CN114898900B - 一种系统化的六棱柱式燃料双模式核热推进反应堆建模设计方法 - Google Patents

一种系统化的六棱柱式燃料双模式核热推进反应堆建模设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种系统化的六棱柱式燃料双模式核热推进反应堆建模设计方法，主要步骤如下：1、确定燃料元件的基本选型、尺寸参数、孔隙率与孔道数；2、一级阵列得到完整的燃料元件结构；3、确定堆芯活性区支承比，二级阵列得到完整的活性区结构；4、相应添加径向反射层、控制转鼓、轴向反射层、屏蔽层等功能结构，完成堆芯主体建模；5、重复上述步骤，直至满足反应性调控需求。本发明根据双模式核热推进反应堆不同燃料类型、不同层级结构、不同支承比与堆内结构排布规则，对各结构建模顺序、从属规则进行统一的逻辑性路线制定，在保证正确性的前提下提高了建模效率，为未来对不同类别不同尺寸的反应堆建模优化提供了便利。

Description

一种系统化的六棱柱式燃料双模式核热推进反应堆建模设计 方法
技术领域
本发明属于核反应堆系统技术领域，具体涉及一种系统化的六棱柱式燃料双模式核热推进反应堆建模设计方法。
背景技术
核热推进反应堆作为新式能源推进系统，具有比冲高、续航时间长、推力大、可多次启动等显著优势，有望突破传统化学推进的瓶颈，实现长距离的星际航行与空间探索任务。在单一核热推进反应堆基础上延伸出的双模式反应堆，利用反应堆内不同组件及冷却剂间的对流-导热作用，可以同时实现对热量的直接利用及热-电转换间接利用，提升了堆内热量的利用效率并提高系统工作的自洽性。双模式核热推进系统通常以六棱柱的燃料元件类型实现有效换热的低压降流动过程，主要包含燃料元件与连接管慢化元件；燃料元件的种类繁多，相应的结构及涂层选材复杂，不同的燃料元件与连接管元件支承比又显著影响堆芯的反应性与排布方式，因此不同的堆型间难以产生横向的有效对比。整体反应堆理论上又由基本燃料活性区、控制系统、安全系统、反射层、屏蔽层多层结构组成，对高逻辑性建模策略及控制体划分提出极高要求。综上所述，亟待开发一种系统化的双模式核热推进反应堆的建模设计方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种系统化的六棱柱式燃料双模式核热推进反应堆建模设计方法，实现对传统六棱柱式燃料结构的双模式核热推进反应堆标准化、系统化的快速建模，便于对不同堆型进行快速广泛的横向对比，并针对具体任务需求得到最优反应堆设计。本发明根据双模式核热推进反应堆不同燃料类型、不同层级结构、不同支承比与堆内结构排布规则，对各结构建模顺序、从属规则进行统一的逻辑性路线制定，实现了六棱柱式燃料双模式核热推进反应堆标准设计建模流程，在保证正确性的前提下提高了建模效率，为未来对不同类别不同尺寸的反应堆建模优化提供了便利。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
步骤1：确定基本燃料元件选型与燃料元件尺寸：双模式核热推进反应堆一般仅包含多孔燃料元件与连接管慢化剂元件两种活性区功能结构；根据燃料元件的元素组成形式与基体材料区别，主要可分为石墨基包覆颗粒弥散型、(U,Zr)C二元碳化物型、(U,Nb,Zr)C三元碳化物型、二元或三元碳化物与石墨固溶体型、钨基或钼基的碳/氮/碳化物CERMET型；假设各类型燃料元件组分具有高度的均匀性，将燃料视为各核素按一定比例的均匀填充，避免复杂几何建模过程，例如复杂几何的包覆颗粒弥散型燃料主要由UC2燃料颗粒、热解碳包覆层及石墨基体构成，在核素组成上可简单声明为铀U与碳C的百分构成形式；确定燃料元件不包含燃料外涂层时的活性尺寸，即活性区六边形半对边距离R1与高度h1；高温气冷堆的工质可选用氢气或氦氙气体等高热导率低粘度的低摩尔质量气体。
