一种核反应堆燃料组件交混系数的计算方法

技术领域

本申请涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种核反应堆燃料组件交混系数的计算方法。

背景技术

在对核反应堆堆芯热工水力分析研究中，堆芯燃料棒及冷却剂温度分布一直是研究的重点，由于堆芯内流动及传热特性的复杂化，对堆芯建模及热工水力数值模拟分析造成了较大的困难。

目前，应用于反应堆堆芯热工水力分析中，对燃料棒温度分布计算的方法一般有三种：1.一维系统程序——如RELAP5程序、TRACE程序通过简单的热构件计算反应堆燃料的平均温度分布；2.子通道分析程序——如COBRA程序对燃料棒逐个建模，并通过数值求解得到燃料棒温度分布；3.计算流体动力学(CFD)模拟——如ANSYS FLUENT软件一般采用对燃料棒进行建模和网格划分，再逐个燃料棒求解温度分布。

其中，一维系统分析程序无法获得堆芯燃料棒准确的温度分布，因此对功率分布不均匀的瞬态计算过程模拟效果很差；子通道程序建模复杂，而且在全堆模拟中，边界条件需要人为指定，对反应堆堆芯入口不规律瞬变过程模拟能力不足；CFD软件对燃料棒精确建模工作量大，网格量大，导致计算速度慢。

燃料组件是核反应堆的关键部件，燃料组件的子通道之间的横向扩散能力对反应堆热工设计具有重要意义。对于棒束组件，子通道之间的横向扩散主要由棒束通道内的涡团自然扩散引起。这种横向扩散被称为湍流扩散，用交混系数(Thermal DiffusionCoefficient,TDC，也称：湍流扩散系数)来定量描述湍流扩散。湍流扩散的主要特征是相邻子通道通过棒间隙的速度脉动进行能量和动量交换，并无净质量扩散发生。

在压水堆堆芯的热工水力设计与安全评价中，一般采用子通道分析软件，交混系数作为使用子通道分析程序对堆芯子通道进行热工水力分析计算的重要输入参数之一，已有研究结果表明，交混系数主要由燃料组件的结构决定，受定位格架的结构，尤其是格架的交混翼影响较大，受热工水力参数如系统压力、入口温度、质量流速等的影响较小。

现有技术中，燃料组件的交混系数一般通过试验获得，但由于试验耗费巨大，耗时较长，尤其在组件结构优化阶段需要筛选多种方案，不可能针对每个方案都开展试验，因此需要一种高效经济地获得组件交混系数的方法。随着近年来计算流体力学分析技术(CFD)的飞速发展，在模拟燃料组件中流体的流动换热方面取得了较好的研究成果，尤其是单相CFD方法在棒束定位格架流场和温度场的计算精度已经达到了较高的精度，已经广泛应用于燃料组件热工水力性能预测和分析中，有必要尝试在设计初期阶段开展CFD分析，一定程度上替代试验，作为格架筛选和试验分析的重要参考。

目前尚没有采用计算流体力学方法和子通道程序耦合计算燃料组件交混系数TDC的相关专利，已有专利多是介绍棒束通道TDC实验方法或试验装置，如专利CN113327696A公布的“一种测量棒束通道等效交混系数的实验方法”、CN217332262U公布的“一种测量棒束通道等效交混系数的实验装置”，也有一些关于交混系数TDC的数值研究，如专利CN103729482B公布的“一种紧密排列多头绕丝细棒燃料元件交混系数的确定方法”，JP2003075580A公布的“NUMERICAL EVALUATION METHOD OF TDC VALUE OF REACTOR FUELASSEMBLY”等，但是应用对象有所不同，都没有涉及针对棒束型燃料组件子通道出口温度分布的模拟计算以及相应的TDC确定方法研究。考虑到交混系数TDC试验实施周期长、难度大、所需经费多，因此亟待提供一种能够保证一定精度的同时，合理、快速获得燃料组件交混系数TDC的计算分析方法，以缩短燃料组件研发设计周期。

发明内容

为了解决现有通过试验获得燃料组件交混系数的技术存在耗时长、成本高的问题，本发明提供了解决上述问题的一种计算交混系数TDC的方法，能够快速且准确的获得燃料组件的交混系数TDC，以便为燃料组件临界热流密度CHF关系式的开发和应用提供输入。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

本申请第一方面，提供一种核反应堆燃料组件交混系数的计算方法，包括如下步骤：第一步骤，采用计算流体力学的方法，对核反应堆的燃料组件进行模型计算，得到燃料组件子通道出口温度分布T

作为一个实施例，所述第一步骤包括：建模步骤，对燃料组件进行三维全尺寸建模，构建所述燃料组件的基本几何模型；所述建模步骤包括，从17×17棒束的模型中切割出一个5×5棒束的结构，构建该5×5棒束的模型；构建燃料棒包壳的模型；将所述燃料组件的基本几何模型导入计算流体力学软件，获得所述5×5棒束和所述燃料棒包壳的几何模型。

作为一个实施例，所述第一步骤还包括：设置网格参数，对所述5×5棒束的模型生成网格；将所有所述5×5棒束模型合并成完整的5×5棒束试验件模型，使模型入口区域覆盖真实试验件的入口尺寸，使冷却剂能够进入加热段起始点，模型出口区域沿所述加热段的终止点额外向上延长长度，防止所述冷却剂回流；设置物理模型和湍流模型参数，捕捉所述冷却剂的流动传热特征，根据工况，构造符合要求的冷棒和热棒的加热功率比，设置合理的边界条件计算出各个所述子通道的出口温度分布T

