任春明 黃慧劍 邱志方
【摘 要】為改善燃料組件的吊裝性能、提高其抗彎性能,秦山二期、遼寧紅沿河一期、福清核電一期和海南昌江等一系列核電廠將在首循環(huán)或后續(xù)循環(huán)采用改進(jìn)型格架的AFA 3G燃料組件。在對熱工水力和安全分析的影響方面,現(xiàn)行堆芯最小DNBR計(jì)算方法的適用性是安審中心重點(diǎn)關(guān)注問題之一。本文以秦山第二核電廠1&2號機(jī)組長循環(huán)燃料管理論證為參考,分析名義工況和典型事故工況下,采用改進(jìn)型定位格架AFA 3G燃料組件對堆芯最小DNBR的影響。
【關(guān)鍵詞】秦山第二核電廠;長燃料循環(huán);改進(jìn)型格架;DNBR
0 引言
為改善燃料組件的吊裝性能、提高其抗彎性能,AREVA公司設(shè)計(jì)推出了改進(jìn)型定位格架。AREVA以后的供貨中將不再提供標(biāo)準(zhǔn)格架的條帶。秦山二期、遼寧紅沿河一期、福清核電一期和海南昌江等一系列核電廠將在首循環(huán)或后續(xù)循環(huán)采用改進(jìn)型格架的AFA 3G燃料組件。中國核動(dòng)力院就該改進(jìn)項(xiàng)對反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的各方面影響進(jìn)行了研究分析。在對熱工水力和安全分析的影響方面,現(xiàn)行堆芯最小DNBR計(jì)算方法的適用性是安審中心重點(diǎn)關(guān)注問題之一。
目前,國內(nèi)各壓水堆核電站熱工水力設(shè)計(jì)中,采用一種典型的堆芯子通道劃分和徑向功率分布,即假設(shè)熱組件在堆芯中心,熱棒在熱組件中心。而改進(jìn)型定位格架AFA 3G燃料組件,相對標(biāo)準(zhǔn)AFA 3G燃料組件其總阻力系數(shù)不變,內(nèi)部柵元阻力系數(shù)減小約3%,而邊角柵元阻力系數(shù)增大約30%,這將不利于邊角柵元的DNBR。國內(nèi)外核電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)采用可燃毒物時(shí),存在熱棒出現(xiàn)在邊角柵元的可能性。因此,安審中心對采用改進(jìn)型定位格架AFA 3G,假設(shè)熱棒發(fā)生在組件邊角柵元時(shí),采用現(xiàn)行方法計(jì)算的堆芯最小DNBR是否仍然適用提出了質(zhì)疑。
本文以秦山第二核電廠1&2號機(jī)組長循環(huán)燃料管理論證為參考,分析名義工況和典型事故工況下,采用改進(jìn)型定位格架AFA 3G代替標(biāo)準(zhǔn)AFA 3G燃料組件對堆芯最小DNBR的影響。
1 改進(jìn)型格架描述
2000年以來的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋顯示,燃料組件裝卸料操作過程中的格架破損增多。為改善燃料組件的吊裝性能、提高其抗彎性能,AREVA公司設(shè)計(jì)推出了改進(jìn)型定位格架。
改進(jìn)型定位格架相對標(biāo)準(zhǔn)AFA 3G格架主要有如下改進(jìn):
1)增加了外條帶上部導(dǎo)向翼數(shù)量,增加了外條帶導(dǎo)向翼寬度;
2)內(nèi)條帶端部設(shè)置了外條帶導(dǎo)向翼的支撐結(jié)構(gòu),改進(jìn)了外圍燃料棒限位剛凸;
3)外條帶上開孔;
4)去掉導(dǎo)向管柵元條帶下部的開槽,減小焊舌長度,減小所有內(nèi)條帶上裝配槽的寬度。
2 計(jì)算程序
本文計(jì)算分析采用的程序是FLICA III-F3.4。
FLICA程序由法國CEA研制,可以描述在分離通道內(nèi)或相連通道內(nèi)流體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和瞬態(tài)流動(dòng),用于采用棒束加熱元件的各種反應(yīng)堆和實(shí)驗(yàn)回路的熱工水力分析。
2.1 模型簡介
該程序采用的坐標(biāo)系由Oz軸和Or軸組成,Oz軸與通道軸線平行,而Or軸與子通道間的交界面相垂直。這種坐標(biāo)系使它可能不限于矩形幾何形狀。
通道實(shí)質(zhì)上用橫截面積、水力直徑、加熱周長來表示。子通道之間的聯(lián)系主要取決于間隙寬度、表征橫向流阻力的水力直徑以及用來計(jì)算界面上各物理值導(dǎo)數(shù)的耦合特性長度。
任何一個(gè)通道都可以加上一個(gè)給定的熱流密度,每個(gè)通道熱流密度的軸向分布可相同,也可以不相同。
邊界條件是:
(1)規(guī)定的進(jìn)口壓力或出口壓力;
(2)規(guī)定的進(jìn)口流量分配或進(jìn)出口之間的壓降;
(3)給定的進(jìn)口比焓分布或進(jìn)口流體溫度。
2.2 臨界熱流密度關(guān)系式
FLICA程序包含F(xiàn)C、WRB-1和W-3等臨界熱流密度關(guān)系式。
本文計(jì)算中采用的關(guān)系式是FC關(guān)系式。