步骤2：确定燃料孔隙率与冷却剂孔道数：燃料孔隙率P主要影响一定尺寸下反应堆的反应性水平，与冷却剂孔道数N共同决定堆芯的主要换热能力；计算得到冷却剂孔道总截面积s约3.464×R12×P，则单个冷却剂孔道直径d1为(4×s/N/π)0.5；孔道数N通常满足3n2-3n+1，其中n为一非负整数，代表冷却剂孔道的一级阵列排布层数；冷却剂流道间跨距l1可指定为不小于冷却剂孔道直径d1且满足关系(2n-2)×l1+1.1547×d1<2.3094×R1的任意值。
步骤3：添加冷却剂孔道内涂层，内涂层种类与燃料种类相关，碳化物燃料与石墨固溶体燃料通常采用ZrC或NbC涂层，CERMET型燃料根据基体材料不同通常采用W-Re或Mo-Re合金；内涂层厚度d2与实际气体侵蚀燃料效果有关，根据实际需求确定，通常为数十至数百微米；获得上述参数后，确立高为h1的燃料元件基本次级结构由内外半径坐标[0,d1/2-d2]的冷却剂圆柱体腔，内外半径坐标[d1/2–d2,d1/2]的内涂层圆柱环及涂层外冷却剂流道间跨距l1的六棱柱共同构成；根据一级阵列排布层数n对燃料元件基本次级结构进行六边形阵列，阵列与燃料元件同高，若阵列在径向上不能充满燃料元件边界(半对边距为R1的六边形)，则在n层阵列外添加与燃料元件组分相同但无冷却剂孔道的次级填充结构，直至完全填充燃料元件边界，得到燃料元件活性区；添加厚度为d3的燃料元件整体外涂层，外涂层种类与取厚原则与内涂层相同，确立半对边距为(R1+d3)的燃料元件基本结构。
步骤4：连接管慢化剂元件采用与燃料元件具有相同的外尺寸(包含涂层)，两者间通常有一层薄气隙间隔提升传热热阻，在中子物理学建模过程中可进行实际建模或将薄气隙折合至外涂层中，对实际反应性计算的影响小；连接管从内而外依次为供给路工质气腔、内连接套环、慢化剂、返回路工质气腔、外连接套环、绝热环、基体材料及外涂层嵌套的同心圆或六边形结构，除基体与外涂层外，每两层固体结构之间具有一个薄的工质气隙，也可折合至对应固体结构中；内外连接套环多用因科镍、TZM等高温高强度特种合金；慢化剂多采用ZrH或YH等金属氢化物，具有较高的中子散射截面；绝热环选用ZrC等具有相容性好低热导率的绝热材料；基体材料选用具有一定中子散射能力且与燃料元件相容性好的结构材料，例如石墨、钨、钼等；连接管外涂层材料选择与燃料元件内外涂层相同。
步骤5：确定燃料元件与连接管元件支承比；六边形燃料元件呈六边形阵列排布，根据燃料元件和连接管排布对应关系，其支承比可为1～6多种类型；假设每个燃料元件外圈6个包围元件中含有x个连接管元件，同时每个连接管元件外圈6个包围元件中含有y个燃料元件，则支承比可表示为y:x；受到六边形阵列几何关系与排布均匀性前提的制约，当x为1时，y有且只有6为唯一阵列解，因此燃料元件与连接管支承比只有6：1，3：1，2：1，1：1四种类型；根据对应的支承比确定元件间基本结构的排布规则，确定活性区统一结构阵列基本单元，要求阵列内需要同时包含相应支承比关系的燃料元件与连接管元件。
