棒状燃料元件的稳态热工水力分析.docx

棒状燃料元件的稳态热工水力0析作者姓名：专业名称：核工程与核技术指导教师:本文为研究棒状燃料元件所组成的堆芯的热工水力，计算出 堆芯稳态运行时的相关参数，以此估算反应堆运行时的安全性 在反应堆中，核燃料裂变产生的热量通过导热传递给燃料元件的 外表面，再通过间隙传递给包壳内表面，再继续传递给包壳外表 面，最后通过对流换热将热量传递给冷却剂通过计算得出燃料 元件的中心溫度和最高溫度、包壳外表面的最高溫度，还要计算 燃料元件溫度场、冷却剂溫度场和焙场，并对结果进行了仔细的 分析分析结果表明本文估算所得的相关参数与实际运行参数基 本吻合关键词：压水堆核电站 热工水力计算 棒状燃料元件AbstractIn this paper, the thermal power of the core of the rod like fuel element is studied, and the related parameters of the core steady state operation are calculated, which can estimate the safety of the reactor. In the reactor, the nuclear fission to produce fuel heat through the heat transfer to the outer surface of the fuel element, again through the gap is passed to the bag on the inner surface of the shell, to continue to transfer to the outer surface of the shell package, finally by convection heat transfer to transfer heat to the coolant. The temperature field, the temperature field and the enthalpy field of the fuel element are calculated by calculating the maximum temperature and the maximum temperature of the fuel element, and the temperature field of the fuel element. The analysis results show that the related parameters are basically consistent with the actual operating parameters.Keywords： Pressurized water reactor nuclear power station,Thermal hydraulic calculation,Rod like fuel element核能在人类生产和生活中的应用的主要形式是核电。

核电厂 具有污染小，发电成本低等优点结合我国国情，我国主要依赖 煤炭，大量的燃煤带来了严重的污染问题尽管采取了脱硫等环 保措施，二氧化硫和氮氧化物的排放总量还是巨大的加之国内 可开发的水电资源有限，可再生能源等新能源成本高、难以成规 模，环境状况非常严峻在此形式下，发展核电对调整能源结构, 减少污染，实现经济和生态环境协调发展具有十分重要的战略意 义当今世界上运行的机组中大多数都是压水堆，在压水堆堆芯 中基本都是采用的棒状燃料元件，因此对棒状燃料元件所组成的 堆芯进行热工水力分析是核电厂安全运行所必需的1棒状燃料元件概述按燃料元件的几何形状分类，可将燃料元件分为棒状、板状、 管状和球状等燃料元件形式，本文将主要介绍棒状燃料元件对 于不同形状的燃料元件有不同的分析方法核燃料裂变产生的热 量通过导热传递给燃料元件的外表面，再通过间隙传递给包壳内 表面，再继续传递给包壳外表面，最后通过对流换热将热量传递 给冷却剂1.1燃料元件的设计要求1.2棒状燃料元件包壳的作用是防止核燃料与反应堆冷却剂接触，以免裂变产 物逸出对冷却剂造成放射性污染Zr-4合金的中子吸收截面小， 在高溫下有较高的机械强度和抗腐蚀性能。

值得提出的是，Zr-4包壳与水相容溫度不超过350°C,包壳 的熔点为1852°C,包壳溫度达到820°C后错与水反应产生氢气并 放出大量的热在运行中应使燃料元件保持在适度的溫度，以免 包壳与冷却剂之间发生相互作用1.3包壳材料在堆芯寿期内，核燃料裂变所产生的能量将传递给冷却剂 假如燃料芯块直接与冷却剂相接触，那么由于核燃料裂变产生废 物将直接进入冷却剂，从而造成冷却剂具有强放射性，对核电厂 的维护和人员安全造成威胁，所以在燃料芯块和冷却剂之间加入 一层非裂变材料即包壳是非常必要的通过以上叙述可总结包壳的作用：1•使燃料芯块不受冷却剂的机械侵蚀和化学腐蚀2. 包容由于核燃料裂变产生的裂变气体和其他裂变产物3. 封装燃料芯块，有支撑燃料芯块的几何形状对于包壳材料的选择，因考虑一下因素：1. 具有较好的核性能，即中子吸收截面小，感生放射性小2. 与燃料芯块有较好的相容性，且耐高温3. 具有良好的传热的性能4. 具有较好的力学性能5. 具有良好的抗腐能力，对冷却剂是惰性的6. 具有稳定的抗辐照性能7. 容易加工，成本低廉，便于后处理综合考虑上述要求，可用作包壳材料有：镁、铝、错、皱、 石墨、不锈钢、镰基合金等。

