CN107610791B - 一种用于燃耗测量的板型燃料元件功率标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃耗测量的板型燃料元件功率标定方法，对通过辐照试验装置的不同冷却剂流量进行计算，得到考验段内外流道的流量分配系数；利用板型燃料元件核功率以及考验段总释热功率，得到燃料元件芯体核功率与各结构材料伽马释热率的初始值，初步确定考验段内的热源和分布，利用几何结构模型，建立计算模型；经迭代计算确定材料的伽马释热率；确定燃料元件的核功率；确定燃料元件的燃耗。该方法用于确定试验燃料元件的实时燃耗值，确保燃料元件燃耗辐照指标的实现，通过一定的分析手段和方法，剥离结构材料伽马释热的影响，降低热平衡法测量燃料辐照试验时燃料核功率的误差，从而实现用于燃耗测量的辐照试验过程中燃料核功率的标定。

Description

一种用于燃耗测量的板型燃料元件功率标定方法

技术领域

本发明涉及研究堆燃料辐照技术领域，具体涉及一种用于燃耗测量的板型燃料元件功率标定方法。

背景技术

燃料元件的性能与研究堆的安全性和经济性直接相关。开展燃料元件堆内辐照试验，是燃料元件研发与设计的关键一环。燃料元件必须经过堆内辐照考验，研究辐照条件下燃料元件各项性能的变化，以验证不同热工水力学工况、不同燃耗时其综合性能是否满足使用要求。

在高通量研究堆内，一般利用专门的辐照考验装置进行燃料元件的辐照考验研究。根据辐照方法分类，辐照考验装置分为回路辐照考验装置和带辐照罐的随堆式辐照考验装置。回路辐照考验装置一般对小尺寸燃料组件进行辐照考验，可完全模拟燃料元件在运行工况下的热工水力学环境；试验燃料组件和回路内结构件的释热均由回路自身的热交换器带走。带辐照罐的随堆式辐照考验装置不具备封闭式的回路结构，直接采用研究堆冷却剂冷却辐照罐内的燃料元件。通过在试验燃料元件外包裹热阻层的方式，保证燃料元件内部温度场满足使用工况的要求。

为了分析比较不同燃耗的辐照后燃料元件性能参数的差异，须确定作为分析因变量的辐照试验后燃料元件燃耗值。在辐照试验进行时和试验完成后两个阶段，均需要确定燃料元件的燃耗。试验后的燃耗测量一般在热室内进行，采用γ扫描方法或化学方法测定燃料元件燃耗。此燃耗测定方法须破坏试验装置，取出试验燃料元件并进行破坏性分析，分析后的燃料元件难以再度置于试验堆内继续进行辐照试验。在辐照试验过程中，通过实时测量燃料元件的核功率水平、累加功率的方式确定元件燃耗，从而决定燃料辐照试验的试验时间。一般通过测量装置考验段进出口冷却剂流量与温升的方式，依据热平衡原理，计算得到燃料元件的释热功率。

确定燃料元件燃耗的释热功率仅为燃料芯体的核裂变功率。热平衡法测量的释热功率是考验段内燃料元件(或组件)的核裂变释热功率与各结构材料(包括燃料元件内的燃料本身)辐射释热功率(主要是伽马释热)的总和。仅对于燃料元件而言，其总的释热就包括燃料芯体和燃料包壳的伽马释热、燃料芯体内燃料核裂变反应释热。因此，热平衡法测量燃料元件核功率是存在误差的。

高通量研究堆中伽马光子的注量率非常高，光子与堆内材料互相作用产生能量沉积而导致的材料释热率较大。由于燃料辐照装置考验段中结构材料的质量份额较大，考验段内结构材料的伽马释热功率非常可观。对于采用回路式辐照装置的燃料辐照试验，由于燃料组件的核功率很大，占考验段总释热功率的绝大部分，可直接将热平衡法测量的考验段释热功率近似作为燃料组件的核功率。对于试验燃料元件核功率较小的燃料辐照试验，如板型燃料元件辐照试验，考验段各结构材料的释热占考验段总释热的份额较高，难以利用简单的热平衡法确定试验燃料元件的核功率，从而无法通过累加燃料元件核功率的方式得到燃料元件的燃耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有板型燃料元件辐照试验时考验段各结构材料的释热占考验段总释热的份额较高，难以利用简单的热平衡法确定试验燃料元件的核功率，从而无法通过累加燃料元件核功率的方式得到燃料元件的燃耗，其目的在于提供一种用于燃耗测量的板型燃料元件功率标定方法。该方法用于确定试验燃料元件的实时燃耗值，确保燃料元件燃耗辐照指标的实现，通过一定的分析手段和方法，剥离结构材料伽马释热的影响，降低热平衡法测量燃料辐照试验时燃料核功率的误差，从而实现用于燃耗测量的辐照试验过程中燃料核功率的标定。

