國產新鋯合金輻照考驗小組件初步熱工水力性能分析

刁均輝

（中國原子能科學研究院，中國 北京102413）

0 引言

國產新鋯合金考驗小組件將在中國先進研究堆（CARR）的輻照考驗回路內模擬壓水堆條件進行輻照考驗。 CARR 堆高溫高壓回路主回路系統設計壓力為17.2MPa，設計溫度為350℃，設計流量為30m3/h，其運行壓力和溫度及水化學條件可以根據試驗的要求進行調整。

目前考驗小組件的初步設計已由參研單位設計完成，考驗小組件的結構布置， 是從CAP1400 壓水堆燃料組件取出具有代表性的一個小單元。 考驗組件中有12 根燃料棒，4 根控制棒導向管。 燃料棒中心距、燃料棒的結構尺寸等采用CAP1400 的燃料棒結構及外形尺寸，但燃料棒長度減少，其中活性段長度為800mm。 小組件兩端設兩個定位格架，活性段設兩個攪渾格架。輻照考驗小組件設置在輻照裝置內，小組件外圍由鋯元件方形盒包裹，并由吊架管組件定位。 合理設計輻照裝置使輻照考驗小組件活性段正好位于輻照孔道的活性區。

采用高溫高壓回路進行輻照考驗小組件的輻照考驗，考驗目標是在2018 年中期燃耗達到30GWd/tU。在時間一定的條件下要實現目標燃耗，只能盡可能提高考驗小組件的運行功率。 但小組件運行功率的提高受到熱工水力條件的限制。因此需要對輻照考驗小組件展開熱工水力性能分析以確定小組件運行的功率限值。初步熱工水力性能分析針對不同的運行工況進行計算，確定該工況下小組件的最小偏離泡核沸騰比（MDNBR），通過MDNBR 來初步判斷小組件在某一功率下運行是否滿足安全準則，從而確定小組件的最大運行線功率。

本次熱工水力分析采用的是COBRA-IV 程序。 該程序既能夠模擬穩態條件下輕水堆堆芯或者燃料組件的熱工水力參數，也能夠模擬由于反應堆堆芯功率、冷卻劑入口焓值、冷卻劑入口質量流量以及冷卻劑出口壓力等因素的變化所引起的反應堆熱工水力瞬態響應。

1 設計輸入

1.1 分析模型

因為考驗小組件外部包圍鋯元件方形盒，本次計算針對元件方形盒內部的控制體進行計算分析。 并假定鋯元件方形盒是絕熱的，這樣考驗小組件所產生的熱量全部由冷卻劑帶出輻照裝置，計算結果會偏保守，安全性更高。 考驗小組件中冷卻劑通道和燃料棒的編號如圖1所示。 考驗組件中有12 根燃料棒，4 根控制棒導向管。

圖1 考驗組件中通道及燃料棒的編號

1.2 物理分析結果

考驗燃料燃料棒的功率分布如表1 所示。

表1 考驗小組件中燃料棒功率

該功率分布下小組件的平均線功率為27.5kW/m，總功率為264kW。在試算過程中，通過輸入一個倍數因子的方法得到不同的組件線功率及總功率。 整個試算過程中組件功率分布趨勢一直保持不變。

1.3 運行參數

確定如下熱工水力輸入參數：

（1）考驗小組件平均線功率為31kW/m，則組件總功率為297.6kW；

（2）考驗小組件最大外圍尺寸確定為53×53，因此方形盒的尺寸定為54×54，根據先前提供的小組件結構參數，可確定整個小組件入口流通面積為0.001595m2；

（3）冷卻劑流速要求為4.5～5m/s，考慮在考驗過程中冷卻劑的密度會下降， 導致冷卻劑在流過小組件時由于密度的下降導致流速上升，所以選冷卻劑的入口流速為4.5m/s，所以對應冷卻劑體積流量為25.84m3/h；

（4）設定活性段出口冷卻劑壓力為15.5MPa。

1.4 其他輸入參數

（1）定位格架位置及定位格架系數

小組件定活性段有兩層定位格架，定位格架距離活性段入口的距離分別為240mm 和540mm，定位格架形阻系數假定為1.0；

（2）臨界熱流密度計算公式選用W-3 公式。

2 穩態熱工水力分析結果

在熱工計算過程中，冷卻劑的入口溫度、流量、功率分布以及系統壓力等參數是作為已知邊界條件的，而冷卻劑的出口溫度必然受到組件功率的影響。 因此穩態熱工水力分析通過選取不同的熱功率，在特定的冷卻劑流量的條件下確定不同入口水溫所對應的出口冷卻劑溫度及MDNBR。

2.1 小組件平均線功率密度為27.5kW/m 計算結果

程序中功率倍數因子設為1， 則小組件平均線功率密度為27.5kW/m，組件總功率為264kW，在此功率水平下計算不同冷卻劑入口溫度所對應的出口溫度及MDNBR 計算結果如表2 所示。

表2 組件平均線功率為27.5kW/m 計算結果

表3 組件平均線功率為31kW/m 計算結果

2.2 小組件平均線功率密度為31kW/m 計算結果

程序中功率倍數因子設為1.1273， 則小組件平均線功率密度為31kW/m，組件總功率為297.65kW，在此功率水平下計算不同冷卻劑入口溫度所對應的出口溫度及MDNBR 計算結果如表3 所示。

3 總結

通過計算可以得出如下結論：

（1）在功率不變的情況下，MDNBR 隨著入口水溫的增加而降低；

（2）線功率為31kW/m 時，MDNBR 均不滿足MDNBR 限值要求；

（3）既要滿足線功率要求，又要滿足冷卻劑溫度的要求，需要對最初的輻照方案重新進行修正。