CN117831799A - 确定环形燃料元件结构的性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请的实施例涉及反应堆燃料元件及其组装，具体涉及一种确定环形燃料元件结构的性能的方法，该方法包括：确定环形燃料元件的尺寸参数、热流量、冷却剂流量以及热流分配和冷却剂流量分配；把环形燃料元件模拟为两个棒状燃料元件；确定棒状燃料元件的燃料芯块的横截面积比和尺寸参数；根据热流分配、冷却剂流量分配和棒状燃料元件的尺寸参数，确定棒状燃料元件的热流量以及冷却剂流量，并确定棒状燃料元件的性能，进而确定环形燃料元件结构的性能。本申请的实施例提供的方法通过将环形燃料元件性能模拟为棒状燃料元件的性能，通过对模拟的棒状燃料元件的性能开展计算分析，可以实现对环形燃料元件性能的分析，有利于环形燃料元件的入堆安审。
Description
技术领域
本申请的实施例涉及反应堆燃料元件及其组装，具体涉及一种确定环形燃料元件结构的性能的方法。
背景技术
这里的陈述仅仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。
目前的常规压水堆核电站多采用棒状燃料元件，近年来，随着核电不断发展，对于燃料元件的需要也在不断发展，环形燃料元件是目前开发的新一代高性能燃料元件，是高性能压水堆核燃料的主要发展趋势。
发明内容
在下文中给出了关于本申请的简要概述，以便提供关于本申请的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本申请的穷举性概述。它并不是意图确定本申请的关键或重要部分，也不是意图限定本申请的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本申请的实施例提供一种确定环形燃料元件结构的性能的方法，其中，环形燃料元件结构设置在反应堆内，环形燃料元件结构包括外包壳、燃料芯块、内包壳，燃料芯块设置在外包壳和内包壳之间，外包壳设置在由反应堆形成的冷却剂流通的第一通道内，内包壳形成有冷却剂流通的第二通道。
确定环形燃料元件结构的性能的方法可以包括如下步骤：S10：确定环形燃料元件结构的尺寸参数以及环形燃料元件结构的热流量以及冷却剂流量；S20：确定第一通道以及第二通道的热流分配和冷却剂流量分配；S30：把环形燃料元件结构模拟为第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件，第一棒状燃料元件包括第一外包壳、第一燃料芯块，第一燃料芯块设置在第一外包壳内，第一燃料芯块中部形成中心孔；第二棒状燃料元件包括第二外包壳以及第二燃料芯块，第二燃料芯块设置在第二外包壳内，并且第二燃料芯块中部为实心结构；
S40：根据热流分配，确定第一燃料芯块与第二燃料芯块之间的横截面积比；S50：根据S10步骤中确定的环形燃料元件结构的尺寸参数以及根据S40步骤中确定的横截面积比，确定第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件的尺寸参数；S60：根据S20步骤中确定的热流分配和冷却剂流量分配以及根据S50步骤中确定的第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件的尺寸参数，确定第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件的热流量以及冷却剂流量；S70：根据第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件的热流量以及冷却剂流量，确定第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件的性能；S80：根据第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件的性能，确定环形燃料元件结构的性能。
本申请的实施例提供的方法通过将环形燃料元件结构模拟成和其性能等效的第一棒状燃料元件和第二棒状燃料元件，并对模拟得到的第一棒状燃料元件和第二棒状燃料元件的性能开展计算分析，可以实现对环形燃料元件结构的性能进行分析，有利于环形燃料元件的入堆安审。
附图说明
通过下文中参照附图对本申请的实施例所作的描述，本申请的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本申请有全面的理解。
图1是本申请的实施例提供的确定环形燃料元件结构的性能的方法的过程示意图。