本发明通过下述技术方案实现：

在高通量研究堆中伽马光子的注量率非常高，光子与堆内材料互相作用产生能量沉积而导致的材料释热率较大。由于燃料辐照装置考验段中结构材料的重量份额较大，考验段内结构材料的伽马释热功率非常可观。对于采用回路式辐照装置的燃料辐照试验，由于燃料组件的核功率很大，占考验段总释热功率的绝大部分。因此可直接将热平衡法测量的考验段释热功率作为燃料组件的功率。对于试验燃料元件核功率较小的燃料辐照试验，尤其是板型燃料元件辐照试验，考验段各结构材料的释热占考验段总释热的份额较高，难以利用简单的热平衡法确定试验燃料元件的核功率，从而无法通过累加燃料元件核功率的方式得到燃料元件的燃耗。因此，如能在燃料辐照试验过程中，去除伽马释热的影响，实时地确定试验燃料核功率，则可以直接标定燃料元件燃耗并确定燃料辐照试验的终止时间，对于实现精准化的燃料辐照试验具有巨大的促进作用。但是现有技术并没有将试验燃料元件核功率较小的燃料辐照试验的伽马释热的影响去除，无法进行实时地确定试验燃料核功率，而本方案设计的板型燃料元件功率标定方法，通过减小结构材料伽马释热对热平衡法测量板型燃料元件核功率的误差，实现用于辐照试验过程中燃料元件燃耗的实时测量。本发明须从仅有的试验测量数据中，采用一定的方法，排除考验段各结构材料伽马释热对考验段总释热的贡献，得到燃料元件芯体的裂变释热功率，为燃料元件燃耗的确定提供数据支撑。

本方法涉及的板型燃料元件辐照试验装置包括用于连接研究堆压力容器壳和堆外测量系统的装置段、用于容纳试验燃料元件且同时连接装置段和堆内栅格板的考验段，而考验段包括上接头、外管、夹块及下接头，所述上接头、外管及下接头依次固定，且夹块设置在外管中，上接头套入装置段接管内，下接头插入栅格板栅格内，外管穿过堆芯。外管的内壁和夹块的外壁之间形成外流道，在夹块内部设置有内流道。内流道中设置有板型燃料元件，板型燃料元件外壁包裹热阻层后形成多层组合板结构。组合板在内流道中沿着考验段的轴向布置有若干段，每段布置两块组合板。组合板的外壁和夹块内壁之间有间隙供冷却液流通。装置段和考验段之间设置有用于对冷却剂流量进行调节的冷却剂流量调节装置，且冷却剂流量调节装置与装置段连接，燃料组件连接的上隔管和下隔管，分别用于将冷却液分流到外流道或将内外流道冷却剂汇流到一起。

研究堆的主冷却剂经进水管组件流入辐照装置装置段，在装置段的圆筒处由流量调节组件调节冷却剂流量，之后沿进水管组件向下流动，依次流经孔板流量计、接管，后经上接头进入考验段，被上隔管隔为两股；一部分冷却剂进入外管和夹块形成的外侧流道，其余则进入内侧的冷却剂流道；两股冷却剂冷却考验段的板型燃料元件与其它结构，进入下接头内，经下接头后进入研究堆压力壳的下封头内与主冷却剂混合。内流道的设计与考验段总的冷却剂流量应满足燃料元件的冷却和安全要求。此燃料辐照装置可以测量进入考验段的冷却剂流量、进出口温度以及外流道冷却剂的出口温度，但无法测量考验段内、外流道的冷却剂流量。

本发明须从仅有的试验测量数据中，采用一定的方法，排除考验段各结构材料伽马释热对考验段总释热的贡献，得到燃料元件芯体的裂变释热功率，为燃料元件燃耗的确定提供数据支撑。本发明涉及的燃料辐照试验时燃料核功率标定方法的流程图如图1所示。标定方法主要分为4个功能模块：热源修正计算模型模块A、分流系数分析与确定模块B、伽马释热率迭代计算模块C、燃料元件核功率计算模块D。

