CN114038594B - 一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，涉及核反应堆堆芯技术领域，其技术方案要点是：压水堆堆芯的横切面沿径向向外扩展依次设有第一流量区、第二流量区、第三流量区，第二流量区包裹第一流量区，第三流量区包裹第二流量区；第三流量区的边缘间隔设置有多个第四流量区，第四流量区朝向第三流量区的中心嵌入设置；第二流量区通入冷却剂的流量大于第一流量区通入冷却剂的流量，第一流量区通入冷却剂的流量大于第三流量区通入冷却剂的流量，第三流量区通入冷却剂的流量大于第四流量区通入冷却剂的流量。本发明通过相关物理、水力学和结构等的精细化协调匹配设计，实现了全寿期内堆芯径向功率的稳定分布以及与流量的匹配度。

Description

一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法

技术领域

本发明涉及核反应堆堆芯技术领域，更具体地说，它涉及一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法。

背景技术

目前在世界范围内，快堆、沸水堆、超临界水堆、重水堆等非压水堆均有采用功率分区和流量分区技术，从而实现堆芯冷却剂的高效利用。在相同的堆芯功率水平下，通过功率分区和流量分区设计，可使得堆芯所需的冷却剂流量减少，或者提高堆芯的热工安全裕量，同时可提高堆芯出口冷却剂温度，进而提高堆芯总体参数和总体性能。例如印度原型快堆堆芯流量分为15个区，中国实验快堆流量分为4个区；另外日本的超临界水堆设计也采用了流量分区理念，其堆芯流量根据每盒组件的功率进行精细化匹配。

而对于压水堆堆芯分区设计，国内外实现工程应用的较少，申请人在先申请专利实现了压水堆堆芯流量分三区设计，公开号为CN104882183B，其使得堆芯在热工安全裕量不降低的前提下，使系统冷却剂流量需求减少15％-19％，使堆芯出口冷却剂温度至少提高3℃-6℃。

然而，现有的压水堆堆芯流量分三区设计在功率分布和流量控制匹配上仍然存在一定的偏差，不利于降低热通道温度极值以及提高堆芯的热工安全裕量，实际功率分布和流量控制过程的难度大。因此，对压水堆堆芯流量和功率的分布进一步研究非常重要。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，通过相关物理、水力学和结构等的精细化协调匹配设计，实现了压水堆堆芯的功率和流量分四区的设计理念，为进一步提高压水堆堆芯的总体性能奠定基础。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，包括以下步骤：

所述压水堆堆芯的横切面沿径向向外扩展依次设有第一流量区、第二流量区、第三流量区，第二流量区包裹第一流量区，第三流量区包裹第二流量区；

所述第三流量区的边缘间隔设置有多个第四流量区，第四流量区朝向第三流量区的中心嵌入设置；

所述第二流量区通入冷却剂的流量大于第一流量区通入冷却剂的流量，第一流量区通入冷却剂的流量大于第三流量区通入冷却剂的流量，第三流量区通入冷却剂的流量大于第四流量区通入冷却剂的流量。

本发明具体针对压水反应堆，首先通过合理的堆芯物理设计实现堆芯全寿期的功率分区特性，包括寿期初、寿期中、寿期末，即使得堆芯在全寿期内能按照径向区域形成稳定的大、中、小、微不同功率水平区域；然后通过合理的反应堆、燃料等结构设计实现进入堆芯的冷却剂实现流量分区，即根据上述功率分区实现相匹配的流量分区。

进一步的，所述第一流量区、第二流量区、第三流量区以及多个第四流量区的分布中心均与堆芯的轴心同心设置。

进一步的，所述第四流量区设置有3-6个，多个第四流量区沿堆芯的圆周方向均匀分布。

进一步的，所述第四流量区呈梭型。

进一步的，所述梭型为两个圆相交的交集区形状。

进一步的，所述第一流量区、第二流量区、第三流量区、第四流量区沿压水堆堆芯的横切面径向方向的最大宽度之比为8-10：14-16：22-28：10-12。

进一步的，所述第一流量区、第二流量区、第三流量区、第四流量区沿压水堆堆芯的横切面径向方向的最大宽度之比为9：15：25：11。

进一步的，所述第一流量区通入整个压水堆堆芯平均质量流速100％至110％的冷却剂；

所述第二流量区通入整个压水堆堆芯平均质量流速110％至120％的冷却剂；

所述第三流量区通入整个压水堆堆芯平均质量流速95％至100％的冷却剂；

所述第四流量区通入整个压水堆堆芯平均质量流速90％至95％的冷却剂。

进一步的，所述第一流量区通入整个压水堆堆芯平均质量流速103％至107％的冷却剂；

所述第二流量区通入整个压水堆堆芯平均质量流速110％至115％的冷却剂；

所述第三流量区通入整个压水堆堆芯平均质量流速95％至97％的冷却剂；

所述第四流量区通入整个压水堆堆芯平均质量流速91％至93％的冷却剂。

进一步的，所述第一流量区通入整个压水堆堆芯平均质量流速105％的冷却剂；

所述第二流量区通入整个压水堆堆芯平均质量流速112％的冷却剂；

所述第三流量区通入整个压水堆堆芯平均质量流速95％的冷却剂；

所述第四流量区通入整个压水堆堆芯平均质量流速92％的冷却剂。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，通过相关物理、水力学和结构等的精细化协调匹配设计，实现了全寿期内堆芯径向功率的稳定分布，即不同燃耗时刻下堆芯径向功率具有相同或相似的分布形状，更有利于降低热通道温度极值，更有助于提高堆芯的热工安全裕量，对进一步提升堆芯总体参数和总体性能有较大指导意义，可直接应用于压水堆等各类型堆型设计；