FC關(guān)系式是專門根據(jù)在有和沒有跨間攪混格架的FRAMATOME 17×17燃料組件上試驗(yàn)得到的臨界熱流密度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開發(fā)的。根據(jù)局部流體條件,這個(gè)關(guān)系式能直接考慮典型柵元和導(dǎo)向管冷壁柵元的影響,均勻和非均勻熱流密度分布,以及棒加熱長度和格架間距的變化。
變量的適用范圍如下:
壓力:2.07MPa~17.06MPa;
局部質(zhì)量流速:930kg/m2.s~4790kg/m2.s;
局部含汽率:-22%~+44%。
3 計(jì)算工況和主要假設(shè)
已有相關(guān)敏感性分析研究結(jié)果表明,熱通道的最小DNBR相對全堆芯徑向功率分布(對相同的F N ?駐H值)而言是不明感的。因此,本文中相關(guān)計(jì)算仍假設(shè)熱組件在堆芯中心,只修改熱組件及相鄰3個(gè)組件的棒束功率分布等假設(shè),其余計(jì)算條件保持一致。
本文根據(jù)不同燃料組件和熱棒位置的不同組合,計(jì)算以下四種工況時(shí)的堆芯DNBR:
(1)工況A:AFA 3G燃料組件,熱棒在熱組件中心;
(2)工況B:AFA 3G燃料組件,熱棒在熱組件角柵元;
(3)工況C:改進(jìn)型定位格架AFA 3G燃料組件,熱棒在熱組件中心;
(4)工況D:改進(jìn)型定位格架AFA 3G燃料組件,熱棒在熱組件角柵元。
3.1 燃料組件
改進(jìn)型定位格架AFA 3G燃料組件相對AFA 3G燃料組件的主要是機(jī)械性能方面的改進(jìn),其對熱工水力方面的影響主要體現(xiàn)在格架局部阻力系數(shù)的改變。
(1)總體阻力系數(shù)保持不變;
(2)局部阻力系數(shù)(導(dǎo)向管柵元、典型柵元、邊柵元、角柵元)取值及與原AFA3G燃料組件對應(yīng)系數(shù)的比較如下(表1):
3.2 通道劃分及徑向功率分布
FLICA程序進(jìn)行堆芯熱工水力性能分析時(shí),將堆芯劃分為若干子通道。通道劃分對通道類型及大小并沒有嚴(yán)格的限制,可以根據(jù)計(jì)算需要作不同的劃分。因此,子通道可以是一個(gè)典型柵元或?qū)蚬軚旁瑤讉€(gè)柵元的組合,也可以是一個(gè)組件或幾個(gè)組件的組合。
圖1給出目前熱工水力分析采用的一種典型的堆芯子通道劃分示意圖。為求得中心熱組件的熱工水力參數(shù),特別是堆芯最小DNBR,劃分通道時(shí)將中心組件做了精細(xì)劃分。
假設(shè)熱棒在組件角柵元時(shí),則在角柵元附近做了詳細(xì)通道劃分,如圖2所示。
堆芯組件徑向功率分布保持一致,只修改熱組件及相鄰3個(gè)組件的棒束徑向功率分布。修改原則如下:
(1)熱棒功率均為1.60;
(2)熱組件相鄰3個(gè)組件均采用熱組件平均功率。
假設(shè)熱棒在熱組件角柵元時(shí),還保守假設(shè)熱組件3個(gè)相鄰組件的角柵元棒束功率也采用1.60。法瑪通公司根據(jù)實(shí)際熱工水力設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明,這一假設(shè)將帶來約12%的焓升影響(約20%的最終DNBR值影響)。
最終,這些假設(shè)的功率分布將通過相關(guān)專業(yè)的燃料管理進(jìn)行驗(yàn)證。
3.3 名義工況和典型事故工況
不同燃料組件和熱棒位置的DNBR影響分析中,典型事故選取如下:
(1)落棒事故;
(2)次臨界提棒事故;
(3)失流事故。
4 計(jì)算結(jié)果及分析
各工況最小DNBR計(jì)算結(jié)果如表2所示。
從表2可以看出:
(1)對于AFA 3G燃料組件,各工況下熱棒在熱組件中心較熱棒在角柵元時(shí)的最小DNBR小;
(2)采用改進(jìn)型格架AFA 3G燃料組件、熱棒在角柵元時(shí)的堆芯最小DNBR與采用AFA 3G燃料組件、熱棒在中心時(shí)的相比差異較?。?lt;1%,如名義工況、落棒和失流事故時(shí)),或具有較大的最小DNBR值(如次臨界提棒軸事故時(shí));同時(shí),仍滿足事故分析限值準(zhǔn)則要求。
對于工況A和工況D的比較結(jié)果,雖然工況D名義工況和全失流事故工況下的堆芯最小DNBR較工況A的小,但差異較?。?lt;1%)。而在工況D的計(jì)算中考慮“熱組件3個(gè)相鄰組件的角柵元棒束功率也采用1.60”這一假設(shè)足夠抵消這一差異。因此,即時(shí)采用改進(jìn)型定位格架AFA 3G燃料組件代替標(biāo)準(zhǔn)AFA 3G燃料組件,在熱工水力設(shè)計(jì)中采用AFA 3G燃料組件參數(shù)、典型的堆芯子通道劃分和徑向功率分布的方式得到的結(jié)果是適用的。
5 結(jié)論
本文以秦山第二核電廠1&2號機(jī)組長循環(huán)燃料管理論證為參考,分析了名義工況和典型事故工況下,采用改進(jìn)型定位格架AFA 3G或標(biāo)準(zhǔn)AFA 3G燃料組件,熱棒在熱組件中心或角柵元四種情況下的堆芯最小DNBR。分析結(jié)果表明,現(xiàn)行的采用AFA3G燃料組件參數(shù)、假設(shè)熱棒在熱組件中心得到的堆芯最小DNBR結(jié)果是否仍然適用的。
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