摘 要：文章采用子通道分析程序進(jìn)行輻照小組件的DNBR分析。首先根據(jù)輻照小組件的特殊結(jié)構(gòu)建立了相應(yīng)的子通道分析程序輸入數(shù)據(jù)集。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)重點(diǎn)影響DNBR的熱工水力參數(shù)進(jìn)行了研究，同時(shí)針對(duì)不同的軸向和徑向功率分布形狀以及峰值因子進(jìn)行了研究。分析結(jié)果可以為實(shí)驗(yàn)方案的確定提供支持。

關(guān)鍵詞：輻照小組件；子通道；DNBR

1 概述

國(guó)產(chǎn)新鋯合金考驗(yàn)小組件將在中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）的輻照考驗(yàn)回路內(nèi)模擬壓水堆條件進(jìn)行輻照考驗(yàn)。CARR堆高溫高壓回路的主回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為17.2MPa，設(shè)計(jì)溫度為350℃，設(shè)計(jì)流量為30m3/h，其運(yùn)行壓力和溫度及水化學(xué)條件可以根據(jù)試驗(yàn)的要求進(jìn)行調(diào)整[1]。

輻照小組件是在AP1000燃料組件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，選取4根導(dǎo)向管和12根燃料棒組成的特殊組件結(jié)構(gòu)?？捎糜谳椪赵囼?yàn)，驗(yàn)證燃料元件包殼、燃料組件定位格架性能等。

針對(duì)輻照小組件，有研究人員采用子通道分析程序COBRA-IV開(kāi)展了初步的熱工水力分析[2]，僅針對(duì)穩(wěn)態(tài)結(jié)果開(kāi)展了計(jì)算；也有研究人員采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）開(kāi)展了熱工水力分析[3]，重點(diǎn)研究了攪混系數(shù)的影響。文章在輻照小組件初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，合理假設(shè)子通道分析相關(guān)的參數(shù)，建立對(duì)應(yīng)的輻照小組件子通道模型，選取典型的WRB-2M和ABB-NV關(guān)系式，針對(duì)關(guān)鍵參數(shù)開(kāi)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(jù)程序用戶手冊(cè)，結(jié)合輻照小組件初步設(shè)計(jì)的參數(shù)完成的。輻照小組件子通道節(jié)點(diǎn)劃分如圖1所示，輻照小組件主要參數(shù)如表1所示。子通道分析程序的主要輸入?yún)?shù)和模型特征如下：

（1）輻照小組件子通道分析程序輸入數(shù)據(jù)集模擬軸向34個(gè)節(jié)點(diǎn)，徑向4×4的棒束，共21個(gè)通道、32個(gè)間隙、12根燃料棒、4根導(dǎo)向管，詳見(jiàn)圖1。

（2）本報(bào)告保守假設(shè)小組件子通道間的熱交混因子為0.0。不模擬動(dòng)量交混，使熱通道計(jì)算的結(jié)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(cè)棒中心外一半中心距處；而且不模擬四角無(wú)燃料棒的通道。假設(shè)流經(jīng)四角的無(wú)加熱區(qū)域、外圍矩形環(huán)狀區(qū)域及4根導(dǎo)向管的流量為旁通流量，設(shè)計(jì)值為40.0%。

（4）計(jì)算中軸向第一個(gè)格架位置以上使用WRB-2M經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，軸向第一個(gè)格架位置以下使用ABB-NV關(guān)系式，關(guān)系式的DNBR限值為分別為1.14和1.13。

3 輻照小組件主參數(shù)研究

在初步建立的輻照小組件模型基礎(chǔ)上，根據(jù)表2的基準(zhǔn)工況參數(shù)，計(jì)算出一個(gè)相對(duì)合理的輻照小組件最小DNBR結(jié)果。如表3所示，在基準(zhǔn)工況下，ABB-NV計(jì)算的典型柵元最小DNBR為2.623，與關(guān)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(guān)系式限值（1.13）相比還有51.1%的裕量；WRB-2M計(jì)算的典型柵元最小DNBR為2.269，與關(guān)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(guān)系式限值（1.14）相比還有52.2%的裕量。兩個(gè)關(guān)系式在典型柵元11號(hào)通道的最小DNBR都出現(xiàn)在9號(hào)棒上。兩個(gè)關(guān)系式計(jì)算的冷壁柵元的最小DNBR出現(xiàn)位置不同。ABB-NV關(guān)系式計(jì)算結(jié)果顯示冷壁柵元的最小DNBR出現(xiàn)在17號(hào)通道中的9號(hào)棒上；WRB-2M關(guān)系式計(jì)算結(jié)果顯示冷壁柵元的最小DNBR出現(xiàn)在5號(hào)通道的4號(hào)棒上。

ABB-NV關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在冷壁柵元（17號(hào)通道，9號(hào)燃料棒）；WRB-2M關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在典型柵元（11號(hào)通道，9號(hào)燃料棒）。

