格架松弛对燃料棒湍流激励及微振磨损的影响研究

假设所有支承有效,基于燃料棒模态分析的结果,根据压水堆燃料棒的流场分布特征,采用功率谱密度表征湍流激励,结合相关功率谱密度试验参数,求解了各阶模态的振动位移均方值,基于ARCHARD磨损公式计算了燃料棒刚凸位置的磨损深度。由于制造工艺、运输、辐照的影响,格架对燃料棒的夹持作用可能松弛。依次假设格架单个刚凸及弹簧松弛,研究了松弛对燃料棒模态、流致振动以及磨损的影响。结果表明：格架弹簧的松弛对固有频率的影响可忽略;原振幅较大的位置附近刚凸松弛对固有频率影响明显;堆芯入口及出口的横向流速较大,燃料棒底部和顶部的湍流激励振幅较大,这些位置的刚凸支承松弛使湍流激励振幅明显增大,中间位置的刚凸支承松弛对振幅影响较小;刚凸支承松弛对磨损深度的影响与对湍流激励最大振幅的影响趋势基本一致。磨损除了与湍流激励振幅相关,还与固有频率相关,顶部振型和频率乘积的影响大于底部格架位置,顶部格架刚凸松弛对磨损影响最大。     

PWR燃料组件定位格架夹持力辐照松弛的研究

PWR 燃料组件定位格架夹持力在辐照场中的松弛行为是定位格架设计中值得重视的问题。本文介绍了定位格架夹持力辐照松弛研究中几种适用的测量方法及其特点,如在实验室研究中测定位格架弹簧力的松弛,在辐照后的17×17验证组件中测燃料棒在栅元中的移动力和滑动力、在抽出燃料棒的空栅元中测栅元摩擦力及栅元尺寸等方法。经比较,各种方法测得的结果基本一致。根据实测结果,还分析了定位格架夹持力辐照松弛的主要影响因素,如快中子积分通量、材料、几何形状、热处理制度及燃料棒直径变化等。说明对新设计的定位格架进行真实工况下的堆内辐照试验颇有意义。     

防振条约束失效对蒸汽发生器传热管面内流弹失稳的影响研究

根据防振条布置以及面内支承连续失效个数,将防振条面内约束失效分析划分为多种工况,分析了不同工况下面内约束失效对传热管面内模态的影响,采用各位置阻尼在振型函数上进行加权平均的方法计算了各阶模态的阻尼比,进而研究了防振条面内不同约束对传热管面内流弹失稳的影响。分析结果表明,随着面内支承连续失效位置的增多,弯管段面内首阶模态频率不断降低,出现在弯管段的振型越加明显;弯管段面内首阶模态不一定是最大流弹失稳比值出现的模态,最大流弹失稳比值出现模态的振型几乎都出现在弯管段;随着面内支承连续失效位置的增多,面内流弹失稳比值不断增大,当连续3个及以上防振条面内约束失效时,将出现流弹失稳现象。     

冷却剂与含格架燃料棒束多场耦合分析

燃料棒束作为压水堆燃料组件的组成部分,其热工和结构特性直接关系到反应堆的安全。本文利用ANSYS WORKBENCH软件分析了冷却剂在5×5含定位格架燃料棒束通道内流动的分布,采用冷却剂与燃料棒束多场耦合的方式研究了燃料棒束的流动传热特性和结构形变特性。结果表明：定位格架扰动冷却剂形成横向二次流并在下游棒束间形成绕流;多场耦合条件下二次流峰值速度和平均速度均小于单流场的;二次流与燃料棒的热应力使棒束发生形变,功率和流动分布的不均匀导致形变在轴向和径向的不均匀;相较于无格架情况,定位格架的存在使冷却剂的搅混流动更加明显,冷却剂对燃料棒冲击增大;在有、无定位格架两种情况下棒束形变均很小,可保持原本结构的稳定。     

数值拟合方法评价燃料芯块制造参数对燃料棒性能的影响

从理论计算模型出发,分析出与燃料棒性能相关的芯块制造参数,并采用自主研发的FUPAC燃料棒性能分析软件,逐一针对这些参数进行敏感性分析,筛选影响燃料棒性能的关键参数。基于大量敏感性分析计算数据,采用数值拟合的方法获得了关键参数与燃料棒性能间的变化关系函数,实现了对芯块制造参数所致燃料棒性能影响的快速、准确评价。对数值拟合方法与专业软件分析的结果进行对比验证,结果表明:数值拟合方法可以高效地分析燃料芯块制造参数对燃料棒性能的影响。      

