近年來,核能利用日益受到重視,核能發(fā)電總量占總發(fā)電量的比例逐年上升。為了滿足社會高速發(fā)展的需求,核反應堆也面臨著優(yōu)化設計和更新?lián)Q代的問題。開發(fā)高性能新型核燃料棒是改善反應堆熱工水力性能的一個重要研究方向,其中改進核燃料棒幾何形狀的螺旋型燃料棒設計潛力巨大。目前,計算流體力學方法有助于螺旋型燃料棒熱工水力特性研究的開展,且關于結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)對冷卻劑在棒束通道內(nèi)流動與換熱特性影響規(guī)律的研究較少,相關的流動換熱經(jīng)驗關系式（范寧因子和努塞爾數(shù)）也基本處于空白狀態(tài)。因此,本文以螺旋型燃料棒所構(gòu)成的不同燃料組件為基礎,探究結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)對流動與換熱特性的影響規(guī)律,開發(fā)適用于螺旋型燃料棒的流動換熱經(jīng)驗關系式。首先,本文在保持燃料棒裝料體積相等的前提下,將螺旋型燃料棒復雜的截面形狀拆分成由圓弧、直線等簡單的幾何元素組成的幾部分,根據(jù)各個部分之間滿足的幾何關系,通過數(shù)學推導,得到各部分的取值范圍,由此得出了一整套螺旋型燃料棒結(jié)構(gòu)尺寸設計準則。其次,采用數(shù)值模擬方法選取SST k-ω湍流模型研究了過渡半徑RE、螺距h、棒束布置方式和花瓣瓣數(shù)這四項結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃料組件流動換熱特性的影響規(guī)律,通過進出口... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：74 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

螺旋型燃料

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-2-a)四角俯視圖b)三角俯視圖c)燃料棒側(cè)面圖圖1-1螺旋型燃料棒結(jié)構(gòu)示意圖鑒于以上優(yōu)勢，螺旋型燃料棒在微型核反應堆乃至商用壓水堆具備廣闊的應用前景。然而，目前這一新型燃料棒的制造生產(chǎn)技術(shù)尚未普及，造價也相對較高，加之堆芯實驗需要在高溫高壓下進行，具備試驗周期長、費用高的特點，故開展全尺度的螺旋型燃料棒束熱工水力實驗還有很長一段路要走；另外，子通道程序分析的方法無法得到棒束通道內(nèi)部的流嘗溫度場變化。近年來隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算流體力學（簡稱CFD）手段正逐漸用于棒束通道內(nèi)流動與換熱現(xiàn)象研究，并可以獲得較為精確的三維場數(shù)據(jù)和相應規(guī)律。這對將來研究者進行實驗室尺度下的熱工水力實驗具備一定的參考價值。1.2研究現(xiàn)狀對于螺旋型燃料棒的數(shù)值模擬研究和實驗研究主要集中在俄羅斯和美國兩個國家。美國以麻省理工學院（MIT）為代表的的相關研究小組對螺旋型燃料棒進行了較為系統(tǒng)的研究，近幾年國內(nèi)也陸續(xù)有高校和企業(yè)對這一新興方向開展數(shù)值模擬研究，而國內(nèi)的實驗研究目前還處于空白狀態(tài)。目前，世界上對螺旋型燃料棒束通道內(nèi)的研究正處于起步和摸索階段，相應的資料和文獻較少。然而，國內(nèi)外學者對繞絲型燃料棒已經(jīng)進行了大量的研究工作，加之繞絲型燃料棒和螺旋型燃料棒結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，故繞絲型燃料棒的相關研究可以為后者提供參考。1.2.1螺旋型燃料棒的實驗研究俄羅斯早在前蘇聯(lián)時期就嘗試對核燃料的形狀進行優(yōu)化改進，經(jīng)過不斷摸索，發(fā)明了螺旋型燃料棒，掌握了其加工制造技術(shù)，并最終應用于大型反應堆。由于保密和語言的原因，與之相關的大量實驗數(shù)據(jù)一直處于保密狀態(tài)。蘇聯(lián)解體后，圣彼得堡核物理研究所[2]延續(xù)該領域做了大量的研究工作，并先后建立了SM和