步骤6：确定堆芯活性区的半径R2，作为步骤5中活性区统一结构阵列基本单元的二级阵列外边界；部分结构基本单元会在阵列中与外边界相交，即部分基本单元无法完整保留在边界内，原则上，该类基本单元内的连接管元件由燃料元件替代，与外边界相交的不完整燃料元件则由填充元件替代，但各基本单元取法与处理方式不同，对边缘少量交界元件的替代方式无明确要求，填充材料通常采用铍或氧化铍等强中子散射材料；填充后完成堆芯活性区建模。
步骤7：在堆芯活性区外，依次按实际需求添加工质气腔、径向反射层与压力容器等径向结构，堆芯总外半径记为R3，径向反射层厚度记为d4，满足R2+d4＜R3；在径向反射层内添加外半径为R4的控制鼓结构，控制鼓包含冷却气腔、填充体、控制毒物等结构，控制转鼓可选用铍、氧化铍、石墨等强中子散热材料作为基体，选用金属铪、碳化硼等强中子吸收体材料作为控制毒物，要求总外径2*R4<d4；在轴向结构上，在反应堆两侧(通常只在进口低温端)添加轴向反射层、轴向屏蔽层与气腔等结构，要求在[0,R2]的活性区范围内，轴向反射层与轴向屏蔽层具有一定的孔隙率以模拟工质气流的流动过渡区，轴向反射层材料与径向反射层近似，轴向屏蔽层材料通常选用高硼10富集度的碳化硼材料；完成堆芯全局建模后，计算反应堆的反应性k-eff并计算转鼓的控制价值范围。
步骤8：根据步骤7中所述的反应性k-eff大小与转鼓控制价值的关系，调整步骤1～7中的各类参数，主要包括基本燃料元件的选型与尺寸、燃料元件孔隙率、涂层厚度、支承比、活性区外边界、径向反射层厚度、控制转鼓外径与控制毒物厚度、丰度等；重复步骤1～7，要求反应堆最终满足控制转鼓转动180°范围内，反应性可以从超临界(k-eff大于1)变为次临界(k-eff小于1)，并根据需求相应调整控制反应性上下限。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明利用标准化、系统化建模方法对六棱柱式燃料的双模式核热推进反应堆进行建模仿真，将复杂的反应堆完整结构分级从属关系进行分类与逻辑性建模规则制定，在保证仿真准确性的前提下，有效提高了建模效率。
2、逻辑性建模准则包括多类燃料类型的选取、相应材料的适配、多支承比设计与多全局结构建立等方面，对单类反应堆快速建模的同时提供了多类反应堆共同建模方案，便于对多类型双模式反应堆进行燃料与整体性能对比，对于不同的任务需求，可对比优化选择不同堆芯方案，达到最优设计与任务适应性。
3、本发明较传统的单一建模方式，可适用于多种六棱柱式的核热推进反应堆堆型，也可扩展至具有六棱柱式燃料元件的其他反应堆结构(如高温气冷堆、铅铋冷却堆)，具有广泛的适用性。
附图说明
图1为多类形式的包含内外涂层的双模式核热推进19孔反应堆燃料元件示意图。
图2a和图2b分别为完整的典型19孔和37孔燃料元件内基本单元一级阵列示意图。
图3为典型的连接管元件结构横截面示意图。
图4a、图4b、图4c和图4d分别为4种均匀的典型支承比1：1，2：1，3：1，6：1条件下的燃料元件与连接管元件排布示意图。
图5a、图5b、图5c和图5d分别为4种均匀的典型支承比1：1，2：1，3：1，6：1条件下对应的活性区统一结构基本单元示意图。
图6为典型的小型双模式核热推进SNRE反应堆径向横截面示意图。
图7为典型的小型双模式核热推进SNRE反应堆三维完整建模示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，以典型的小型双模式核热推进SNRE反应堆为例，对本发明作详细的说明：