针对本发明所涉及的随堆式板型燃料元件辐照装置，方法的B模块用于确定装置考验段内外流道的流量比值(即分流系数)，为考验段的CFD分析提供基础输入数据。利用设计完成的辐照装置结构，采用理论公式、装置CFD计算和装置堆外水力学试验三种方法，分析不同流量水平下并联的内外流道流量的分配情况。综合分析与评价上述三种方法的计算结果，确定不同流量下内外流道的分流系数。B模块的工作在辐照试验前进行，其结果供C模块调用。

标定方法的A模块用于得到经过了热源修正的考验段CFD计算模型。A模块中的H_r指材料伽马释热率，本模块利用辐照试验已取得的部分冷却剂热工测量数据(装置内冷却剂总流量与进出口温度)，可得到考验段的总释热功率。根据能量守恒原理，考验段的总释热功率等于冷却剂冷却功率与考验段散热功率之和。冷却剂的冷却功率即为流经考验段的冷却剂的内能增加值，等于考验段出、入口处冷却剂的比焓差值与质量流量的乘积。而冷却水的比焓可利用冷却水的温度、压力测量数据，查询水与蒸汽物理性能表格(或软件)得到。因为外流道冷却水与外管外的冷却水温度差很小，因此考验段的散热功率很小，近似认为外管释热的一般为考验段的散热功率。求出冷却功率与散热功率后，即得到考验段的总释热功率。利用堆内不同金属材料伽马释热率相近的特点，考虑到考验段内绝大部分的结构材料为铝合金，即可假设其余金属材料的伽马释热率与铝合金一致，冷却剂的伽马释热率与铝合金为某一固定比例关系。依据研究堆以往的燃料和材料辐照试验经验，可估算出金属材料伽马释热率的取值范围。在研究堆堆芯内，冷却剂伽马释热率与铝合金的比值与堆芯布置、材料在堆芯内的位置、冷却剂和铝合金物性参数相关；冷却剂与铝合金伽马释热率的比值一般为1.2～2.0。利用MCNP程序对辐照实验的研究堆堆芯进行中子学计算分析，可求得上述的比值。

金属材料的伽马释热率与多种因素相关，无法直接确定，没有确定的公式用于计算。不过，研究堆内已经进行过很多次材料或者燃料的辐照实验，同样根据热平衡原理，可大致求得相应的金属材料伽马释热率。另外，依据研究堆堆芯的中子学计算结果，可以得到供参考的伽马释热率。依据经验，堆内不同位置处，金属材料的伽马释热率约在0.5～8W/g之间。由于伽马释热率的计算很复杂，且由于计算模型、计算程序、核数据库等均可能存在偏差，伽马释热率的计算结果具有很大的不确定性。因此，在本发明中伽马释热率的物理计算值仅仅作A模块的初始输入值，经过C模块的迭代计算方能得到准确的材料伽马释热率数值，这也是本发明的解决的重点技术问题。

利用堆芯物理计算方法给出的板型燃料元件核功率以及试验测量的考验段总释热功率，得到燃料元件芯体核功率与各结构材料伽马释热率的初始值，从而初步确定考验段内的热源和分布。而堆芯物理计算方法是现有的，堆芯物理计算给出的燃料元件核功率与考验段总释热功率仅仅作为A模块的参考初始值，以让C模块快速收敛。堆芯中子学计算方法，或者说堆芯物理计算方法，包括两大类方法：确定论方法和蒙特卡罗方法。

确定论方法简述如下：利用组件输运程序对研究堆研究组件进行输运计算，得到不同温度、不同富集度燃料、不同组件类型、不同燃料燃耗下的组件群常数；利用堆芯程序对堆芯进行建模，应用组件群常数进行堆芯中子学计算，得到各燃料组件以及辐照实验燃料元件的核功率。

蒙特卡罗方法简述如下：利用蒙特卡罗程序，如MCNP程序，对堆芯建立几何和材料模型，利用程序进行中子-光子耦合输运计算模拟，依据不同位置栅元的计数，得到不同位置处的中子注量率以及功率。

利用辐照装置考验段的几何结构模型，建立用于考验段CFD计算模拟的计算模型。考虑到此计算模型与实际几何模型差异对总热源影响，采用两个模型中各结构的质量比值来修正CFD计算模型中各结构的热源值，从而最终得到与实际释热功率相符的考验段CFD计算模型。