由于本文所讨论包壳选用Zr-4合金, 下我们重点讨论Zr-4的性质Zr-4中合金所含的微量元素如表1.1所示微素 错合金\SnFeCrNiZr-41.500.200.100.007表1.1 Zr-4合金中微量元素（％）1.热导率Zr-4合金的热导率在表1.2体现"°C100300500700k/W/ cm-°CZr-40.1360.1520.1800.225表1.2 Zr-4的热导率（试样在750 °C下经20h真空退火）Zr-4合金的热导率关于溫度的函数表示为式（2-5）：Kc = 7.73x10 2 +3.15xl0_4r-2.87xl0 7r +1.552x10 10Z3(2-5)式中：©是Zr-4合金的热导率，W/（c〃°C）； /是温度，°C2.比定压热容Zr-4合金的比定压热容关于温度变化的关系 表示为式（2-6）：fc =286.5 + 0.1?, 0 750°C式中：c”是Zr-4的比定压热容（t是温度（°C）2棒状燃料元件的传热分析燃料元件传热分析在反应堆热工分析中有着重要的地位之 所以要对燃料元件进行传热分析，是出于对反应堆的安全性和经 济性两个角度考虑的。

首先，从安全性来讲：第一，要确保在任 何工况下不发生燃料元件熔化；第二，在燃料芯块和结构材料设 计是要考虑由于温度梯度会造成热应力；第三，包壳和冷却剂的 化学反应也与温度相关；第四，燃料和慢化剂由于温度变化而引 入反应性的变化会影响到反应堆的控制再者，在保证反应堆安 全的前提下，要尽可能通过提高堆芯单位体积的热功率，冷却剂 的温度等方式来提高反应堆的经济性2.1热传导微分方程燃料元件的导热是通过热传导的方式将燃料元件内产生的 裂变热，从温度高的芯块传递到向温度低的包壳外表面的过程 此过程的导热方程便可描述成式(2-1):pc (r,r)^^ = V*x-(r,/)V/(r,r) + ^.(r,r) (2-1)OT式中：°为密度(kg/rr^ ) ； c/r,r)为7■时刻产处的比定压热容 (〃(如C) )； K亿/)为t °C时产处的热导率(W/(cm-°C))； 百,T)为E时刻产处的温度(°C) qv(r,T)为7■时刻7处的体积是热 率)o本文对稳定工况的燃料元件分析，得到式(2-1)稳态形式(2-2)：V*7r(r,/L)V/L(r) + ^v(r) = 0 (2-2)我们已经知道，热导率K是关于温度/的函数。

由于在此处 我们认为导热过程是主要矛盾，而热导率K的变化只是次要矛 盾，所以假设热导率K是一个常数，得到式(2-3)：刃”(产)+久⑺=0 (2-3)2.2有内热源圆柱形芯块的温度场先做两点合理假设：1. 忽略轴线方向的导热，认为导热只在径向进行2. 认为径向的体积释热率是常数基于以上两点假设，将棒状芯块的导热问题转化为一维问 题棒状燃料元件采用一维圆柱形坐标系就有(2-4)：d~t 1 dt qx, , r ”、—+ ——+ 互=0 (2-4)dr~ r dr Ku如图2.1,设燃料芯块半径为比，包壳的外半径为人，包 壳的厚度为/，先不考虑气隙的厚度，三者之间有关系式(2-5)：RT+5 (2-5)8,图2.1棒状燃料元件横截面现求解微分方程式（2-4）：dr\ dr 2 Ku 丿dr 2 Ku=Ci(2-6)由假设（1）可知芯块的温度分布具有对称性:(2-7)得到G=0与式（2-8）：(2-8)再对式（2-8）进行一次积分，得到式（2-9）：(2-9)将边界条件，r^R,t = tu代入式（2-9）得到C?和式（2-10）：q、&4匕(2-10)2.3无内热源圆筒形包壳的温度场首先引入傅里叶导热定律的一维形式：Q = -kcA— （2-11）dr式中：0为通过圆筒形包壳的总功率（W）；匕为包壳的热 导率（W/c"“°C）； 4为垂直于导热方向的面积（莎）。

虽然包壳会吸收来自燃料芯块的丫射线、0射线等而产生 热量，但由于包壳的厚度太小，在其中产生的热量相对于燃料芯 块传递给包壳的热量可以忽略故可以把包壳导的热处理成无内 热源的导热过程，便将式（2-3）写成式（2-12）：AV2r（r） = 0 （2-12）将式（2-12）在圆柱形坐标系中改写成式（2-13）：(2-13)d~t 1 d八 _q乔+；討"求解微分方程式（2-13）：(2-14)现将傅里叶导热定律的一维形式根据圆柱形包壳改写成式(2-15)：(2-15)Q = -27rrlK-c —dr式中：A = 2加 故得到G :-丄仑 (2-16)271 I将式(2-16)中的号 定义为线功率，用④表示故式(2-14) 改写成式(2-17)：(2-17)再对式(2-17)进行一次积分，得到式(2-18)：治)=__ lnr + C,I) 2 码 -(2-18)将边界条件，r = R”,t = t”代入式(2-18)得到C?和式(2-19)：=-- In— (2-19)2叭R”将包壳的半径人代入式(2-19)得到包壳外表面的温度表 达式(2-20)：t =t -- In昱 (2-20)C " 2 码 R”2.4气隙热传导从图2.2可以看到，燃料棒内除了二氧化铀，气隙能够引起 明显温度变化。

由此可见，气隙传热计算的准确程度，将会很大 程度影响燃料芯块温度计算的准确性气隙是由惰性气体氨占据 的环形空间气隙内的气体成分会随燃耗加深。