首先，确定基本燃料元件选型。如图1所示，为多类形式的包含内外涂层的双模式核热推进19孔反应堆燃料元件，可代表包覆颗粒型、多元碳化物型与钨基/钼基CERMET型，包含冷却剂通道1、通道内涂层2、燃料基体3与燃料元件外涂层4。选择燃料基体3为二元碳化物(U,Zr)C形式燃料，则对应的内涂层2与燃料外涂层4材料选择碳化锆ZrC或碳化铌NbC，本例中选择ZrC材料作为内外涂层保护材料避免冷却剂过度侵蚀；则燃料基体3由铀U、碳C、锆Zr三类元素构成，其中铀的同位素中235U富集度为93％，238U为7％，采用自然丰度碳元素与锆元素，按二元碳化物(U,Zr)C占总体积的35％进行计算，采用均一化思想，三类元素的质量比为0.6：1.23：1.81，共同构成加权密度为3.64g/cm3的燃料材料；确定燃料不包含外涂层时的活性尺寸，即活性区六边形半对边距R1为0.94742cm，h1为89cm；本例中的气体冷却剂工质选用最低摩尔质量且具有高热导率低粘度的氢气。
接着，确定燃料孔隙率P为0.316，冷却剂孔道数N为19，则冷却剂孔道总截面积s约3.464×R12×P约0.976cm2，单个冷却剂孔道直径d1为(4×s/N/π)0.5约0.256cm，一级阵列排布层数n为3；指定冷却剂流道间跨距l1为0.40894cm，不小于d1且满足关系式(2n-2)×l1+1.1547×d1＝1.932cm<2.3094×R1＝2.188cm。
接着，添加冷却剂孔道内涂层为碳化锆ZrC，其中锆与碳元素的质量比为88.37：11.63，整体密度为6.73g/cm3，内涂层厚度取100微米，即0.01cm；获得上述参数后，确立高h1为89cm的燃料元件基本次级结构由内向外依次为半径坐标[0,0.11827cm]的冷却剂圆柱腔，半径坐标[0.11827,0.12827cm]的ZrC内涂层圆环及涂层外冷却剂流道间跨距l1为0.40894cm的中空燃料基体六棱柱构成；根据一级阵列排布层数n＝3对燃料元件几次结构进行六边形阵列，阵列与燃料元件同高，此时阵列基体3-1在径向上不能完全填充燃料元件边界，则在3层阵列外添加与燃料元件组分相同但无冷却剂孔道的填充基体3-2，如图2a所示，直至完全填充燃料元件边界，得到燃料元件活性区；添加厚度d3约50微米即0.005cm的碳化锆ZrC燃料元件整体外涂层，确立半对边距离(R1+d3)为0.9525cm的燃料元件整体结构；在实际的热工水力计算分析中，若如图2a所示的19孔燃料无法提供充足的冷却剂换热面积，可将燃料元件填充形式相应更改为如图2b的37孔燃料元件，在孔隙率相同的条件下，37孔燃料元件的冷却剂孔道的直径对应更改为0.184cm，跨距对应更改为0.293cm。
连接管慢化剂元件与燃料元件采用相同的外尺寸(包含涂层)，即0.9525cm的六棱柱半对边距与89cm的高；连接管元件与燃料元件间的气隙很薄，由加压氢气填充，对反应性影响小，做忽略处理；连接管元件主要结构如图3所示，包含氢/氦氙供气路5、内连接环6、慢化剂7、氢/氦氙返回路8、外连接环9、绝热环10、基体材料11、外涂层4以及各层之间的隔断气隙12，按半径/半对边距从内而外表示，依次是[0,0.20955cm]的氢/氦氙供给路5，[0.20955,0.26035cm]的因科镍718合金内连接环6，[0.26670,0.58420cm]的氢化锆ZrH慢化剂7，[0.58420，0.67818cm]的氢/氦氙返回路8，[0.67818,0.69850]的因科镍718合金外连接环9，[0.70485,0.80645cm]的50％理论密度的碳化锆ZrC绝热环10，[0.81280,0.94742cm]的中空六边形石墨基体材料11与厚度约0.005cm的外涂层4，固体结构间均有一层厚为0.00635cm的隔断气腔12，可折合至相应固体结构材料中，对反应性影响小；因科镍718合金主要由质量分数占比55％镍Ni-21％铬Cr–3.3％钼Mo–1.15％钛Ti–5.5％铌Nb–11.17％铁Fe及其他少量元素构成，氢化锆取ZrH1.6进行计算，即在总密度5.61g/cm3下锆氢质量比98.28：1.72。