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-3-的材料和螺旋型燃料棒的加工工藝有關。這其中就包括，Ageenkow[4]通過實驗的方法研究了燃料元件加工過程中的工藝公差，并給出了其高斯分布，此外其還分析了核燃料材料的熱特性，認為鋁化物有望成為核燃料的一種新的選擇。Diakov[5]和Yu[6]則致力于核燃料中鈾富集度的研究，通過進行中子學計算，認為低鈾富集度的核燃料同樣能夠滿足堆芯的功率要求。俄羅斯研究中心庫恰托夫研究所的Bol’shakov[7]等對VVER-T堆型的螺旋型燃料棒束進行了實驗研究，實驗包括壓降特性和臨界熱流密度兩方面。燃料組件如圖1-2所示，實驗段長度為72cm。從圖中可以看出，實驗所用的螺旋型燃料棒與MIT研究小組設計的螺旋型燃料棒在形狀上有很大的區(qū)別，其幾何參數(shù)由制造技術(shù)、VVER-T反應堆的運行條件以及反應堆組件的中子和物理參數(shù)決定。壓降特性的實驗結(jié)果表明，螺旋型燃料組件的壓降略高于圓棒組件的壓降，但相差不大；臨界熱流密度實驗通過提升冷卻劑入口溫度和棒束的加熱功率來實現(xiàn)，通過大量的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，往往是中心的燃料棒溫度驟生并發(fā)生燒毀現(xiàn)象。并將實驗點與已有的經(jīng)驗關系式進行比較，發(fā)現(xiàn)實驗值高于關系式的計算值。圖1-2壓降特性和臨界熱流密度實驗燃料組件圖[7]美國方面，Conboy[8-12]在研究生階段進行了大量的研究工作，其碩士和博士課題均圍繞螺旋型燃料棒展開，期間發(fā)表了大量的文章。研究內(nèi)容涵蓋燃料棒結(jié)構(gòu)尺寸設計與改良、COSMOS有限元分析、子通道程序的開發(fā)以及小尺度的實驗等多個方面。如圖1-3、1-4所示，MIT研究小組以參考組件為出發(fā)點，以燃料橫截面積（或燃料體積和質(zhì)量）和組件尺寸保證不變、且氫-重金屬原子比（H/HM）接近作為準則，設計了不同橫截面尺寸的螺旋型燃料棒。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Lee相變傳質(zhì)方程中傳質(zhì)系數(shù)取值的分析[J]. 邱國棟,蔡偉華,吳志勇,姜益強,姚楊.  哈爾濱工業(yè)大學學報. 2014(12)
[2]快堆燃料組件棒束通道內(nèi)流動和傳熱現(xiàn)象分析與研究[J]. 劉洋,喻宏,劉一哲.  原子能科學技術(shù). 2014(01)

博士論文
[1]棒束通道單相及兩相流動與傳熱數(shù)值研究[D]. 李小暢.哈爾濱工程大學 2015

碩士論文
[1]大型先進壓水堆燃料組件裂變產(chǎn)物釋放及擴散機理研究[D]. 許銳.上海交通大學 2015
[2]含繞絲燃料組件內(nèi)鉛鉍冷卻劑流動特性的數(shù)值分析[D]. 周振慰.中國科學技術(shù)大學 2014
[3]繞絲組件內(nèi)流動與傳熱數(shù)值模擬[D]. 李崢.哈爾濱工程大學 2013
[4]粘彈性流體強迫各向同性湍流大渦數(shù)值模擬研究[D]. 王璐.哈爾濱工業(yè)大學 2012
[5]快堆單盒燃料組件內(nèi)冷卻劑流場溫度場計算研究[D]. 劉一哲.中國原子能科學研究院 2007



本文編號：2970655