首先，实际的辐照装置结构是比较复杂的，而CFD模型需要对实际结构模型进行适当简化，只对影响冷却剂流动与换热的主要结构进行建模。例如，在CFD模型中，实际装置中不与冷却剂接触的各种凸起、隔板、热电偶测量管等均被省略了，如材料的释热率不予修正，将会导致CFD模型中的热源与实际输入值不符，从而影响C模型中伽马释热率的计算准确性。为了保证CFD模型中各个结构的释热功率与A模型中的热源输入值一致，可依据两个模型中相同结构的质量比值修正相应CFD中的热源值。例如，CFD模型中对考验段内铝合金夹块进行了适当简化，使得CFD模型中夹块的质量仅为实际模型中的90％；若A模型中铝合金伽马释热率的设定值为1.0W/g，则CFD模型中夹块的伽马释热率值应修正为1.0/0.9＝1.11W/g，从而保证CFD中夹块的释热功率与实际设定值一致。

C模块为标定方法的主要部分。该模块利用模块A和模块B提供的计算模型、热源与边界条件进行考验段的CFD计算与分析。具体过程是：首先，依据实际的装置结构建立CFD的计算模型，进行计算域的网格划分，利用A模块与B模块以及热工测量数据，完成CFD计算中流动与传热模型的完整建立，利用CFX程序进行流-固耦合传热计算，得到燃料元件、冷却剂以及其他装置结构的温度场分布等信息。利用装置外流道的冷却水温度与流量数据，与相应的实验测量数据对比，如不一致，则修改A模型的伽马释热率设定值，重新进行CFD求解。B模块得到的分流系数，得到直接应用到C模块的CFD模型中，即可直接设定CFD模型中内、外冷却剂流道的冷却剂流量，从而无需进行复杂的辐照装置全模型CFD流量分配模拟计算，大大节约C模块的计算时间，A模块提供了CFD模型中各结构处热源的初始值，可直接写入CFD计算文件中。实验的热工测量数据，如冷却剂入口温度、入口流量、装置外冷却水平均温度等信息，可直接作为CFD计算模型中的边界条件，写入CFD计算输入文件。

通过比较试验测量数据(考验段内外流道的温度测量数据)与CFD计算结果的差异，修正A模块中材料伽马释热率的设定值，重新进行考验段CFD计算，经迭代计算，直至CFD的计算结果与试验测量得到的温度数据相符，从而最终确定材料的伽马释热率。在迭代过程中，试验测量数据提供CFD计算的边界条件，也提供与CFD计算结果比较的相应边界条件下的温度场数据。修正时没有明确的修正公式，如CFD计算的外流道出口温度小于实验测量值，则说明CFD模型中材料伽马释热率的设定值偏小；反之，则说明CFD模型中热源设定值偏大。以实际的外流道温差与CFD计算值的比值作为粗略的修正系数，修正CFD模型中材料伽马释热率的设定值。反复迭代数次，直至两者的差异小于设定的计算偏差值。

迭代计算属于基础的数学方法，本领域所公知的。迭代计算的流程如C模块的流程图所示。利用A模块提供的材料伽马释热率设定值、相应的考验段CFD模型以及B模块提供的内、外流道流量分配系数，输入实际测量的冷却剂入口温度、压力等边界条件，进行考验段的CFD计算，得到考验段内的温度分布。分析对比外流道冷却剂出口温度与实验值的差异，修正A模块提供的材料释热率设定值，重新进行考验段CFD计算。如此反复迭代循环数次，直至外流道冷却剂出口温度与实验值的差异小于设定的计算偏差值。此时，认为迭代计算收敛，最后一次计算时采用的材料伽马释热率作为迭代计算的最终结果，用于D模块的后续计算。

D模块利用C模块得到的材料释热率数据，剔除考验段各结构(外管、夹块、冷却剂、燃料元件包壳及其外热阻层)的伽马释热功率后，即可得到燃料元件芯块的释热功率。剔除即做减法，利用冷却剂的试验测量数据，已经可以知道考验段的总释热功率。考验段的总释热率功率为燃料芯块核功率、燃料元件(芯块和包壳)伽马释热功率、考验段各结构材料伽马释热功率以及冷却剂释热功率(主要也是伽马释热的贡献)之和。利用C模型得到的材料伽马释热率数值(此处指铝合金材料)，以及A模块中不同金属材料以及冷却剂释热率与铝合金材料伽马释热率的比值，上述数据乘以相应材料的质量，即为各结构以及冷却剂的释热功率。考验段总释热功率减去上述释热功率，即得到的所谓燃料元件芯块的释热功率(燃料芯块核功率与燃料芯块伽马释热功率之和)。

