輻照小組件子通道分析

摘 要：文章采用子通道分析程序進行輻照小組件的DNBR分析。首先根據輻照小組件的特殊結構建立了相應的子通道分析程序輸入數據集。在此基礎上，針對重點影響DNBR的熱工水力參數進行了研究，同時針對不同的軸向和徑向功率分布形狀以及峰值因子進行了研究。分析結果可以為實驗方案的確定提供支持。

關鍵詞：輻照小組件；子通道；DNBR

1 概述

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堆高溫高壓回路的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[1]。

輻照小組件是在AP1000燃料組件設計的基礎上，選取4根導向管和12根燃料棒組成的特殊組件結構。可用于輻照試驗，驗證燃料元件包殼、燃料組件定位格架性能等。

針對輻照小組件，有研究人員采用子通道分析程序COBRA-IV開展了初步的熱工水力分析[2]，僅針對穩態結果開展了計算；也有研究人員采用計算流體力學（CFD）開展了熱工水力分析[3]，重點研究了攪混系數的影響。文章在輻照小組件初步設計的基礎上，合理假設子通道分析相關的參數，建立對應的輻照小組件子通道模型，選取典型的WRB-2M和ABB-NV關系式，針對關鍵參數開展研究，獲取輻照小組件的熱工水力特性。

2 輻照小組件子通道建模

輻照小組件子通道分析程序模型是根據程序用戶手冊，結合輻照小組件初步設計的參數完成的。輻照小組件子通道節點劃分如圖1所示，輻照小組件主要參數如表1所示。子通道分析程序的主要輸入參數和模型特征如下：

（1）輻照小組件子通道分析程序輸入數據集模擬軸向34個節點，徑向4×4的棒束，共21個通道、32個間隙、12根燃料棒、4根導向管，詳見圖1。

（2）本報告保守假設小組件子通道間的熱交混因子為0.0。不模擬動量交混，使熱通道計算的結果更保守。

（3）為便于建模，在子通道分析程序中，最外圍模擬至外側棒中心外一半中心距處；而且不模擬四角無燃料棒的通道。假設流經四角的無加熱區域、外圍矩形環狀區域及4根導向管的流量為旁通流量，設計值為40.0%。

（4）計算中軸向第一個格架位置以上使用WRB-2M經驗關系式，軸向第一個格架位置以下使用ABB-NV關系式，關系式的DNBR限值為分別為1.14和1.13。

3 輻照小組件主參數研究

在初步建立的輻照小組件模型基礎上，根據表2的基準工況參數，計算出一個相對合理的輻照小組件最小DNBR結果。如表3所示，在基準工況下，ABB-NV計算的典型柵元最小DNBR為2.623，與關系式限值（1.13）相比還有56.9%的裕量。冷壁柵元最小DNBR為2.31，與關系式限值（1.13）相比還有51.1%的裕量；WRB-2M計算的典型柵元最小DNBR為2.269，與關系式限值（1.14）相比還有49.8%的裕量。冷壁柵元最小DNBR為2.384，與關系式限值（1.14）相比還有52.2%的裕量。兩個關系式在典型柵元11號通道的最小DNBR都出現在9號棒上。兩個關系式計算的冷壁柵元的最小DNBR出現位置不同。ABB-NV關系式計算結果顯示冷壁柵元的最小DNBR出現在17號通道中的9號棒上；WRB-2M關系式計算結果顯示冷壁柵元的最小DNBR出現在5號通道的4號棒上。

ABB-NV關系式計算的最小DNBR出現在冷壁柵元（17號通道，9號燃料棒）；WRB-2M關系式計算的最小DNBR出現在典型柵元（11號通道，9號燃料棒）。

在基準工況的基礎上，針對系統壓力、總功率、體積流量、平均溫度這幾個主要參數進行研究。在基準工況假設的設計參數基礎上，分別增加和減少一定的份額，以確定該參數對輻照小組件最小DNBR的影響。

考慮到在基準工況下，ABB-NV關系式計算的最小DNBR出現在冷壁柵元上，WRB-2M關系式計算的最小DNBR出現在典型柵元上。計算結果表明，各主要參數的變化沒有改變這一結果。因此只針對冷壁柵元的ABB-NV計算結果和典型柵元的WRB-2M計算結果進行比較，如表4所示。結果說明如下：

（1）壓力變化對最小DNBR的影響并不明顯，計算的最小DNBR都在2.2以上。

（2）總功率的變化直接影響單根棒的線功率密度，對最小DNBR的影響十分明顯。若功率增加7%左右，最小DNBR降低約0.15，若功率減少13%，最小DNBR增大約0.33。