2、本发明通过对流量分区的形状、大小进行详细的优化设计，可使堆芯在热工安全裕量不降低的前提下，使系统冷却剂流量需求减少16％以上，使堆芯出口冷却剂温度提高5℃以上，分区范围更加精准，为此功率分布和流量控制匹配的会更好。

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是本发明实施例中压水堆堆芯流量分区的示意图；

图2是本发明实施例中堆芯全寿期的功率分布示意图，a为寿期初，b为寿期中，c为寿期末。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、第一流量区；2、第二流量区；3、第三流量区；4、第四流量区。

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。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，如图1所示，压水堆堆芯的横切面沿径向向外扩展依次设有第一流量区1、第二流量区2、第三流量区3，第二流量区2包裹第一流量区1，第三流量区3包裹第二流量区2。第三流量区3的边缘间隔设置有四个第四流量区4，第四流量区4朝向第三流量区3的中心嵌入设置。第二流量区2通入冷却剂的流量大于第一流量区1通入冷却剂的流量，第一流量区1通入冷却剂的流量大于第三流量区3通入冷却剂的流量，第三流量区3通入冷却剂的流量大于第四流量区4通入冷却剂的流量。需要说明的是，堆芯区域1为第一流量区1，堆芯区域2为第二流量区2，堆芯区域3为第三流量区3，堆芯区域4为第四流量区4。

第一流量区1、第二流量区2、第三流量区3以及四个第四流量区4的分布中心均与堆芯的轴心同心设置，流量区可以是中心对称的形状，例如圆形、正四边形、正六边形、椭圆形等。也可以仅是镜像对称的形状，例如正三角形、正五边形等，其具体形状不受限制。

此外，第四流量区4的数量不受限制，但一般情况设置为3-6个，四个第四流量区4沿堆芯的圆周方向均匀分布。在本实施例中，每个部分的第四流量区4均呈梭型，梭型为两端尖中心圆的形状。而本实施例中，梭型采用两个直径不同的圆相交的交集区形状。

第一流量区1、第二流量区2、第三流量区3、第四流量区4沿压水堆堆芯的横切面径向方向的最大宽度之比为9：15：25：11。此外，常用设计的最大宽度之比还有4：7：11：5，最大宽度之比也还有5：8：14：6。

第一流量区1通入整个压水堆堆芯平均质量流速105％的冷却剂；第二流量区2通入整个压水堆堆芯平均质量流速112％的冷却剂；第三流量区3通入整个压水堆堆芯平均质量流速95％的冷却剂；第四流量区4通入整个压水堆堆芯平均质量流速92％的冷却剂。

本发明对某压水反应堆，采用合理的堆芯燃料富集度分区设计、堆芯燃料可燃毒物匹配设计、控制棒提棒程序优化设计等手段开展功率分区设计，实现了堆芯全寿期内各区域相对稳定的径向功率分布特性。按照各区域功率相对大小关系，将压水堆堆芯横切面分成大、中、小、微四种功率分区。如图2所示，通过压水堆堆芯功率分区设计，获得的堆芯横切面的全寿期径向功率分布，通过不同颜色区分了径向功率的大小，灰度值越暗代表功率越大，也可以用、橙、黄、绿代表功率由大到小。可以发现，堆芯全寿期内，中心部分始终保持三个环形区域的功率分布，外围部分四个顶角区域始终保持相似较低功率水平，因此总体考虑堆芯按照四个区域进行功率分区，匹配度较好。

根据功率分区设计结果，采用燃料组件上下管座结构设计、堆芯入口流量分配装置等手段开展流量分区设计。对应功率分四区设计，形成了压水堆堆芯横切面大、中、小、微四种流量分区。确保了堆芯各区域内流量与功率的相对匹配，以实现堆芯热工安全裕量的提升，或是减少系统冷却剂流量需求及提高堆芯出口冷却剂温度。

且通过测试：在热工安全裕量不降低的前提下，使系统冷却剂流量需求减少16％以上，使堆芯出口冷却剂温度提高5℃以上，分区范围更加精准，为此功率分布和流量控制匹配的会更好。

实施例2

实施例2与实施例1的不同之处在于：第一流量区1通入整个压水堆堆芯平均质量流速100％的冷却剂；第二流量区2通入整个压水堆堆芯平均质量流速110％的冷却剂；第三流量区3通入整个压水堆堆芯平均质量流速95％的冷却剂；第四流量区4通入整个压水堆堆芯平均质量流速90％的冷却剂。