棒束及格架布置对燃料组件搅混特性影响的实验研究

以CPR1000核电机组使用的格架组装的5×5棒束燃料组件为对象,开展了多组全长棒束燃料组件搅混特性实验,重点分析了冷-热棒布置形式、格架布置形式等几何参数对燃料组件搅混特性的影响规律,实验结果表明,冷-热棒中心对称布置时的燃料组件热扩散系数更接近真值;跨间搅混格架对燃料组件总体热扩散系数有较小增强作用,但对于棒束压降的贡献很低。      

新型定位格架夹持结构的疲劳特性研究

针对新型定位格架夹持结构及其疲劳问题,利用有限元分析手段评估其运行条件下的应力状态,并开展弹簧疲劳特性实验,分析疲劳失效特性及裂纹萌生位置。结果表明,该夹持结构的弹簧疲劳失效大致经历载荷降低与快速失效等阶段;由于弹簧支撑腿的作用,失效后弹簧依然维持一定的载荷,约为名义载荷的0.42倍;同时,弹簧结构的疲劳与裂纹萌生位置不仅与应力值有关,还受载荷传递关系的影响。有限元数值模拟可以作为定位格架夹持结构设计与优化的有效辅助手段,并可初步判断其疲劳失效的位置。     

带格架5×5燃料棒束流致振动特性数值研究

核反应堆中,流动的冷却剂轴向冲刷燃料棒可能导致其振动,产生微动磨损,对整个核电厂的安全性以及经济性有重要影响。带格架棒束流致振动特性的研究是微动磨损研究的基础。本文基于欧拉-伯努利（Euler-Bernoulli）梁理论,采用动网格技术,通过Fluent实现流固耦合数值计算,并与不考虑振动耦合时的流场分布进行比较分析。重点分析了湍流强度、轴向速度等主要流体参数对振动位移均方根的影响,以及轴向流中流致振动机理。结果表明：燃料棒的振动位移均方根随着流速的增大而增大;燃料棒径向两侧的压力脉动是造成振动的因素之一;定位格架改变了较大振动出现的位置,明显加强了振动响应。     

新型定位格架夹持结构的力学特性研究

定位格架夹持结构是保证燃料棒横向与轴向定位的关键。为进一步提高燃料组件中子经济性、简化定位格架生产流程,本文设计了一种可直接从格架条带上冲制而成的拱形且带小刚性凸起的弹簧结构,与刚凸组成新型定位格架夹持系统。针对设计的夹持结构,进行了单条带弹簧、单条带刚凸及格架栅元夹持结构的力学性能试验,获得了弹簧、刚凸、栅元内夹持结构的进程形变量-载荷曲线和回程形变量-载荷曲线,并分析了各结构在100%与120%名义形变量下的载荷、永久形变量等力学性能数据。结果表明：新型全锆夹持结构在名义形变量附近具有较好的力学稳定性;格架栅元夹持结构与单条带弹簧试验所得力学性能相近,表明单条带试验具有较高的代表性和可靠性。     

芯块侧偏状态下的燃料棒温度场数值计算分析

燃料芯块侧偏状态下的燃料棒温度分布关系到反应堆燃料设计和安全运行。本文基于燃料棒的稳态扩散方程的一般形式,通过数值计算分析了芯块侧偏对燃料棒传热和温度分布的影响。结果表明:当燃料芯块侧偏时,芯块最高温度的位置向芯块侧偏的反方向偏移且最高温度下降,偏心率越大,最高温度的位置偏移程度越大,温降也越大。当偏心率e为0.5和0.8时,芯块最高温度分别下降1.3%和4.1%。而燃料棒包壳外壁面温度分布不均匀且最高温度随着偏心率的增大而升高,当偏心率e=0.8时,燃料棒包壳外壁面的最高温度为350℃,达到燃料棒的临界工作温度。     

球形燃料元件温度分布对包覆燃料颗粒失效概率的影响

固态熔盐堆采用TRISO(Tristructural isotropic)包覆颗粒球形燃料元件。在运行工况下,燃料元件内部存在一定的温度分布,填充在燃料元件内部不同位置的TRISO颗粒的失效概率会因此受到影响。利用体积微元的方法分析了温度分布对包覆颗粒失效概率的影响,并进一步研究了球形燃料元件尺寸对TRISO颗粒平均失效概率的影响。结果表明,在一定的功率密度下,如果利用球心温度或者平均温度计算燃料元件内部TRISO颗粒的平均失效概率,结果相比实际值会有至少一个数量级的差别;在相同功率密度和相同燃耗条件下,燃料元件直径每减小1 cm,其包覆颗粒平均失效概率降低两个数量级左右。     