（3）流量直接影響流速，對最小DNBR的影響也十分明顯。若流量增加17%，最小DNBR增加約0.2，若流量降低17%，最小DNBR減小約0.2。

（4）平均溫度是通過調整小組件入口溫度來實現的，對最小DNBR的影響也較為明顯。若平均溫度增加6℃，最小DNBR降低約0.15，若平均溫度降低5℃，最小DNBR增加約0.1。

4 功率分布及峰值因子研究

在基準工況的基礎上，針對軸向功率分布形狀、軸向功率峰值因子、徑向功率分布形狀、徑向功率峰值因子這幾個參數進行研究。

考慮到在基準工況下，ABB-NV關系式計算的最小DNBR出現在冷壁柵元上，WRB-2M關系式計算的最小DNBR出現在典型柵元上。計算結果表明，軸向和徑向功率峰值因子以及軸向功率分布形狀的變化沒有改變這一結果，因此這3種工況只針對冷壁柵元的ABB-NV計算結果和典型柵元的WRB-2M計算結果進行比較。但徑向功率分布形狀的變化會使得WRB-2M關系式計算的最小DNBR出現在冷壁通道上，因此這一工況的WRB-2M關系式計算結果將用冷壁通道的值進行比較，如表5所示。結果說明如下：

（1）如圖2所示的軸向功率分布形狀的變化對最小DNBR影響十分明顯。因為ABB-NV關系式計算第一個格架以下的部分，WRB-2M關系式計算第一個格架以上的部分，軸向功率峰值的變化使得出現極限計算結果的關系式發生變化。余弦分布時，WRB-2M關系式的計算結果最小，但兩個關系式計算結果相差不大；軸向功率峰值在下部時，ABB-NV關系式的計算結果最小，且與WRB-2M計算結果相差很大；軸向功率峰值在上部時，WRB-2M關系式的計算結果最小，且與ABB-NV計算結果相差很大。

（2）如圖3所示的軸向功率峰值因子的變化對計算結果的影響較為明顯。軸向功率峰值因子的變化是在保證整個軸向功率份額之和維持不變的情況下實現的，因此峰值因子的變化將影響其余節點對應的功率因子。余弦形狀分布的功率峰值對應的位置是WRB-2M關系式的計算范圍，因此軸向功率峰值因子變化對WRB-2M關系式的計算結果影響十分明顯。相比基準工況的1.60，軸向功率峰值為1.45時，最小DNBR增加約0.23，軸向功率峰值為1.72時，最小DNBR減小約0.13。

（3）如圖4所示的徑向功率分布形狀的變化對最小DNBR的影響十分明顯。尤其對于ABB-NV關系式，因為基準工況時其最小DNBR已經出現在冷壁，當徑向功率分布形狀改變使得熱棒向外側移動時，ABB-NV關系式計算的最小DNBR減小十分明顯。同時由于熱棒移到外側，因此WRB-2M關系式計算的最小DNBR也出現在冷壁。

（4）徑向功率峰值因子的變化直接影響焓升熱管因子，對最小DNBR的影響也十分明顯。當徑向功率峰值因子減小為1.20時，最小DNBR增加約0.2；當徑向功率峰值因子增加為1.50時，最小DNBR減小約0.3。

5 結束語

文章使用子通道分析程序進行了輻照小組件的DNBR分析。在輻照小組件輸入數據集的基礎上，選取典型的WRB-2M和ABB-NV關系式，針對重點影響DNBR的系統壓力、流量、功率、平均溫度等主要參數對DNBR的影響進行了研究。同時針對不同的徑向和軸向功率分布形狀和峰值因子進行了研究。

根據上述研究，文章主要有以下幾點結論和建議：

（1）功率和流量對輻照小組件最小DNBR的影響都十分明顯，

需要平衡考慮。

（2）軸向功率分布形狀對于不同的CHF關系式計算的最小DN

BR影響十分明顯，需要根據對應的軸向功率分布形狀選擇合適的關系式。

（3）徑向功率分布形狀對于最小DNBR出現的位置影響十分明顯，需要合理設計，盡量避免最小DNBR出現在冷壁。

（4）軸向和徑向功率峰值因子對最小DNBR影響明顯，需要盡量使得功率分布均勻，以免最小DNBR過小。

參考文獻

[1]張培升，張愛民.國產新鋯合金小組件輻照考驗[J].中國原子能科學研究院年報，2012（1）：154-155.

[2]刁均輝.國產新鋯合金輻照考驗小組件初步熱工水力性能分析[J].科技視界，2014（23）：307-308.

[3]尹皓，鄒耀，劉興民.CARR輻照壓水堆小組件熱工水力分析[J].原子能科學技術，2015（6）：1069-1074.