实施例3

实施例3与实施例1的不同之处在于：第一流量区1通入整个压水堆堆芯平均质量流速110％的冷却剂；第二流量区2通入整个压水堆堆芯平均质量流速120％的冷却剂；第三流量区3通入整个压水堆堆芯平均质量流速100％的冷却剂；第四流量区4通入整个压水堆堆芯平均质量流速95％的冷却剂。

实施例4

实施例4与实施例1的不同之处在于：第一流量区1通入整个压水堆堆芯平均质量流速103％的冷却剂；第二流量区2通入整个压水堆堆芯平均质量流速110％的冷却剂；第三流量区3通入整个压水堆堆芯平均质量流速95％的冷却剂；第四流量区4通入整个压水堆堆芯平均质量流速91％的冷却剂。

实施例5

实施例5与实施例1的不同之处在于：第一流量区1通入整个压水堆堆芯平均质量流速107％的冷却剂；第二流量区2通入整个压水堆堆芯平均质量流速115％的冷却剂；第三流量区3通入整个压水堆堆芯平均质量流速97％的冷却剂；第四流量区4通入整个压水堆堆芯平均质量流速93％的冷却剂。

另外，针对实施例2-5所示的具体流量分别进行测试，其均具有较好的匹配度，同样能实现堆芯热工安全裕量的提升，或是减少系统冷却剂流量需求及提高堆芯出口冷却剂温度。

工作原理：本发明通过相关物理、水力学和结构等的精细化协调匹配设计，实现了全寿期内堆芯径向功率的稳定分布，即不同燃耗时刻下堆芯径向功率具有相同或相似的分布形状，更有利于降低热通道温度极值，更有助于提高堆芯的热工安全裕量，对进一步提升堆芯总体参数和总体性能有较大指导意义，可直接应用于压水堆等各类型堆型设计；在热工安全裕量不降低的前提下，使系统冷却剂流量需求减少16％以上，使堆芯出口冷却剂温度提高5℃以上，分区范围更加精准，为此功率分布和流量控制匹配的会更好。

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 (10)

1.一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，其特征是，包括以下步骤：

所述压水堆堆芯的横切面沿径向向外扩展依次设有第一流量区(1)、第二流量区(2)、第三流量区(3)，第二流量区(2)包裹第一流量区(1)，第三流量区(3)包裹第二流量区(2)；

所述第三流量区(3)的边缘间隔设置有多个第四流量区(4)，第四流量区(4)朝向第三流量区(3)的中心嵌入设置；

所述第二流量区(2)通入冷却剂的流量大于第一流量区(1)通入冷却剂的流量，第一流量区(1)通入冷却剂的流量大于第三流量区(3)通入冷却剂的流量，第三流量区(3)通入冷却剂的流量大于第四流量区(4)通入冷却剂的流量。

2.根据权利要求1所述的一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，其特征是，所述第一流量区(1)、第二流量区(2)、第三流量区(3)以及多个第四流量区(4)的分布中心均与堆芯的轴心同心设置。

3.根据权利要求1所述的一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，其特征是，所述第四流量区(4)设置有3-6个，多个第四流量区(4)沿堆芯的圆周方向均匀分布。

4.根据权利要求1所述的一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，其特征是，所述第四流量区(4)呈梭型。

5.根据权利要求4所述的一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，其特征是，所述梭型为两个圆相交的交集区形状。

6.根据权利要求1所述的一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，其特征是，所述第一流量区(1)、第二流量区(2)、第三流量区(3)、第四流量区(4)沿压水堆堆芯的横切面径向方向的最大宽度之比为8-10：14-16：22-28：10-12。

7.根据权利要求6所述的一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，其特征是，所述第一流量区(1)、第二流量区(2)、第三流量区(3)、第四流量区(4)沿压水堆堆芯的横切面径向方向的最大宽度之比为9：15：25：11。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，其特征是，所述第一流量区(1)通入整个压水堆堆芯平均质量流速100％至110％的冷却剂；

所述第二流量区(2)通入整个压水堆堆芯平均质量流速110％至120％的冷却剂；

所述第三流量区(3)通入整个压水堆堆芯平均质量流速95％至100％的冷却剂；

所述第四流量区(4)通入整个压水堆堆芯平均质量流速90％至95％的冷却剂。

9.根据权利要求8所述的一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，其特征是，所述第一流量区(1)通入整个压水堆堆芯平均质量流速103％至107％的冷却剂；

所述第二流量区(2)通入整个压水堆堆芯平均质量流速110％至115％的冷却剂；

所述第三流量区(3)通入整个压水堆堆芯平均质量流速95％至97％的冷却剂；

所述第四流量区(4)通入整个压水堆堆芯平均质量流速91％至93％的冷却剂。

10.根据权利要求8所述的一种压水堆堆芯流量和功率四分区控制方法，其特征是，所述第一流量区(1)通入整个压水堆堆芯平均质量流速105％的冷却剂；

所述第二流量区(2)通入整个压水堆堆芯平均质量流速112％的冷却剂；

所述第三流量区(3)通入整个压水堆堆芯平均质量流速95％的冷却剂；

所述第四流量区(4)通入整个压水堆堆芯平均质量流速92％的冷却剂。