国产新锆合金辐照考验小组件初步热工水力性能分析

【摘 要】本文以子通道热工水力分析程序COBRA-IV为计算工具，分析了预计在中国先进研究堆（CARR）高温高压回路上进行辐照考验的国产新锆合金考验小组件的稳态热工水力性能。计算了各种稳态工况下考验小组件的最小偏离泡核沸腾比（MDNBR），通过MDNBR来初步确定了考验小组件运行时的平均线功率及冷却剂的入口温度。

【关键词】辐照考验；国产新锆合金；热工水力分析

0 引言

目前考验小组件的初步设计已由参研单位设计完成，考验小组件的结构布置，是从CAP1400压水堆燃料组件取出具有代表性的一个小单元。考验组件中有12根燃料棒，4根控制棒导向管。燃料棒中心距、燃料棒的结构尺寸等采用CAP1400的燃料棒结构及外形尺寸，但燃料棒长度减少，其中活性段长度为800mm。小组件两端设两个定位格架，活性段设两个搅浑格架。辐照考验小组件设置在辐照装置内，小组件由锆元件方形盒包裹，并由吊架管组件定位。合理设计辐照装置使辐照考验小组件活性段正好位于辐照孔道的活性区。

采用高温高压回路进行辐照考验小组件的辐照考验，考验目标是在2018年中期燃耗达到30GWd/tU。在时间一定的条件下要实现目标燃耗，只能尽可能提高考验小组件的运行功率。但小组件运行功率的提高受到热工水力条件的限制。因此需要对辐照考验小组件展开热工水力性能分析以确定小组件运行的功率限值。初步热工水力性能分析针对不同的运行工况进行计算，确定该工况下小组件的最小偏离泡核沸腾比（MDNBR），通过MDNBR来初步判断小组件在某一功率下运行是否满足安全准则，从而确定小组件的最大运行线功率。

本次热工水力分析采用的是COBRA-IV程序。该程序既能够模拟稳态条件下轻水堆堆芯或者燃料组件的热工水力参数，也能够模拟由于反应堆堆芯功率、冷却剂入口焓值、冷却剂入口质量流量以及冷却剂出口压力等因素的变化所引起的反应堆热工水力瞬态响应。

1 设计输入

1.1 分析模型

因为考验小组件外部包围锆元件方形盒，本次计算针对元件方形盒内部的控制体进行计算分析。并假定锆元件方形盒是绝热的，这样考验小组件所产生的热量全部由冷却剂带出辐照装置，计算结果会偏保守，安全性更高。考验小组件中冷却剂通道和燃料棒的编号如图1所示。考验组件中有12根燃料棒，4根控制棒导向管。

图1 考验组件中通道及燃料棒的编号

1.2 物理分析结果

考验燃料燃料棒的功率分布如表1所示。

表1 考验小组件中燃料棒功率

该功率分布下小组件的平均线功率为27.5kW/m，总功率为264kW。在试算过程中，通过输入一个倍数因子的方法得到不同的组件线功率及总功率。整个试算过程中组件功率分布趋势一直保持不变。

1.3 运行参数

确定如下热工水力输入参数：

（3）冷却剂流速要求为4.5～5m/s，考虑在考验过程中冷却剂的密度会下降，导致冷却剂在流过小组件时由于密度的下降导致流速上升，所以选冷却剂的入口流速为4.5m/s，所以对应冷却剂体积流量为25.84m3/h；

（4）设定活性段出口冷却剂压力为15.5MPa。

1.4 其他输入参数

（1）定位格架位置及定位格架系数

小组件定活性段有两层定位格架，定位格架距离活性段入口的距离分别为240mm和540mm，定位格架形阻系数假定为1.0；

（2）临界热流密度计算公式选用W-3公式。

2 稳态热工水力分析结果

在热工计算过程中，冷却剂的入口温度、流量、功率分布以及系统压力等参数是作为已知边界条件的，而冷却剂的出口温度必然受到组件功率的影响。因此稳态热工水力分析通过选取不同的热功率，在特定的冷却剂流量的条件下确定不同入口水温所对应的出口冷却剂温度及MDNBR。

2.1 小组件平均线功率密度为27.5kW/m计算结果

程序中功率倍数因子设为1，则小组件平均线功率密度为27.5kW/m，组件总功率为264kW，在此功率水平下计算不同冷却剂入口温度所对应的出口温度及MDNBR计算结果如表2所示。

表2 组件平均线功率为27.5kW/m计算结果

表3 组件平均线功率为31kW/m计算结果

2.2 小组件平均线功率密度为31kW/m计算结果

程序中功率倍数因子设为1.1273，则小组件平均线功率密度为31kW/m，组件总功率为297.65kW，在此功率水平下计算不同冷却剂入口温度所对应的出口温度及MDNBR计算结果如表3所示。

3 总结

通过计算可以得出如下结论：

（1）在功率不变的情况下，MDNBR随着入口水温的增加而降低；

（2）线功率为31kW/m时，MDNBR均不满足MDNBR限值要求；

（3）既要满足线功率要求，又要满足冷却剂温度的要求，需要对最初的辐照方案重新进行修正。