燃料棒多物理数值模型研究与程序开发

提出"数值燃料棒"概念,研究燃料棒多物理数值模拟技术,开发出相应的模型及程序。编制了基于有限元方法的热传导、力学计算模块和基于特征线方法(MOC方法)的中子输运计算模块,并进行验证。计算结果表明:相关计算模块的开发是有效的,可为进一步耦合求解燃料棒热传导问题、力学问题和中子输运问题,模拟燃料棒在反应堆内极端环境下的各种行为奠定基础。     

燃料污垢对典型事故工况的影响研究

新版HAD 102/07—2020核动力厂反应堆堆芯设计中明确要求：设计分析应考虑反应堆冷却剂系统正常运行产生的腐蚀产物在包壳表面的沉积导致的燃料棒传热恶化。因此,有必要分析燃料污垢对事故工况下燃料棒传热性能的影响,特别是以燃料芯块温度和包壳温度为验收准则的典型事故工况。本文开发污垢计算模型,采用等效热导率关系式计算含污垢和氧化层的包壳热导率,即认为污垢、氧化层均匀分散在包壳层中,使得包壳热导率变化,该等效包壳层所引起的温度梯度与实际情况相同。随后,基于对“华龙一号”核动力厂事故分析结果,选取了典型非LOCA事故（弹棒事故、功率运行下单个控制棒失控抽出事故）和LOCA事故进行污垢影响研究。结果表明,考虑污垢后,事故过程中的燃料芯块中心峰值温度和包壳峰值温度均有显著上升,但依然满足事故验收准则要求。     

棒束通道定位格架沸腾临界特性数值研究

为研究核反应堆中定位格架及搅混翼对沸腾临界现象产生的影响,本文采用计算流体动力学（CFD）分析方法,探讨了棒束通道中定位格架的数目、位置和搅混翼的角度对于沸腾临界现象的影响。结果表明:定位格架会对主流流动产生阻力,同时定位格架数目越多,沸腾临界发生的温度也越高,但将定位格架布置在沸腾临界发生位置时,则可有效改善壁面传热环境并降低沸腾临界发生时的峰值温度。搅混翼的存在则会有效降低加热面附近空泡份额,改善传热环境,但搅混翼角度过大时会导致沸腾临界提前发生。      

带格架棒束通道交混湍流数值模拟研究

采用雷诺时均模拟(RANS)和大涡模拟(LES)对MATi S-H实验进行模拟计算,得到格架交混后棒束通道内冷态单相湍流流场,通过比较格架下游特定位置处速度分量分布,发现采用精细网格的LES能够较为准确地计算湍流流场平均速度以及脉动速度的分布,与实验结果符合较好。LES结果表明,棒束通道内格架交混湍流流场具有明显的波动,脉动峰值离散分布;子通道内瞬时时刻的涡旋因子SM沿轴向也并非单调衰减,而是具有相对持续的脉动特征,最大脉动值大约是SM最大值的5%;LES的瞬时速度场计算结果可以为进一步的力学分析提供参考。     

定位格架对棒束通道出口温场分布影响研究

为分析定位格架交混能力,进一步优化定位格架热工设计方法。本文通过实验研究不同结构定位格架对棒束通道出口温场分布的影响。实验中,系统压力为7.0～16.5 MPa,质量流速为900～4500 kg·m^-2·s^-1,实验段进出口温差为30～128℃。实验结果表明,在压水堆运行参数范围内,对于相同定位格架结构形式,不同压力、进出口温差、质量流速等热工参数条件下棒束通道出口截面子通道最高温度和最低温度的差值与进出口温差的比值没有明显变化趋势;交混翼主导了定位格架的交混作用,II型交混翼带来较强的交混作用;对于D型定位格架,非对称的条带结构会导致流场整体出现一定的偏转,一定程度上降低了定位格架的交混作用。     

燃料棒辐照-热-力耦合行为的精细化数值模拟研究

在反应堆运行过程中燃料棒具有复杂的堆内行为,准确可靠的堆内燃料行为预测对于反应堆安全计算、燃料设计需求及燃料性能评估都是所必须的。本研究考虑了UO2芯块与锆合金包壳的相关热效应与辐照效应,并考虑间隙气体热传导、辐射换热、接触热传导的影响;分别编制用户自定义子程序,将燃料棒材料的辐照效应、热效应以及间隙换热等引入商用有限元分析软件ABAQUS,建立了燃料棒辐照-热-力耦合行为的精细化数值模拟方法。