图2a是本申请的实施例提供的环形燃料元件结构的示意图。
图2b是本申请的实施例提供的图2a中的A区域放大后的示意图。
图3是本申请的实施例提供的环形燃料元件结构的截面示意图。
图4是本申请的实施例提供的第一棒状燃料元件的截面示意图。
图5是本申请的实施例提供的第二棒状燃料元件的截面示意图。
附图标记说明：
10、环形燃料元件结构；101、外包壳；102、内包壳；103、燃料芯块；1031、内燃料芯块；1032、外燃料芯块；
20、第一棒状燃料元件；201、第一外包壳；202、第一燃料芯块；203、中心孔；
30、第二棒状燃料元件；301、第二外包壳；302、第二燃料芯块。
需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本申请内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
在燃料元件入堆运行前需要开展燃料元件的性能分析，以验证其性能能够满足设计准则要求。目前我国已经形成完善合理的棒状燃料元件性能分析的方法，例如陈彭等人就在《压水堆燃料组件和燃料元件性能分析》中对棒状燃料元件的主要性能指标、相关准则及分析方法做出详细介绍。
但由于环形燃料元件具有双面传热的特性，并且在辐照过程中需要考虑环形燃料元件的内外包壳的辐照效应，因此，不能将棒状燃料元件性能分析的方法和工具直接应用到环形燃料元件的性能分析上。
针对环形燃料元件的性能分析，国内外的研究机构都开展了相关的研究工作，但这些研究工作都停留在概念设计阶段，并没有得到针对环形燃料元件的完整的性能分析方法。
针对上述技术问题的至少一个方面，如图1所示，其示出本申请的实施例提供的确定环形燃料元件结构的性能的方法的过程示意图。
如图2a、图2b和图3所示，图2a示出本申请的实施例提供的环形燃料元件结构10的示意图，图2b示出本申请的实施例提供的图2a中的A区域放大后的示意图，图3示出本申请的实施例提供的环形燃料元件结构10的截面示意图。其中，环形燃料元件结构10设置在反应堆内，环形燃料元件结构10包括外包壳101、燃料芯块103、内包壳102，燃料芯块103设置在外包壳101和内包壳102之间，外包壳101设置在由反应堆形成的冷却剂流通的第一通道内，内包壳102形成有冷却剂流通的第二通道。
确定环形燃料元件结构10的性能的方法可以包括如下S10步骤至S80步骤。
S10：确定环形燃料元件结构10的尺寸参数以及环形燃料元件结构的热流量以及冷却剂流量。
S20：确定第一通道以及第二通道的热流分配和冷却剂流量分配。
S30：把环形燃料元件结构10模拟为第一棒状燃料元件20以及第二棒状燃料元件30，如图4和图5所示，图4示出本申请的实施例提供的第一棒状燃料元件20的截面示意图，图5示出本申请的实施例提供的第二棒状燃料元件30的截面示意图。第一棒状燃料元件20包括第一外包壳201、第一燃料芯块202，第一燃料芯块202设置在第一外包壳201内，第一燃料芯块202中部形成中心孔203；第二棒状燃料元件30包括第二外包壳301以及第二燃料芯块302，第二燃料芯块302设置在第二外包壳301内，并且第二燃料芯块302中部为实心结构。
S40：根据热流分配，确定第一燃料芯块202与第二燃料芯块302之间的横截面积比。
S50：根据S10步骤中确定的环形燃料元件结构10的尺寸参数以及根据S40步骤中确定的横截面积比，确定第一棒状燃料元件20以及第二棒状燃料元件30的尺寸参数。
S60：根据S20步骤中确定的热流分配和冷却剂流量分配以及根据S50步骤中确定的第一棒状燃料元件20以及第二棒状燃料元件30的尺寸参数，确定第一棒状燃料元件20以及第二棒状燃料元件30的热流量以及冷却剂流量。
S70：根据第一棒状燃料元件20以及第二棒状燃料元件30的热流量以及冷却剂流量，确定第一棒状燃料元件20以及第二棒状燃料元件30的性能。
S80：根据第一棒状燃料元件20以及第二棒状燃料元件30的性能，确定环形燃料元件结构10的性能。
本申请的实施例提供的方法通过将环形燃料元件结构10模拟成和其性能等效的第一棒状燃料元件20和第二棒状燃料元件30，并对模拟得到的第一棒状燃料元件20和第二棒状燃料元件30的性能开展计算分析，可以实现对环形燃料元件结构10的性能进行分析，有利于环形燃料元件的入堆安审。
参见图3，在一些实施例中，环形燃料元件结构的燃料芯块103可以包括内燃料芯块1031和外燃料芯块1032。
在一些实施例中，在S10步骤中，在确定环形燃料元件结构10后，就可以确定尺寸参数，确定的环形燃料元件结构10的尺寸参数可以包括外包壳101的内外径、内包壳102的内外径、内燃料芯块1031的内外径和外燃料芯块1032的内外径。