利用经验公式，或者进行堆芯中子学计算分析，剔除研究堆内高注量率伽马场与燃料芯体作用而产生的伽马释热，从而得到燃料芯体进行核裂变反应产生的功率，通过累加法即可得到考验段内燃料元件的燃耗。经验公式指的是燃料芯块核功率占燃料芯块释热功率的份额为92～98％；此处的堆芯中子学计算分析指的是，利用蒙特卡罗方法计算燃料芯块的伽马释热率，从而得到研究堆对内伽马光子沉积在燃料芯块中的功率，减去此原因导致的释热，则得到燃料芯块的核裂变功率。由于燃料芯块核功率占燃料芯块释热功率的份额很高，可直接利用燃料芯块的伽马释热率的蒙特卡罗计算结果而不引起大的误差。累加法即为求和运算。因为辐照试验过程中，每隔固定时间便会记录考验段的各项热工数据。而依据本发明中的方法在得到材料伽马释热率后，可对每条热工测量数据记录得到相应的燃料元件核功率。将一定辐照时间内的每条记录对应的燃料元件核功率累加求和，再乘以实验记录的时间间隔，即得到相应辐照时间时的燃料元件燃耗值。

B模块的计算方法优选采用理论公式、装置CFD计算和装置堆外水力学试验，通过这三种方法分析不同流量水平下并联的内外流道流量的分配情况。这三种方法的理论基础是现有的，其中：

理论公式：依据并联流道进出口等压降的原理，计算不同流道的摩擦压降、形阻压降系数，联立方程组求解，可直接得到一定的总流量下内、外各流道的流量。某流道流量与总流量的比值，即为相应流道的流量分配系数。

CFD方法：利用ANSYS程序包中的ICEM软件，建立辐照装置的几何模型并进行相应的网格剖分，冷却剂流动的计算域中包含了内、外两个分流道以及前后接管中的冷却剂，进行不同流量下的计算流体力学分析，得到内、外流道内的流量计算结果，从而得到相应的流量分配系数。

实验法：加工制造与实际辐照装置一致的实验模拟件，将模拟件接入流体力学实验水回路中，依靠实验水回路的水泵提供不同的冷却水流量，直接测量内、外流道内的冷却水流量，从而得到流量分配系数的实验值。

而三种方式的评价方法：理论公式法的计算比较粗糙，流动的摩擦压降系数与形阻系数数据依据的是以往的实验结果，具有一定的不确定性，且形阻系数的确定具有一定的经验性质，其结果仅作为参考，以初步确定流量分配系数的范围。

CFD计算结果与计算模型的细致程度、网格划分质量相关，对温度和压力较小的冷却剂流动计算可靠性高，可方便的扩充流量的计算范围，计算成本远低于实验法。

实验法需要加工装置模拟件、需要水力学实验平台，实验的成本高昂，且受制于装置狭窄的流道截面积，分流道的流量测量较为困难，实验数据具有一定的不确定性。

一般以实验法得到的流量分配系数为基础，对比分析CFD的计算结果，如果两者差异较小且均处于实验法的实验值不确定度范围之内，则采信CFD的计算结果。当不同实验装置的结构差异较小时，则可直接采用CFD的计算结果。

考虑到此计算模型与实际几何模型差异对总热源影响，实际的计算模型数量为两个，采用两个模型中各结构的质量比值来修正CFD计算模型中各结构的热源值，从而最终得到与实际释热功率相符的考验段CFD计算模型。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提供了一种燃料辐照试验时的燃料核功率标定方法，可对燃料辐照试验试验进行功率实时监测，可用于确定燃料辐照试验的辐照时间，并最终用于确定燃料元件的燃耗；