接着，确定燃料元件与连接管元件支承比为2：1，如图4b所示，每个燃料元件外圈6个包围元件中含有x＝3个连接管元件，每个连接管元件外圈6个包围元件中含有y＝6个燃料元件，确定燃料元件与连接管元件支承比y：x＝2：1；根据支承比2：1可确定元件间基本结构的排布规则，确定活性区统一结构阵列基本单元如图5b所示，阵列内包含1个完整的连接管元件与(6×1/2)个燃料元件，满足支承比。也可根据实际需求对支承比进行调整，如图4a、4c、4d所示分别为支承比1：1，3：1，6：1时的燃料元件与连接管元件的排布规则，图5a、5c、5d与图4a、4c、4d顺序对应，分别表示支承比1：1，3：1，6：1时的活性区统一阵列结构基本单元。对于相同的堆芯尺寸，堆内的连接管慢化剂元件越多，即支承比越低时，反应堆越易达到临界，所需要的燃料元件数目与燃料富集度均有所下降。
接着，如图6所示，包含二级阵列内的未与边界相交的基本区域13、与外边界相交的基本单元内完整的燃料元件14、不完整的替代填充元件15以及其他径向结构，包含气腔16、径向反射层17、控制转鼓18、控制毒物19与多层压力容器20，确定堆芯活性区的半径R2为29.5275cm作为活性区统一结构基本单元1的二级阵列外边界，部分结构基本单元会在阵列中与外边界相交，即部分基本单元无法完整保留在边界内，原则上，该类基本单元内的连接管元件由燃料元件2替代，与外边界相交的不完整燃料元件则由填充元件3替代；填充材料选用金属铍Be，完成堆芯活性区填充。在堆芯活性区外，依次添加第一层工质气腔19-1[29.5275cm，29.8450cm]，不锈钢ss304内压力容器20-1[29.8450cm，30.1625cm]，第二层工质气腔19-2[30.1625，30.4800]，铍Be中部压力容器20-2[30.4800cm，33.3375cm]，第三层工质气腔19-3[33.3375cm，33.6550cm]，铍Be径向反射层17[33.6550cm，48.3870cm]，第四层工质气腔19-4[48.3870cm，48.7045cm]，钛Ti外压力容器20-3[48.7045cm，49.2633cm]。堆芯总外半径R3为49.2633cm，径向反射层厚度d4为14.732cm，由于有其他结构存在，自动满足R2+d4＜R3，铍Be径向反射层5中包含12个控制转鼓，转鼓包含冷却气腔19-5，转鼓铍Be基体18与铪Hf控制毒物19，转鼓总外半径R4为12.655/2＝6.3275cm，直径不超过径向反射层厚度d4，转鼓厚度0.6cm；如图7所示，包含内外屏蔽21、加压气腔22、堆芯支承板23、控制转鼓驱动机构区24、上下填充气腔25，此外与图6相似的，包含由气隙16、反射层17、3层压力容器20组成的径向结构层26以及由活性基本区13、边缘燃料区14与不完整填充区15组成的反应堆堆芯27，按要求在轴向结构上，在反应堆两侧(通常只在进口低温端)添加轴向反射层、轴向屏蔽层与气腔等结构，要求在[0,R2]的活性区范围内，轴向反射层与轴向屏蔽层具有一定的孔隙率以模拟工质气流的流动过渡区，本例中相应添加内外屏蔽21(70％理论密度的碳化硼B4C)，加压氢气气腔22，堆芯支承板23(50％理论密度的不锈钢ss304)，转鼓控制机构区24(50％理论密度的不锈钢ss304)，上下氢气充气气腔25；完成堆芯全局建模后，计算反应堆的反应性k-eff并计算转鼓的控制价值范围，得到转鼓0°时的反应堆最高k-eff为1.05413，180°时反应堆最低k-eff为0.96417，基本满足反应堆需求，可进一步根据实际控制需要对上述各类参数进行调整。