在一些实施例中，在S10步骤中，环形燃料元件结构10的热流量和冷却剂流量可以根据反应堆的物理热工设计确定。
在一些实施例中，在S20步骤中，第一通道以及第二通道的热流分配和冷却剂流量分配可以根据堆内外试验结果确定，在实施例中，热流量是指燃料元件的发热功率。
在一些实施例中，在S30步骤中，中心孔203的计算体积可以设置为零，这样设置有利于更准确地计算第一棒状燃料元件20的内部压力，进而有利于更准确地计算第一棒状燃料元件的性能。
在一些实施例中，在S40步骤中，热流分配值与第一燃料芯块202与第二燃料芯块302之间的横截面积比值相同。
在一些实施例中，在S50步骤中，第一外包壳201的尺寸可以与环形燃料元件结构10的外包壳101的尺寸一致；第二外包壳301的尺寸可以与环形燃料元件结构10的内包壳102的尺寸一致，这样的结构设计可以更好地体现被模拟的环形燃料元件结构10的受力状态。
在一些实施例中，在S50步骤中，第一燃料芯块202的外径尺寸可以与环形燃料元件结构10的外燃料芯块1032的外径尺寸一致；第一燃料芯块202的内径尺寸可以与内燃料芯块1031的外径尺寸一致。
在一些实施例中，在S50步骤中，第二燃料芯块302的直径可以为环形燃料元件结构10的内包壳102的内径的0.8倍，可以避免第二燃料芯块302的尺寸过大，影响第二棒状燃料元件30的分析。
在一些实施例中，在S70步骤中，第一棒状燃料元件20以及第二棒状燃料元件30的性能可以包括但不限于以下内容：如燃料温度、包壳腐蚀、包壳温度、燃料棒内压、包壳应力、包壳应变、包壳自立、包壳坍塌、气腔弹簧、包壳疲劳、燃料棒生长和微振磨蚀。
在一些实施例中，在分析棒状燃料元件的性能时，可以借助计算机软件实现。
在一些实施例中，在S80步骤中，第一燃料芯块202的芯块温度可以作为环形燃料元件结构10的燃料芯块103的芯块温度，第一外包壳201的温度、应力、应变以及伸长量可以作为环形燃料元件结构10的外包壳101的温度、应力、应变以及伸长量，第一棒状燃料元件20的压力可以作为环形燃料元件结构10的压力，第二外包壳301的温度、应力、应变以及伸长量可以作为环形燃料元件结构10的内包壳102的温度、应力、应变以及伸长量。
在一些实施例中，在S80步骤中，第二外包壳301的内压可以采用反应堆的冷却剂的压力，第二外包壳301的外压采用第一外包壳201的内压的分析结果。
其中，在确定环形燃料元件结构10的性能后，需要对性能做出评价，评价准则如下：燃料温度是指燃料最高中心温度低于熔点，熔点取2590℃；包壳腐蚀导致壁厚减少应不超过10％；燃料棒内压应小于冷却剂压力；包壳体积平均有效应力不超过考虑了辐照影响后的材料屈服强度；包壳的稳态塑性应变+蠕变应小于1％，包壳的瞬态弹塑性应变+蠕变应小于1％；包壳自立的评价准则是最大的冷却剂压力不会导致包壳压塌或发生塑性变形；包壳坍塌的评价准则是外包壳不会发生包壳坍塌；气腔弹簧在4g轴向加速度不发生窜动；包壳累积疲劳损伤因子小于1.0；燃料棒与上下管座之间须留有足够的间隙避免干涉；内外包壳的轴向生长差应不能使得包壳发生强度失效；包壳管与格架刚凸的微振磨蚀不超过名义壁厚的10％。
包壳疲劳应满足以下关系式，ni表示每个应力幅度的循环次数，极限循环次数Ni的安全裕量①取虚拟应力幅度Sa扩大2倍后的极限循环次数，②取在给定的Sa下循环次数的5％。
燃料棒弹簧安装后其最小压紧力必须大于或等于燃料芯块名义重量的4倍，应满足以下关系式，为环形燃料棒弹簧在最小形变时(冷态)的最小作用力，K-表示弹簧的弹性系数，δ-表示弹簧的最小形变，Mp表示燃料芯块名义重量。
下面结合具体实施例详细说明利用本申请的实施例提供的方法将环形燃料元件结构10模拟为第一棒状燃料元件20和第二棒状燃料元件30的过程。
其中，环形燃料元件结构10的内包壳102的内径尺寸和外径尺寸可以为8.2mm和9.34mm，燃料芯块103的内径尺寸和外径尺寸可以为9.45mm和13.63mm，外包壳101的内径尺寸和外径尺寸可以为13.79mm和15.27mm，热流量可以为220W/cm，热流分配比可以为0.39：0.61。
可以根据结构和性能等效的方法，将环形燃料元件结构10等效成第一棒状燃料元件20和第二棒状燃料元件30，第一棒状燃料元件20的第一燃料芯块202的内径尺寸和外径尺寸可以为11.27mm和13.63mm，第一外包壳201的内径尺寸和外径尺寸可以为13.79mm和15.27mm，第一棒状燃料元件20的热流量可以为134.2W/cm；第二棒状燃料元件30的第二燃料芯块302的直径可以为6.56mm，第二外包壳的内径尺寸和外径尺寸可以为8.2mm和9.34mm，第二棒状燃料元件30的热流量可以为85.8W/cm。
