CN118114600A - 一种适用于环形燃料的双通道物理热工耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于环形燃料的双通道物理热工耦合方法，包括：根据堆芯扩散计算得到堆芯各节块的功率分布；根据各节块的平均功率、平均燃耗和内外通道流量、热量分配插值表，插值计算得到各节块内、外通道的流量分配比和热量分配比；获取各节块截面值，重新进行堆芯扩散计算；根据堆芯扩散计算结果，判断冷却剂的密度和燃料有效温度方差是否收敛；若冷却剂的密度方差和燃料有效温度方差不收敛，则返回第一步，直至收敛。在堆芯计算中将环形燃料内通道和外通道分别开展热工水力计算，用于更加准确地确定环形燃料各节块的截面数据，为环形燃料的中子学设计提供重要支撑。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆堆芯设计和反应堆物理数值计算领域，具体涉及一种适用于环形燃料的双通道物理热工耦合方法。
背景技术
作为核反应堆系统分析计算的基础，反应堆物理分析计算通过求解中子输运方程，获得堆芯反应性和全堆精细功率分布。考虑到计算条件的限制，在反应堆堆芯核设计中难以直接求解中子输运方程，通常采用组件截面计算-堆芯计算的“两步法”计算方法。先进节块法是目前应用最广泛的压水堆堆芯计算方法，通常将一个燃料组件划分为多个节块，在一个节块中采用单通道模型进行物理-热工耦合计算，获取当前节块的慢化剂平均温度、等参数，调用插值截面表插值得到当前节块所需截面数据，再通过堆芯中子扩散计算得到各节块功率分布与特征值计算结果。
堆芯求解计算是堆芯核设计的关键过程，而对于环形燃料组件，由于采用双包壳和环形燃料芯块内、外冷却的设计，与传统燃料设计具有显著不同，原有的单通道物理热工耦合方法无法适用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有单通道物理热工耦合方法无法作为环形燃料的的双通道物理热工耦合方法，主要是由于环形燃料和单通道燃料存在显著的不同。
本发明的目的在于提供一种适用于环形燃料的双通道物理热工耦合方法，包括：
S1.根据堆芯扩散计算得到堆芯各节块的功率分布；
S2.根据各节块的平均功率、平均燃耗和内外通道流量、热量分配插值表，插值计算得到各节块内、外通道的流量分配比和热量分配比；
S3.获取各节块截面值，重新进行堆芯扩散计算；
S4.根据堆芯扩散计算结果，判断冷却剂的密度和燃料有效温度方差是否收敛；
S5.若冷却剂的密度方差和燃料有效温度方差不收敛，则返回步骤S1，直至收敛为止。
步骤S3具体为：
S3-1.根据步骤S2获得的当前节块的内通道和外通道的热量分配比，分别建立内通道和外通道；
S3-2.分别计算内通道和外通道的热工水力，分别获得内通道和外通道的入口温度和流量；
S3-3.根据内通道和外通道的入口温度和流量，分别获得内通道和外通道的平均比焓和出口焓；
S3-4.根据内通道和外通道的平均比焓和出口焓，分别获得内通道内冷却剂和外通道内冷却剂的温度和密度。
相关计算流程具体如下：
求解能量守恒方程，计算通道的流体焓场，轴向上每个节块的出口比焓作为轴向方向的上一节块的入口比焓。
根据压力和比焓计算轴向上每个节块的慢化剂温度。
根据热力学平衡质量含汽量Xe来确定内通道和外通道内的流体的相数，当热力学质量含汽量Xe＞0时是两相流；Xe≤0时是单相流。
当内通道和外通道内流通的单相流体时，
根据单一质量流模型，计算通道内z点的质量流量可写成：
W(z)＝Wc (1)
式中
z：轴向节点坐标；
Wc：计算通道的质量流量，kg/s。
忽略动能、位能和摩擦功的影响，计算通道内流体的能量守恒方程可写成：
式中：
H：计算通道z点的比焓，kJ/kg；
Uh：计算通道的加热周长，m；
W：计算通道的质量流量，kg/s；
Φ：计算通道的平均热流密度，kW/m2；
φ(z)：堆芯的轴向归一化功率分布函数；
Hin：计算通道的入口比焓，kJ/kg。
当内通道和外通道内流通的两相流体时，
所有方程式中所用的的物性参数ρ(密度)和H(比焓)按下式计算：
式中：
Xe：热力学平衡含汽量，无量纲；
α：空泡份额，无量纲；
ρl：饱和液体密度，kg/m3；
