【摘要】：由于具有可提高燃料轉(zhuǎn)換比等優(yōu)點,緊密柵結(jié)構(gòu)的燃料元件被廣泛應(yīng)用于一些現(xiàn)有及概念設(shè)計堆型中。與柵徑比較大的棒束結(jié)構(gòu)相比,緊密柵棒束內(nèi)存在明顯的溫度分布沿周向不均勻性。由于包殼溫度是反應(yīng)堆熱工設(shè)計的重要指標(biāo),有必要對緊密柵棒束內(nèi)換熱沿周向分布的規(guī)律特點進行研究,并開發(fā)可以對燃料棒內(nèi)溫度沿周向分布的情況進行預(yù)測的計算工具。在對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,本文對棒束內(nèi)周向傳熱不均勻性這一現(xiàn)象的研究路線可概括為:建立針對該現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型并進行理論分析——在理論分析的基礎(chǔ)上歸納影響該現(xiàn)象的無量綱數(shù)——以CFD方法對不同工況進行參數(shù)分析——確定描述傳熱沿周向不均勻性的經(jīng)驗關(guān)系式——建立三維的燃料棒模型,將周向?qū)崮Ｐ鸵胱油ǖ莱绦颉Ｕ撐牡墓ぷ髦饕ㄒ韵聨追矫?(1)在一定假設(shè)和簡化的基礎(chǔ)上,從基本守恒方程出發(fā)求解棒束內(nèi)溫度分布的半解析解;(2)推導(dǎo)影響棒束內(nèi)溫度分布的無量綱數(shù),以此為基礎(chǔ)并結(jié)合半解析解的形式提出了局部換熱系數(shù)沿包殼表面分布的經(jīng)驗關(guān)系式的基本形式,并通過CFD計算確定經(jīng)驗關(guān)系式中的待定系數(shù);(3)采用上述經(jīng)驗關(guān)系式作為邊界條件,開發(fā)了子通道程序的非均勻燃料模型,并將其應(yīng)用于不同堆型的子通道分析中。本文的主要結(jié)論為:(1)對于流體為常物性的情況,局部換熱系數(shù)和包殼溫度沿周向的分布近似于余弦分布,子通道內(nèi)窄縫附近的溫度要高于中心區(qū)域的溫度;(2)局部換熱系數(shù)的分布受柵徑比的影響較大,由于包殼對于周向溫度展平的重要性,包殼與流體導(dǎo)熱系數(shù)之比對換熱系數(shù)的分布也有影響,當(dāng)流體的普朗特數(shù)較低時,換熱的周向不均勻性隨普朗特數(shù)的減小迅速增強;(3)在引入非均勻燃料棒模型后,新的子通道程序有能力對燃料棒內(nèi)溫度沿周向的變化趨勢進行預(yù)測,計算結(jié)果與現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)吻合較好。本文旨在開發(fā)一種計算方法來改造現(xiàn)有子通道程序,使之可以計算緊密柵內(nèi)溫度沿周向分布不均勻性,對后續(xù)的先進反應(yīng)堆熱工水力分析及程序開發(fā)研究有一定啟發(fā)意義。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TL352
【圖文】：

燃料冷卻劑圖1-1 壓水堆正方形燃料組件示意圖Fig.1-1 Square fuel assembly in PWR圖1-2 燃料棒橫截面示意圖Fig.1-2 Cross section of fuel rod緊密柵組件內(nèi)的流動與傳熱機理非常復(fù)雜。當(dāng)組件的柵徑比較小時，流道間的橫向流動和交混就變得非常明顯，而這種橫向流動與子通道間冷卻劑流體之間的動量和能量交換密切相關(guān)。Hooper 等人[6-9]曾觀察到在相鄰?fù)ǖ篱g的窄縫區(qū)域流體的軸向、橫向速度分布存在類周期性的脈動現(xiàn)象。Meyer 等[10-13]認為，這種類周期性脈動流產(chǎn)生的原因與二次流的關(guān)系較小，主要是由湍流結(jié)構(gòu)決定，在窄縫兩側(cè)穩(wěn)定交替產(chǎn)生且旋向相反的大尺度渦結(jié)構(gòu)是這一現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因。這種棒束內(nèi)湍流的周期性波動會使湍流運動

圖1-7 子通道劃分Fig.1-7 Configuration of sub-channels圖1-8 燃料棒與子通道Fig.1-8 Fuel rod and sub-channels如前文所述，在燃料組件內(nèi)換熱沿燃料棒周向存在不均勻性，且通常這種不均勻性隨著柵徑比的減小而加劇。通常認為當(dāng)柵徑比大于 1.3 時這種不均勻性可以忽略，因此對于傳統(tǒng)的堆型如壓水堆和沸水堆，現(xiàn)有程序的燃料棒模型所作出的忽略周向溫度變化的假設(shè)是合理的。但對于采用緊密柵結(jié)構(gòu)的燃料棒而言，不同周向位置的包殼溫度可能

DU）作為增殖區(qū)材料。SCWR-M 堆芯及組件的具體設(shè)計參數(shù)可參見文獻[34]。(a) 熱譜區(qū)組件 (b) 快譜區(qū)組件圖1-12 混合能譜超臨界水冷堆熱譜、快譜燃料組件示意圖[34]Fig.1-12 Fuel assembly structures of thermal zone and fast zone in SCWR-M[34]前文所述的幾種新型水冷堆的快譜設(shè)計和液態(tài)金屬堆都采用了緊密柵結(jié)構(gòu)，其中新型水冷堆的柵徑比列于表 1-2.表1-2 幾種新型水冷堆的柵徑比Table1-2 p/d of advanced water-cooled reactors堆型 SCWR[29, 33, 35-43]HCPWR[30]RMWR[31]冷卻劑 水 水 水柵徑比 1.10-1.40 1.05-1.20 1.101.3 研究現(xiàn)狀1.3.1 理論與數(shù)值研究1.3.1.1 理論研究上世紀 60 年代至 80 年代，國外開展了很多針對液態(tài)金屬快堆棒束流動與換熱特性的研究[44]。由于液態(tài)金屬具有高熱導(dǎo)率和低比熱容的特性，其貝克萊數(shù)（Pe）較低。在假設(shè) Pe 趨近于零的基礎(chǔ)上，文獻[45]將流體的能量方程進行化簡，得到了無限大棒束內(nèi)溫度場的半解析解，該半解析解給出了燃料、氣隙和流體區(qū)域的溫度分布以及包殼表面

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