对于本申请的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种确定环形燃料元件结构的性能的方法，其中，所述环形燃料元件结构设置在反应堆内，所述环形燃料元件结构包括外包壳、燃料芯块、内包壳，所述燃料芯块设置在所述外包壳和所述内包壳之间，所述外包壳设置由所述反应堆形成的冷却剂流通的第一通道内，所述内包壳形成有冷却剂流通的第二通道，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S10：确定所述环形燃料元件结构的尺寸参数以及所述环形燃料元件的热流量以及冷却剂流量；
S20：确定所述第一通道以及第二通道的热流分配和冷却剂流量分配；
S30：把所述环形燃料元件结构模拟为第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件，第一棒状燃料元件包括第一外包壳、第一燃料芯块，所述第一燃料芯块设置在所述第一外包壳内，所述第一燃料芯块中部形成中心孔；所述第二棒状燃料元件包括第二外包壳以及第二燃料芯块，所述第二燃料芯块设置在所述第二外包壳内，并且所述第二燃料芯块中部为实心结构；
S40：根据所述热流分配，确定所述第一燃料芯块与所述第二燃料芯块之间的横截面积比；
S50：根据所述S10步骤中确定的所述环形燃料元件结构的尺寸参数以及所述S40步骤确定的所述横截面积比，确定所述第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件的尺寸参数；
S60：根据所述S20步骤中确定的所述热流分配和冷却剂流量分配以及根据所述S50步骤中确定的所述第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件的尺寸参数，确定所述第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件的热流量以及冷却剂流量；
S70：根据所述第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件的热流量以及冷却剂流量，确定所述第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件的性能；
S80：根据所述第一棒状燃料元件以及第二棒状燃料元件的性能，确定所述环形燃料元件结构的性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在S30步骤中，所述中心孔的计算体积设置为零。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在S50步骤中，所述第一外包壳的尺寸与所述环形燃料元件结构的外包壳尺寸一致；
所述第二外包壳的尺寸与所述环形燃料元件结构的内包壳的尺寸一致。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在S50步骤中，所述第一燃料芯块的外径尺寸与所述环形燃料元件结构的燃料芯块的外径尺寸一致。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在S50步骤中，所述实心结构的直径为所述环形燃料元件结构的内包壳的内径的0.8倍。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述热流分配值与所述第一燃料芯块与所述第二燃料芯块之间的横截面积比值相同。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在S80步骤中，所述第一燃料芯块的芯块温度作为所述环形燃料元件结构的燃料芯块温度；
所述第一外包壳的温度、应力、应变以及伸长量作为所述环形燃料元件结构的外包壳的温度、应力、应变以及伸长量；所述第一棒状燃料元件的压力作为所述环形燃料元件结构的压力；
所述第二外包壳的温度、应力、应变以及伸长量作为所述环形燃料元件结构的内包壳的温度、应力、应变以及伸长量。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在S80步骤中，所述第二外包壳的内压采用所述反应堆的冷却剂的压力，所述第二外包壳的外压采用第一外包壳的内压的分析结果。
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