ρg：饱和汽体密度，kg/m3；
Hf：饱和水比焓，kJ/kg；
Hg：饱和蒸汽比焓，kJ/kg。
冷却剂温度和密度计算如下：
通道比焓的变化遵循下面的微分方程：
式中：
H：比焓，kJ/kg；
ρ：流体密度，kg/m3；
u：流体速度，m/s；
P：压力，Pa；
s：功率密度,kW/m3。
通道顶部的出口比焓是对微分方程在通道轴向高度上积分得到的，通道的入口比焓等于其底部通道的出口比焓。通道的入口比焓作为第1个节块的通道入口比焓。
节块(i，j，k)的各通道出口比焓计算公式可转换为：
式中：
Eijk：通道的流体表面功率密度，KW/m2；
Δzk：通道轴向长度，m；
Gij：通道的质量流速，kg/(m2·s)；
Hin(k)：通道入口比焓，kJ/kg；
Uh：计算通道的加热周长，m；
As：通道流通面积，m2。
在计算得到每个通道的出口比焓后，根据出、入口比焓的平均值作为该通道的平均比焓
式中：
Hin(k)：通道入口比焓，kJ/kg；
Hout(k)：通道出口比焓，kJ/kg。
慢化剂温度计算方法如下：
式中：
Tm(k)：通道k的慢化剂温度，℃；
p：系统压力，Pa；
Tf：系统压力对应的饱和温度，℃；
Hav(k)：通道k的比焓，kJ/kg。
函数f(p,Hav(k))可在输入压力和比焓后求得对应的温度。
通道的平衡含汽率xe根据平均比焓来计算：
式中：
Hav(k)：通道k的比焓，kJ/kg；
Hf：通道内饱和流体的比焓，kJ/kg；
Hfg：通道内流体的汽化潜热，kJ/kg。
当平衡含汽量为正或等于零时，慢化剂处于饱和沸腾状态，其热工水力状态参数为饱和水的值；当平衡含汽量为负时，慢化剂的热工水力状态参数为欠热水的值。
本发明的有益效果为：
步骤S2～S3为适用于环形燃料的双通道物理热工耦合方法的关键步骤。与传统物理热工耦合方法相比，适用于环形燃料的双通道物理热工耦合方法主要通过在堆芯计算中将环形燃料内通道和外通道分别开展热工水力计算，从而获得与截面数据相关的内部和外部冷却剂密度相关信息，用于更加准确地确定环形燃料各节块的截面数据，为环形燃料的中子学设计提供重要支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中传统棒状燃料组件单通道模型计算流程图；
图2为本发明实施例中适用于环形燃料组件的双通道物理热工耦合计算流程图；
图3为本发明实施例中棒状燃料/环形燃料混装堆芯布置示意图；
图4为堆芯组件功率分布相对偏差(％)图。
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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
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。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，为传统棒状燃料组件单通道模型计算流程。由于是单通道，因此不涉及温度和流量的分配，也不涉及多个通道入口温度和流量的计算，更不会涉及多个通道内冷却剂的相关热力学计算；由此可知，传统棒状燃料组件单通道模型并不适用于多通道计算，但是可作为多通道模型开发的依据。
在传统棒状燃料组件单通道模型的基础上，本发明通过设计，得到了如图2所示的模型，该模型适用于环形燃料组件的双通道物理热工耦合计算。
如图2所示，本发明实施例提供一种适用于环形燃料的双通道物理热工耦合方法，包括以下步骤：
S1.根据堆芯扩散计算得到堆芯各节块的功率分布；
具体如下：
1)根据当前堆芯状态的冷却剂密度、燃料有效温度，以及其他工况参数(如燃耗、可溶硼浓度、控制棒状态等)，从均匀化组件少群截面参数库中获取各节块的各类型少群截面参数；
2)以步骤1)所获得的节块少群截面为输入，调用基于节块算法的中子扩散方程求解器，通过源迭代策略，获得三维堆芯内各节块的平均通量分布及堆芯反应性；
3)根据步骤1)提供的节块宏观裂变释能截面，以及步骤2)获得的节块平均通量，
计算获得堆芯内各节块的功率分布。
S2.根据各节块的平均功率、平均燃耗、内通道和外通道流量、热量分配插值表，插值计算得到各节块内通道和外通道的流量分配比；