作为一个实施例，所述第三步骤包括如下步骤：假设所述交混系数的值为K

其中：m为子通道个数；T

针对每个工况，K

本申请的第二方面，提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以上任一项所述的方法。

本申请的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现以上任一项所述的方法。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明基于子通道分析程序和CFD方法，能够快速准确获得燃料组件的交混系数，相较于现有通过试验的方式来获得搅混系数，大大降低了所需的成本，显著提高了研发效率。

2、本发明能够为自主化燃料组件格架的筛选和反应堆热工水力设计工作提供准确可靠的技术支撑和数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所使用的附图作简单介绍。

图1为本申请的一个实施例的核反应堆燃料组件交混系数的计算方法的流程图。

图2为本申请的一个实施例的对燃料组件进行三维全尺寸建模方法的流程图。

图3为本申请的一个实施例的计算燃料组件子通道出口温度分布T

图4为本申请的一个实施例的计算子通道分析方法中使用的交混系数的值的流程图。

图5为本申请的一个实施例的5×5棒束试验件模型径向布置示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

现有燃料组件的交混系数TDC通常是借助试验得到的，然而试验方式所需成本高、耗时长。本实施例采用计算流体力学CFD技术以及子通道分析技术，能够快速准确的确定燃料棒束交混系数TDC，大大提高分析效率，并降低试验成本。

图1为本申请的一个实施例的核反应堆燃料组件交混系数的计算方法的流程图。

如图1所示，本发明的一个实施例的方法主要包括以下步骤：

步骤S1：采用计算流体力学的数值分析方法，对该燃料组件三维模型进行数值分析，通过设置合理的网格参数、物理模型以及计算边界条件等计算获得燃料组件子通道出口温度分布T

步骤S2：将步骤S1中获得的燃料组件子通道出口温度分布T

步骤S3，通过调整子通道分析程序中的交混系数TDC取值，使得子通道出口温度分布T

通过上述方法，能够在保证一定精度的同时，合理、快速获得燃料组件交混系数TDC值，对于缩短燃料组件研发设计周期具有重要价值。

图2为本申请的一个实施例的对燃料组件进行三维全尺寸建模方法的流程图。

如图2所示，步骤S1中包括建模步骤S11，对带格架棒束的燃料组件进行三维全尺寸建模，即使用三维几何建模软件构建带格架棒束的燃料组件的基本几何模型。具体步骤如下。

步骤S111，从完整的17×17格架模型中切割出一个典型栅元格架结构(如图5所示)，构建单跨5×5格架模型；

步骤S112，构建适当长度的燃料棒包壳几何模型，几何模型涵盖格架的所有局部特征，包括弹簧、刚凸、搅混翼、焊点以及沟槽等；

步骤S113，将所述几何模型导入计算流体力学CFD软件，获得单跨5×5格架模型和燃料棒包壳几何模型。

图3为本申请的一个实施例的计算燃料组件子通道出口温度分布T

如图3所示，步骤S1中采用计算流体力学的数值分析方法，对该燃料组件三维模型进行数值分析，通过设置合理的网格参数、物理模型以及计算边界条件等计算获得燃料组件子通道115的出口温度分布T

步骤S12，设置网格参数对单跨模型生成网格；

步骤S13，将所有所述单跨模型合并成完整的5×5棒束试验件模型，使得模型入口区域覆盖真实试验件中的入口尺寸，并额外向下延长一定长度，使冷却剂经过充分发展后进入加热段起始点，出口区域沿加热段终止点额外向上延长一定长度，以防止冷却剂回流；

步骤S14，设置合适的物理模型和湍流模型参数，以捕捉冷却剂的流动传热特征，根据计算工况，构造符合要求的冷、热棒加热功率比，设置合理的边界条件进行求解计算。

步骤S2中，将步骤S1中基于计算流体力学CFD方法获得的燃料组件子通道出口温度分布T

图4为本申请的一个实施例的计算子通道分析方法中使用的交混系数的值的流程图。

如图4所示，步骤S3中，调整子通道分析程序中的交混系数TDC取值，使得子通道出口温度分布T

步骤S31，假设一个交混系数TDC的值K

步骤S32，用子通道间的温差代替绝对温度值，得到每个工况试验值温差与计算值温差的差值平方之和S(K

其中：m为子通道个数；T

S反映子通道出口温度计算值与CFD计算值的符合程度。当S为最小值时，说明子通道出口温度的计算值与CFD计算值最接近，N个工况得到N组S

步骤S33，针对每个工况，K

步骤S34，取每个工况最小S

图5为本申请的一个实施例的5×5棒束试验件模型径向布置示意图。

如图5所示，5×5棒束试验件中的25根加热棒114呈正方形排列，将流体域划分为36个子通道115(也称为“栅元”)。图5中，每个加热棒114上的编号R1-R25为加热棒的编号。各子通道115上的编号C1-C36为子通道的编号。

本实施例提供一种计算机设备，其包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现计算燃料组件交混系数TDC方法。

本实施例提供一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现计算燃料组件交混系数TDC方法。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。