反應堆穩態熱工水力設計

根據安全和經濟適用的原則確定一個最佳化的堆芯冷卻方案，分析計算反應堆在各種給定的穩態工況下的熱工參數。其中包括堆芯冷卻劑壓力、溫度及流量分布、燃料元件溫度和偏離泡核沸騰比等參數。

基本介紹

• 中文名：反應堆穩態熱工水力設計
• 外文名：reactor steady state thermo-hydraulicdesign

並聯通道模型

反應堆堆芯是由許多結構類同的燃料組件組成的。在反應堆熱工水力分析中，把堆芯按其熱流密度和流量的不同進行分區，具有相同熱流密度及流量的燃料組件或通道作為同類通道，堆芯被簡化成在上下空腔相聯通的並聯通道模型。反應堆燃料組件因結構形式的不同而有閉式通道和開式通道之分。①閉式通道：通道被元件盒壁所隔離，相鄰通道間無質量、動量和能量的交換。②開式通道：相鄰通道間無封閉的隔離“牆”，相鄰通道間有流體的橫向流動和混流交混，因此，在通道之間有質量、動量及能量交換。

圖1 反應堆燃料組件

圖2 沸水堆堆芯分區示意圖

圖3 壓水堆堆芯分區示意圖

圖4 堆芯並聯通道模型

圖5 通道分類

在反應堆穩態熱工水力設計中，要計算堆芯各類通道內詳細的熱工參數。堆芯最高燃料溫度及最小偏離泡核沸騰比等參數必須滿足安全準則的要求。設計中運用了下述術語：①平均通道：具有平均熱流密度、平均冷卻劑流量、焓升和名義幾何參數的通道；②熱通道：堆芯內具有最大焓升的燃料冷卻劑通道，它是合理地集中了核的和工程的諸不利因素影響的通道；③熱通道因子：通道的局部狀態和平均狀態的參數比值。熱流密度熱通道因子是堆芯最大熱流密度和平均熱流密度的比值，它是核熱流密度熱通道因子及工程熱流密度因子的乘積，表示成F_q= F_q F_q。用相同的定義方式表示冷卻劑焓升的熱通道因子F_△H=(動力壓水反應堆設計中常用的熱通道因子表示在表1中)。它反映堆芯內功率的非均勻分布、控制棒或燃料組件間隙造成的局部功率畸變、核分析的不確定性、通道內流量分配的均勻性及工程偏離造成的不利影響。

表1 壓水反應堆設計中的熱通道因子

項 目	符 號	60年代	70年代	90年代
核熱流密度因子		3.11	2.59
工程熱流密度因子		1.04	1.03
熱流密度因子		3.24	2.67	2.35
核焓升因子		1.73	1.545
工程焓升因子		1.22	1.075
焓升因子		2.11	1.67	1.55

* 隨著技術的不斷完善，熱通道因子呈逐漸減小的趨勢。

平均通道模型

用單一的平均通道的參數代表反應堆的總特性。先用冷卻劑質量、動量及能量守恆方程計算冷卻劑平均通道的軸向焓分布、通道壓降及偏離泡核沸騰比等分布參數，然後將所有的熱通道因子合理地集中於熱通道，分析熱通道的熱工參數。熱通道中最高燃料溫度及最小偏離泡核沸騰比要滿足安全準則的要求。平均通道模型簡單、計算速度快，但是不能給出堆芯的詳情。反應堆初步設計時常用平均通道模型。關於平均通道計算方法和有關公式，見反應堆傳熱、反應堆流體力學。

圖6 平均通道熱工設計方框圖

圖7 壓水堆平均通道模型計算結果

全堆芯模擬模型

在目前的反應堆詳細設計中，都用全堆芯模擬模型，其結果更為真實詳細。全堆芯模擬模型計算量大、過程複雜，通常是用反應堆熱工水力分析程式在大型數字計算機上完成的。自20世紀60年代以來，國際上相繼發展了一批用於反應堆熱工水力分析的子通道分析程式。程式中考慮了相鄰通道間質量、動量和能量交換問題；對於有元件盒的閉通道則是子通道橫向交換量為零的特例。

全堆芯模擬模型分析過程如下：首先按反應堆物理計算提供的堆芯功率分布，將堆芯分區(見圖2、圖3)，接著作堆芯流量分配設計和計算，以確定各冷卻劑通道流量分布。堆芯各區功率及流量確定之後，運用熱工水力分析程式作全堆芯模擬的熱工分析，以計算堆芯各區的冷卻劑溫度、壓力、臨界熱流密度、偏離泡核沸騰比和燃料溫度等詳細熱工參數，同時找出堆芯最熱的組件。最後，對堆芯最熱組件作更細的開式通道分析。在此分析中，合理地集中熱通道因子，計算堆芯燃料最高溫度及最小偏離泡核沸騰比等參數。在開式通道分析中，運用的阻力、傳熱和臨界熱流密度等計算公式和平均通道模型的相同。

表2 幾個熱工子通道分析程式

程式簡稱	作者	文獻	年份	流體的相	棒束形狀及排列	混 合		分子導熱	套用範圍
						紊流	橫流
THINC-1，2	Zurick	WCAP-3764	1962	單、兩	任意	無	有	無	壓水堆
HECTIC-1	Kattchee	IDO-28695	1962	單	任意	有	無	無	氣冷堆，單相液冷堆
COBRA-Ⅱ	Rowe	BNWL-1229	1970	單、兩	正方形或三角形	有	有	無	壓水堆，沸水堆
COBRA-ⅢC	Rowe	BNWL-1695	1973	單、兩	任意	有	有	無	壓水堆，沸水堆
COBRA-ⅢM	Marr	ANL-8130	1975	單、兩	任意	有	有	無	壓水堆，沸水堆
HAMBO-1	Bowring	AEEW-R-524	1967	單、兩	任意	有	有	無	壓水堆，沸水堆
JOYO	Niyamoto	JAPFNR-19	1971	單	三角形	有	有	有	鈉冷炔堆
MISTRAL	Baumann	KFK-1605	1972	單	三角形	有	有	有	鈉冷炔堆
HERA-1A	Nijsing	EUR-4905	1973	單	三角形	有	有	有	鈉冷炔堆
DIANA	Hirao		1974	單	任意	有	有	有	鈉冷炔堆
MATTEO	Forti	RT/ING(74)	1974	單、兩	任意	有	有	無	水冷堆
THINC-4	Chelemer		1977	單、兩	任意	有	有		水冷堆
COBRA-Ⅳ	Stewart	BNWL-1962	1976	單、兩	任意	有	有		壓水堆，沸水堆

開式通道分析模型有一維及三維分析模型。對於任何一個子通道，其一維模型包括質量平衡方程、軸向動量方程、橫向動量方程和熱量平衡方程等四個基本方程。COBRA程式採用一維方程，這類程式簡單而且計算速度快，但使用時有一定的局限性，不能處理流動嚴重阻塞和倒流等工況。THINC-4及THERMIT-2等程式採用三維方程，能分析反應堆事故中可能出現的通道嚴重阻塞等工況，但計算機時間較一維程式的多。三維程式近來得到了發展。