃料组件的振动特性、其在堆芯中的分布对流场分布的影响、及其对其他结构的力学性能影响，然后根据计算分析结果，采用动力相似模拟准则，设计燃料组件模拟体，使其总体刚度、质量满足相似比而模拟原型单组或多组燃料组件。材料和结构尺寸进行了调整，以总体满足刚度、质量和过水面积的要求。燃料组件模拟体钢杆的刚度是按相似比模拟原型单组或多组燃料组件的刚度，而质量块的总质量是按相似比模拟原型单组或多组燃料组件的质量，质量块与钢杆组成组件后的重心按相似比模拟原型燃料组件的重心，燃料组件模拟体间的间隙以及与吊篮围板间的间隙，是按相似比模拟原型燃料组件总的过水面积(间隙)。

采用本发明所述的反应堆堆芯燃料组件模拟体及其设计方法，大大降低了设计、加工难度，同时节约大量的材料及加工经费，经济适用，同时代替原反应堆燃料组件，使反应堆堆内构件流致振动模型试验能较准确的获得堆内构件主要部件的流致振动响应，从而较好地完成对反应堆堆内构件主要部件的流致振动安全评价。

附图说明

图1示出本发明所述反应堆堆芯燃料组件模拟体一种具体实施方式的示意图；

图2示出核燃料组件原型的结构示意图；

图中附图标记名称为：1-刚杆，2-质量块，3-销，4-压紧弹簧，5-上管座，6-导向管，7-定位格架，8-下管座。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

请参考附图1-附图2，反应堆燃料组件模拟体，用于在反应堆堆内构件流致振动试验中模拟原型燃料组件，其特征在于，包括至少一个燃料组件模拟体，所述燃料组件模拟体包括刚杆和安装在刚杆不同高度位置的多个质量块。

刚杆1的作用有两个，一是其刚度按相似比模拟原型单组或多组燃料组件的刚度，二是将按相似比模拟燃料组件质量的多个质量块2连接，形成燃料组件模拟体。质量块的总质量是按相似比模拟燃料组件的总质量。

为更好地模拟燃料组件的安装，可以在燃料组件最上端的质量块上安装调整垫片。调整垫片的作用是模拟燃料组件与上部堆内构件之间的安装距离和两者之间的相互作用。

质量块可以设计为圆柱形的规则几何体，便于设计质量块的重心及其他相关参数，圆柱形质量块没有棱角，在安装时也较为方便，对反应堆内壁不易造成损伤。刚杆和质量块之间可以采用推销连接固定。

步骤1.通过有限元程序，建立详细的有限元模型，计算获得反应堆原型燃料组件的质量、频率、刚度和重心位置；

步骤2.根据反应堆堆芯组件在吊篮筒体内的分布，计算反应堆堆芯各组件的过水面积(及总间隙)；

步骤3根据堆芯燃料组件的分布状况，再利用步骤2中计算得到的反应堆堆芯组件的过水面积，设计反应堆堆芯组件模拟体的数量。

步骤4.利用步骤1、步骤2中得到的反应堆原型燃料组件的质量、频率、刚度和中心位置，反应堆堆芯各组件的过水面积，及堆芯燃料组件的分布状况；根据原型与试验模型的模拟相似准则，设计反应堆燃料组件模拟体；

优选的，所述步骤4中根据动力相似准则设计反应堆堆芯组件模拟体。

燃料组件模拟体的设计首先要计算分析其振动特性，通过结构分析软件，计算出原型燃料组件的振动特性、其在堆芯中的分布对流场分布的影响、及其对其他结构的力学性能影响，然后根据计算分析结果，采用动力相似模拟准则，设计燃料组件模拟体，使其总体刚度、质量满足相似比而模拟原型单组或多组燃料组件。材料和结构尺寸进行了调整，以总体满足刚度、质量和过水面积的要求。燃料组件模拟体钢杆的刚度是按相似比模拟原型单组或多组燃料组件的刚度，而质量块的总质量是按相似比模拟原型单组或多组燃料组件的质量，质量块与钢杆组成组件后的重心按相似比模拟原型燃料组件的重心，燃料组件模拟体间的间隙以及与吊篮围板间的间隙，是按相似比模拟原型燃料组件总的过水面积(间隙)。

采用本发明所述的反应堆燃料组件模拟体及其设计方法，大大降低了设计、加工难度，同时节约大量的材料及加工经费，经济适用，同时代替原反应堆燃料组件，使反应堆堆内构件流致振动模型试验能较准确的获得堆内构件主要部件的流致振动响应，从而较好地完成对反应堆堆内构件主要部件的流致振动安全评价。该模拟体的发明，为糖葫芦串式结构，设计简单，加工制造方便。

本发明中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.压水反应堆燃料组件模拟体，用于在反应堆堆内构件流致振动试验中模拟堆芯燃料组件，其特征在于，包括至少一个燃料组件模拟体，所述燃料组件模拟体包括刚杆和安装在刚杆不同高度位置的多个质量块。

2.如权利要求1所述的压水反应堆堆芯燃料组件模拟体，其特征在于，所述质量块与质量块之间通过刚杆连接成燃料组件模拟体。

3.如权利要求1所述的反应堆燃料组件模拟体，其特征在于，所述刚杆和质量块之间由推销连接。

4.压水反应堆燃料组件模拟体设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1通过有限元程序，计算反应堆原型燃料组件的质量、频率、刚度和重心位置；

步骤2根据反应堆燃料组件在吊篮筒体内的分布，计算冷却剂流经反应堆堆芯燃料组件的过水面积；

步骤3根据堆芯燃料组件的分布状况，设计反应堆堆芯燃料组件模拟体。

5.步骤4利用步骤1、步骤2中得到的反应堆原型燃料组件的质量、频率、刚度和中心位置，冷却剂流经反应堆堆芯燃料组件的过水面积，及堆芯燃料组件的分布状况；根据原型与试验模型的模拟相似准则，设计反应堆燃料组件模拟体；

压水反应堆燃料组件模拟体设计方法，其特征在于，所述步骤4中根据动力相似准则设计反应堆燃料组件模拟体。

6.压水反应堆燃料组件模拟体设计方法，其特征在于，所述步骤4中燃料组件模拟体钢杆的刚度是按相似比模拟原燃料组件的刚度。

7.压水反应堆燃料组件模拟体设计方法，其特征在于，所述步骤4中质量块的总质量是按相似比模拟原型燃料组件的质量。

8.压水反应堆燃料组件模拟体设计方法，其特征在于，所述步骤4中质量块安装成组件后的重心是按相似比模拟原型燃料组件的重心。

9.压水反应堆燃料组件模拟体设计方法，其特征在于，所述步骤4中，燃料组件模拟体间的间隙以及与吊篮围板间的间隙，是按几何相似比模拟冷却剂流经原型燃料组件的过水面积。