在基準(zhǔn)工況的基礎(chǔ)上，針對(duì)系統(tǒng)壓力、總功率、體積流量、平均溫度這幾個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行研究。在基準(zhǔn)工況假設(shè)的設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上，分別增加和減少一定的份額，以確定該參數(shù)對(duì)輻照小組件最小DNBR的影響。

考慮到在基準(zhǔn)工況下，ABB-NV關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在冷壁柵元上，WRB-2M關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在典型柵元上。計(jì)算結(jié)果表明，各主要參數(shù)的變化沒(méi)有改變這一結(jié)果。因此只針對(duì)冷壁柵元的ABB-NV計(jì)算結(jié)果和典型柵元的WRB-2M計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如表4所示。結(jié)果說(shuō)明如下：

（1）壓力變化對(duì)最小DNBR的影響并不明顯，計(jì)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(duì)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(duì)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(guò)調(diào)整小組件入口溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)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(zhǔn)工況的基礎(chǔ)上，針對(duì)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(gè)參數(shù)進(jìn)行研究。

考慮到在基準(zhǔn)工況下，ABB-NV關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在冷壁柵元上，WRB-2M關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在典型柵元上。計(jì)算結(jié)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(méi)有改變這一結(jié)果，因此這3種工況只針對(duì)冷壁柵元的ABB-NV計(jì)算結(jié)果和典型柵元的WRB-2M計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。但徑向功率分布形狀的變化會(huì)使得WRB-2M關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR出現(xiàn)在冷壁通道上，因此這一工況的WRB-2M關(guān)系式計(jì)算結(jié)果將用冷壁通道的值進(jìn)行比較，如表5所示。結(jié)果說(shuō)明如下：

（1）如圖2所示的軸向功率分布形狀的變化對(duì)最小DNBR影響十分明顯。因?yàn)锳BB-NV關(guān)系式計(jì)算第一個(gè)格架以下的部分，WRB-2M關(guān)系式計(jì)算第一個(gè)格架以上的部分，軸向功率峰值的變化使得出現(xiàn)極限計(jì)算結(jié)果的關(guān)系式發(fā)生變化。余弦分布時(shí)，WRB-2M關(guān)系式的計(jì)算結(jié)果最小，但兩個(gè)關(guān)系式計(jì)算結(jié)果相差不大；軸向功率峰值在下部時(shí)，ABB-NV關(guān)系式的計(jì)算結(jié)果最小，且與WRB-2M計(jì)算結(jié)果相差很大；軸向功率峰值在上部時(shí)，WRB-2M關(guān)系式的計(jì)算結(jié)果最小，且與ABB-NV計(jì)算結(jié)果相差很大。

（2）如圖3所示的軸向功率峰值因子的變化對(duì)計(jì)算結(jié)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(gè)軸向功率份額之和維持不變的情況下實(shí)現(xiàn)的，因此峰值因子的變化將影響其余節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率因子。余弦形狀分布的功率峰值對(duì)應(yīng)的位置是WRB-2M關(guān)系式的計(jì)算范圍，因此軸向功率峰值因子變化對(duì)WRB-2M關(guān)系式的計(jì)算結(jié)果影響十分明顯。相比基準(zhǔn)工況的1.60，軸向功率峰值為1.45時(shí)，最小DNBR增加約0.23，軸向功率峰值為1.72時(shí)，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(duì)最小DNBR的影響十分明顯。尤其對(duì)于ABB-NV關(guān)系式，因?yàn)榛鶞?zhǔn)工況時(shí)其最小DNBR已經(jīng)出現(xiàn)在冷壁，當(dāng)徑向功率分布形狀改變使得熱棒向外側(cè)移動(dòng)時(shí)，ABB-NV關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR減小十分明顯。同時(shí)由于熱棒移到外側(cè)，因此WRB-2M關(guān)系式計(jì)算的最小DNBR也出現(xiàn)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(duì)最小DNBR的影響也十分明顯。當(dāng)徑向功率峰值因子減小為1.20時(shí)，最小DNBR增加約0.2；當(dāng)徑向功率峰值因子增加為1.50時(shí)，最小DNBR減小約0.3。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章使用子通道分析程序進(jìn)行了輻照小組件的DNBR分析。在輻照小組件輸入數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，選取典型的WRB-2M和ABB-NV關(guān)系式，針對(duì)重點(diǎn)影響DNBR的系統(tǒng)壓力、流量、功率、平均溫度等主要參數(shù)對(duì)DNBR的影響進(jìn)行了研究。同時(shí)針對(duì)不同的徑向和軸向功率分布形狀和峰值因子進(jìn)行了研究。

根據(jù)上述研究，文章主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論和建議：

（1）功率和流量對(duì)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(duì)于不同的CHF關(guān)系式計(jì)算的最小DN

BR影響十分明顯，需要根據(jù)對(duì)應(yīng)的軸向功率分布形狀選擇合適的關(guān)系式。

（3）徑向功率分布形狀對(duì)于最小DNBR出現(xiàn)的位置影響十分明顯，需要合理設(shè)計(jì)，盡量避免最小DNBR出現(xiàn)在冷壁。

（4）軸向和徑向功率峰值因子對(duì)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(guò)小。

參考文獻(xiàn)

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