内通道和外通道流量、热量分配插值表采用传统的组件输运计算软件和子通道软件计算各种工况下的截面参数表，供本方法调用。
根据各节块的平均功率和平均燃耗，在插值表中进行插值计算得到当前节块的内通道和外通道的流量和热量。
S3.获取各节块截面值，重新进行堆芯扩散计算；
本步骤具体包括如下步骤：
S3-1.根据步骤S2获得的当前节块的内通道和外通道的热量分配比，分别建立内通道和外通道；
S3-2.分别计算内通道和外通道的热工水力，分别获得内通道和外通道的入口温度和流量；
S3-3.根据内通道和外通道的入口温度和流量，分别获得内通道和外通道的平均比焓和出口焓；
S3-4.根据内通道和外通道的平均比焓和出口焓，分别获得内通道内冷却剂和外通道内冷却剂的温度和密度。
相关计算流程具体如下：
求解能量守恒方程，计算通道的流体焓场，轴向上每个节块的出口比焓作为轴向方向的上一节块的入口比焓。
根据压力和比焓计算轴向上每个节块的慢化剂温度。
根据热力学平衡质量含汽量Xe来确定内通道和外通道内的流体的相数，当热力学质量含汽量Xe＞0时是两相流；Xe≤0时是单相流。
当内通道和外通道内流通的单相流体时，
根据单一质量流模型，计算通道内z点的质量流量可写成：
W(z)＝Wc (8)
式中
z：轴向节点坐标；
Wc：计算通道的质量流量，kg/s。
忽略动能、位能和摩擦功的影响，计算通道内流体的能量守恒方程可写成：
式中：
H：计算通道z点的比焓，kJ/kg；
Uh：计算通道的加热周长，m；
W：计算通道的质量流量，kg/s；
Φ：计算通道的平均热流密度，kW/m2；
φ(z)：堆芯的轴向归一化功率分布函数；
Hin：计算通道的入口比焓，kJ/kg。
当内通道和外通道内流通的两相流体时，
所有方程式中所用的的物性参数ρ(密度)和H(比焓)按下式计算：
式中：
Xe：热力学平衡含汽量，无量纲；
α：空泡份额，无量纲；
ρl：饱和液体密度，kg/m3；
ρg：饱和汽体密度，kg/m3；
Hf：饱和水比焓，kJ/kg；
Hg：饱和蒸汽比焓，kJ/kg。
冷却剂温度和密度计算如下：
通道比焓的变化遵循下面的微分方程：
式中：
H：比焓，kJ/kg；
ρ：流体密度，kg/m3；
u：流体速度，m/s；
P：压力，Pa；
s：功率密度,kW/m3。
通道顶部的出口比焓是对微分方程在通道轴向高度上积分得到的，通道的入口比焓等于其底部通道的出口比焓。通道的入口比焓作为第1个节块的通道入口比焓。
节块(i，j，k)的各通道出口比焓计算公式可转换为：
式中：
Eijk：通道的流体表面功率密度，KW/m2；
Δzk：通道轴向长度，m；
Gij：通道的质量流速，kg/(m2·s)；
Hin(k)：通道入口比焓，kJ/kg；
Uh：计算通道的加热周长，m；
As：通道流通面积，m2。
在计算得到每个通道的出口比焓后，根据出、入口比焓的平均值作为该通道的平均比焓
式中：
Hin(k)：通道入口比焓，kJ/kg；
Hout(k)：通道出口比焓，kJ/kg。
慢化剂温度计算方法如下：
式中：
Tm(k)：通道k的慢化剂温度，℃；
p：系统压力，Pa；
Tf：系统压力对应的饱和温度，℃；
Hav(k)：通道k的比焓，kJ/kg。
函数f(p,Hav(k))可在输入压力和比焓后求得对应的温度。
通道的平衡含汽率xe根据平均比焓来计算：
式中：
Hav(k)：通道k的比焓，kJ/kg；
Hf：通道内饱和流体的比焓，kJ/kg；
Hfg：通道内流体的汽化潜热，kJ/kg。
当平衡含汽量为正或等于零时，慢化剂处于饱和沸腾状态，其热工水力状态参数为饱和水的值；当平衡含汽量为负时，慢化剂的热工水力状态参数为欠热水的值。
S4.根据堆芯扩散计算结果，判断冷却剂的密度和燃料有效温度方差是否收敛；
冷却剂的密度方差的收敛条件为
燃料有效温度方差的收敛条件为
S5.若冷却剂的密度方差和燃料有效温度方差不收敛，则返回步骤S1，直至收敛为止。
以下举例说明
图3为以某大型商用压水堆核电厂为原型的棒状燃料与环形燃料混装堆芯径向布置方案。该堆芯装载有157盒富集度分别为1.8％、2.4％、3.1％不等的17×17棒状燃料组件，以及4盒富集度为4.95％的13×13环形燃料组件。