2、本发明提供的燃料核功率标定方法，可通过迭代计算方法得到试验时材料的伽马释热率，从而减小热平衡法测量燃料辐照试验时燃料核功率的误差；

3、本发明提供的燃料核功率标定方法，充分利用燃料辐照试验时的热工测量数据，对相同条件下CFD计算结果进行分析，充分保证了该方法计算结果的有效性；

4、本发明提供的燃料核功率标定方法，可充分利用以往燃料辐照试验的经验和堆芯中子学分析结果作为计算的初始值，可使得迭代计算所需要的次数较少；

5、本发明提供的燃料核功率标定方法，利用多种方法评估了考验段内外流道的流量分配系数，给后续的考验段CFD提供了准备的计算输入条件，并分析节约了大量的计算时间；

6、本发明可应用于研究堆内采用随堆式或回路式辐照考验装置的燃料辐照试验。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的原理图；

图2为随堆式燃料辐照试验装置的结构示意图；

图3为考验段示意图；

图4为考验段横截面示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

11-考验段，12-装置段，13-冷却剂流量调节装置，21-上接头，22-上隔管，23-上夹板，24-夹板，25-试验组件，26-夹块，27-下夹板，28-下隔管，29-螺栓，210-外管，211-下接头，212-节流塞，31-外流道，32-热阻层，33-燃料芯体，34-内流道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图2所示，本发明中涉及的板型燃料元件辐照试验装置硬件部分包括用于连接研究堆压力容器壳和堆外测量系统等的装置段12、用于容纳试验燃料元件且同时连接装置段12和堆内栅格板的考验段11，装置段12具备冷却剂流量调节功能，装置段12主要由支架组件、法兰组件、支撑管组件、进水管组件、流量调节组件和热电偶等组成。装置段12还与堆芯压力容器的密封机构、冷却剂进口机构、冷却剂流量调节装置驱动机构、冷却剂流量调节装置连接。

图3中考验段主要包括试验燃料元件及其外的热阻层32组成的组合板、夹持组合板的夹板24、上接头21、下接头211、外管210、节流塞212等组成，用于容纳多个组合板并形成相应的冷却流道，上接头21、外管210及下接头211依次焊接固定，上接头21套入装置段接管内，下接头211插入栅格板栅格内，外管210穿过堆芯，外管210的内壁和夹块26的外壁之间形成外流道，在夹块26内部设置有内流道34。内流道34中设置有板型燃料元件，板型燃料元件外壁包裹热阻层32后形成多层组合板结构。组合板在内流道中沿着考验段的轴向布置有若干段，每段布置两块组合板，多段组合板形成试验组件25，夹块26用于固定组合板的位置，并与其一起构成内侧的冷却剂流道。夹块26与试验元件的总轴向长度应不超过所应用的研究试验堆的堆芯高度。

图4中夹块将考验段分成内、外两个冷却剂流道，外流道31由外管210和夹块26组成，内流道34为夹块26内的流道，并由组合板大致隔开。组合板和夹块26之间含有水隙，组合板中包含有板型燃料元件的燃料芯体33。外管210中设置有上隔管22和下隔管28用于将冷却液分流到外流道和内流道后进行汇流到一起。节流塞212安装在下接头中，下接头和外管通过螺栓29固定，将分别靠近上隔管22和下隔管28的夹板命名为上夹板23和下夹板27。

其具体的标定方法，包括以下步骤：

(1)确定考验段内外流道的分流系数：对通过辐照试验装置的不同冷却剂流量进行计算，得到考验段内外流道的流量分配系数，供后续的考验CFD计算调用，以附图中所示随堆式燃料辐照装置为例，额定流量下内流道流量占全部流量的80％。

(2)得到经过热源修正的考验段CFD计算模型：整理燃料辐照试验的热工水力学测量数据得到一系列监测时刻下的考验段总释热功率数据和相关的温度测量数据。依据含考验段的堆芯中子学计算得到燃料元件核功率初始值，依据不同材料伽马释热率近似相同的假设得到结构材料伽马释热率的初始值，从而得到考验段内各结构的初始热源信息。依据考验段的实际结构建立用于CFD分析计算模型，并在保证考验总释热功率与某试验时刻的测量值相符的条件下，依据质量差异等比例修正CFD计算模型中各结构的热源值，得到最终的考验段CFD计算模型。

(3)经迭代计算确定材料的伽马释热率：利用建立的考验CFD计算模型和确定的分流系数，以某试验时刻的测量数据为边界条件，进行考验段的CFD计算分析，整理CFD的技术结果，并将其与试验测量的温度场信息对比，基于两者的差异，修改步骤(2)中伽马释热率的设定值，再形成更新后的考虑了热源修正的考验段CFD计算模型，迭代计算，直至CFD计算结果与试验测量的温度信息相符，从而得到最终的结构材料伽马释热率，以附图中所示随堆式燃料辐照装置为例，经数次迭代计算，得到辐照试验某时刻的结构材料(铝合金)的伽马释热率为2.5W/g。