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。

Claims (1)

1.一种系统化的六棱柱式燃料双模式核热推进反应堆建模设计方法，其特征在于：涉及六棱柱式燃料的双模式核热推进反应堆的基本建模思路与规范设计流程，通过分级结构选择与多级阵列的策略，实现多类型双模式核热推进反应堆的中子物理学快速建模与不同设计方案的反应性初步评估；
该方法包括以下步骤：
步骤1：确定基本燃料元件选型与燃料元件尺寸：双模式核热推进反应堆仅包含多孔燃料元件与连接管慢化剂元件两种活性区功能结构，根据燃料元件的需求形式进行燃料元件基本类型的选取，认为组成燃料的各核素均匀分布，声明燃料元件的核素组分；确定燃料元件不包含燃料外涂层时的活性尺寸，即活性区六边形半对边距离R1与高度h1；
步骤2：确定燃料孔隙率与冷却剂孔道数：燃料孔隙率P影响一定尺寸下反应堆的反应性水平，与冷却剂孔道数N共同决定堆芯的换热能力；根据燃料元件尺寸与燃料孔隙率计算得到冷却剂孔道总截面积s，单个冷却剂孔道直径d1与一级阵列层数n；并指定冷却剂流道间跨距l1；
步骤3：添加冷却剂孔道内涂层，内涂层种类与燃料种类相关；确定内涂层厚度d2；确立高为h1的燃料元件基本次级结构；根据一级阵列排布层数n对燃料元件基本次级结构进行六边形阵列，阵列与燃料元件同高，得到燃料元件活性区；添加厚度为d3的燃料元件整体外涂层，外涂层种类与取厚原则与内涂层相同，确立半对边距为(R1+d3)的燃料元件基本结构；
步骤4：连接管慢化剂元件采用与燃料元件具有相同的外尺寸，包含涂层；连接管从内而外依次为供给路工质气腔、内连接套环、慢化剂、返回路工质气腔、外连接套环、绝热环、基体材料及外涂层嵌套的同心圆或六边形结构；连接管外涂层材料选择与燃料元件内外涂层相同；
步骤5：确定燃料元件与连接管元件支承比；根据对应的支承比确定燃料元件与连接管元件间基本结构的排布规则，确定活性区统一结构阵列基本单元，要求阵列内需要同时包含相应支承比关系的燃料元件与连接管元件；
步骤6：确定堆芯活性区的半径R2，作为步骤5中活性区统一结构阵列基本单元的二级阵列外边界，相应填充外缘燃料元件与填充元件；填充后完成堆芯活性区建模；
步骤7：在堆芯活性区外，依次按实际需求添加工质气腔、径向反射层与压力容器，堆芯总外半径记为R3，径向反射层厚度记为d4；在径向反射层内添加总外半径为R4的控制鼓结构，控制鼓包含冷却气腔、填充体和控制毒物，要求总外径2*R4<d4；在轴向结构上，在反应堆两侧添加轴向反射层、轴向屏蔽层与气腔结构；完成堆芯全局建模后，计算反应堆的反应性k-eff并计算转鼓的控制价值范围；
步骤8：根据步骤7中所述的反应性k-eff大小与转鼓控制价值的关系，调整步骤1～7中的各类参数；重复步骤1～7，要求反应堆最终满足控制转鼓转动180°范围内，反应性从k-eff大于1的超临界变为k-eff小于1的次临界，并根据需求调整控制反应性上下限。
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