基于本发明提供的双通道物理热工耦合方法，通过编制计算机程序计算获得全堆芯组件功率分布，并与蒙特卡罗参考解进行比较，其相对偏差如图4所示。由图可见，基于本发明获得的功率分布精度良好。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 (8)
1.一种适用于环形燃料的双通道物理热工耦合方法，其特征在于，所述方法包括：
S1.根据堆芯扩散计算得到堆芯各节块的功率分布；
S2.根据各节块的平均功率、平均燃耗和内外通道流量、热量分配插值表，插值计算得到各节块内、外通道的流量分配比和热量分配比；
S3.获取各节块截面值，重新进行堆芯扩散计算；
S4.根据堆芯扩散计算结果，判断冷却剂的密度和燃料有效温度方差是否收敛；
S5.若冷却剂的密度方差和燃料有效温度方差不收敛，则返回步骤S1，直至收敛为止。
2.根据权利要求1所述的双通道物理热工耦合方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S3-1.根据步骤S2获得的当前节块的内、外通道的热量分配比，分别建立内通道和外通道；
S3-2.分别计算内通道和外通道的热工水力，分别获得内通道和外通道的入口温度和流量；
S3-3.根据内通道和外通道的入口温度和流量，分别获得内通道和外通道的平均比焓和出口焓；
S3-4.根据内通道和外通道的平均比焓和出口焓，分别获得内通道内冷却剂和外通道内冷却剂的温度和密度。
3.根据权利要求2所述的双通道物理热工耦合方法，其特征在于，内通道和外通道内流通的是双相流体时，
内通道和外通道比焓的变化遵循下面的微分方程：
式中：
H：比焓，kJ/kg；
ρ：流体密度，kg/m3；
u：流体速度，m/s；
P：压力，Pa；
s：功率密度，kW/m3；
通道顶部的出口比焓是对微分方程在通道轴向高度上积分得到的，通道的入口比焓等于其底部通道的出口比焓。
4.根据权利要求3所述的双通道物理热工耦合方法，其特征在于，所述通道的入口比焓作为1个节块的通道入口比焓，那么节块(i，j，k)的各通道出口比焓计算公式可转换为：
式中：
Eijk：通道的流体表面功率密度，KW/m2；
Δzk：通道轴向长度，m；
Gij：通道的质量流速，kg/(m2·s)；
Hin(k)：通道入口比焓，kJ/kg；
Uh：计算通道的加热周长，m；
As：通道流通面积，m2。
5.根据权利要求4所述的双通道物理热工耦合方法，其特征在于，所述内通道和外通道的平均比焓的计算公式如下：
式中：
Hin(k)：通道入口比焓，kJ/kg；
Hout(k)：通道出口比焓，kJ/kg。
所述冷却剂的温度为：
式中：
Tm(k)：通道k的冷却剂温度，℃；
p：系统压力，Pa；
Tf：系统压力对应的饱和温度，℃；
Hav(k)：通道k的比焓，kJ/kg。
6.根据权利要求5所述的双通道物理热工耦合方法，其特征在于，所述内通道和外通道的平衡含汽率xe根据平均比焓来计算：
式中：
Hav(k)：通道k的比焓，kJ/kg；
Hf：通道内饱和流体的比焓，kJ/kg；
Hfg：通道内流体的汽化潜热，kJ/kg。
7.根据权利要求6所述的双通道物理热工耦合方法，其特征在于，当平衡含汽量为正或等于零时，冷却剂处于饱和沸腾状态，其热工水力状态参数为饱和水的值；当平衡含汽量为负时，冷却剂的热工水力状态参数为欠热水的值。
8.根据权利要求2所述的双通道物理热工耦合方法，其特征在于，当内通道和外通道内流动的是单相流体时，
W(z)＝Wc
式中
z：轴向节点坐标；
Wc：计算通道的质量流量，kg/s；
忽略动能、位能和摩擦功的影响，计算通道内流体的能量守恒方程可写成：
式中：
H：计算通道z点的比焓，kJ/kg；
Uh：计算通道的加热周长，m；
W：计算通道的质量流量，kg/s；
Φ：计算通道的平均热流密度，kW/m2；
φ(z)：堆芯的轴向归一化功率分布函数；
Hin：计算通道的入口比焓，kJ/kg。
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2024
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