(4)确定燃料元件的核功率：利用步骤(3)中得到的材料伽马释热率数据，乘以各结构的实际质量，得到考验段各结构的伽马释热功率；在试验测量的总释热功率中除去上述部分的伽马释热功率，即得到燃料元件芯块的释热功率，利用经验公式，或者进行堆芯中子学计算分析，剔除研究堆内高注量率伽马场与燃料芯体作用而产生的伽马释热，从而得到燃料芯体进行核裂变反应产生的功率，以附图中所示随堆式燃料辐照装置为例，得到辐照试验某时刻考验段内板型燃料元件核功率为98kW。

(5)确定燃料元件的燃耗：设定反应对同一炉段内的一定辐照时间内伽马释热率不变(基本认为两个小时内伽马释热率不变)，则利用热工测量数据直接得到不同试验时刻的燃料元件核功率，通过累加法对核功率求和即得到该试验时间内燃料元件积累的燃耗；

(6)对于跨越多个炉段辐照时间内燃料计算，则须对每一炉段利用重复上述所有步骤以确定不同炉段的材料伽马释热率，分段累加即得到燃料元件的总燃耗。

本发明通过减小结构材料伽马释热对热平衡法测量燃料辐照试验时燃料核功率误差，实现用于辐照试验过程中燃料元件燃耗的实时测量。本发明可应用于研究堆的随堆式或回路式燃料辐照装置进行燃料辐照试验试验时的功率实时监测，并最终用于确定试验燃料元件的燃耗。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于燃耗测量的板型燃料元件功率标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）确定考验段内外流道的分流系数：对通过辐照试验装置的不同冷却剂流量进行计算，得到考验段内外流道的流量分配系数，供后续的考验CFD计算调用；

（2）得到经过热源修正的考验段CFD计算模型：利用堆芯物理计算方法给出的板型燃料元件核功率以及试验测量的考验段总释热功率，得到燃料元件芯体核功率与各结构材料伽马释热率的初始值，从而初步确定考验段内的热源和分布，利用辐照装置考验段的几何结构模型，建立用于考验段CFD计算模拟的计算模型；

（3）经迭代计算确定材料的伽马释热率：利用建立的考验段CFD计算模型和确定的分流系数，以某试验时刻的测量数据为边界条件，进行考验段的CFD计算分析，整理CFD的计算结果，并将其与试验测量的温度场信息对比，基于两者的差异，修改步骤（2）中伽马释热率的设定值，再形成更新后的考虑了热源修正的考验段CFD计算模型，迭代计算，直至CFD计算结果与试验测量的温度信息相符，从而得到最终的结构材料伽马释热率；

（4）确定燃料元件的核功率：利用步骤（3）中得到的材料伽马释热率数据，乘以各结构的实际质量，得到考验段各结构的伽马释热功率；在试验测量的总释热功率中除去上述的伽马释热功率，即得到燃料元件芯块的释热功率，利用经验公式，或者进行堆芯中子学计算分析，剔除研究堆内高注量率伽马场与燃料芯体作用而产生的伽马释热，从而得到燃料芯体进行核裂变反应产生的功率；

（5）确定燃料元件的燃耗：设定同一炉段内的辐照时间内的伽马释热率不变，利用热工测量数据直接得到不同试验时刻的燃料元件核功率，通过累加法对核功率与相应辐照时间间隔的乘积求和即得到该试验时间内燃料元件积累的燃耗；

（6）对于跨越多个炉段辐照时间内燃料计算，则须对每一炉段利用重复上述所有步骤以确定不同炉段的材料伽马释热率，分段累加即得到燃料元件的总燃耗。

2.根据权利要求1中所述的一种用于燃耗测量的板型燃料元件功率标定方法，其特征在于，所述步骤（1）的计算方法为采用理论公式、装置CFD计算和装置堆外水力学试验，通过这三种方法分析不同流量水平下并联的内外流道流量的分配情况。

3.根据权利要求1中所述的一种用于燃耗测量的板型燃料元件功率标定方法，其特征在于，所述步骤（2）中的计算模型数量为两个，采用两个模型中各结构的质量比值来修正CFD计算模型中各结构的热源值，从而最终得到与实际释热功率相符的考验段CFD计算模型。