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热管堆固态堆芯典型栅元设计优化

黄永忠 李垣明 李文杰 李权 柴晓明 赵波 唐昌兵

黄永忠, 李垣明, 李文杰, 李权, 柴晓明, 赵波, 唐昌兵. 热管堆固态堆芯典型栅元设计优化[J]. 核动力工程, 2021, 42(6): 87-92. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.06.0087
引用本文: 黄永忠, 李垣明, 李文杰, 李权, 柴晓明, 赵波, 唐昌兵. 热管堆固态堆芯典型栅元设计优化[J]. 核动力工程, 2021, 42(6): 87-92. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.06.0087
Huang Yongzhong, Li Yuanming, Li Wenjie, Li Quan, Chai Xiaoming, Zhao Bo, Tang Changbing. Design and Optimization of Typical Cells of Solid Core for Heat Pipe Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(6): 87-92. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.06.0087
Citation: Huang Yongzhong, Li Yuanming, Li Wenjie, Li Quan, Chai Xiaoming, Zhao Bo, Tang Changbing. Design and Optimization of Typical Cells of Solid Core for Heat Pipe Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(6): 87-92. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.06.0087

热管堆固态堆芯典型栅元设计优化

doi: 10.13832/j.jnpe.2021.06.0087
详细信息
    作者简介:

    黄永忠(1993—),男,工程师,从事核燃料研发与性能分析研究,E- mail: thuhyz10@126.com

    通讯作者:

    李文杰,E-mail: lwj280@163.com

  • 中图分类号: TL352.2+2

Design and Optimization of Typical Cells of Solid Core for Heat Pipe Reactor

  • 摘要: 热管堆固态堆芯设计是影响堆芯传热性能和结构完整性的关键问题。为避免固态堆芯设计中间隙热阻导致的温度和应力过大,本文建立了四种堆芯典型栅元的三维热力学模型,对不同填充物下间隙尺寸和栅元截面尺寸等关键参数进行了优化分析。结果表明,尽管高热导率的液态钠填充装配间隙能够有效降低燃料包壳和芯块温度,但热应力反而可能增大;圆管插入液态钠方案的热力学性能最优;固态堆芯方案中,六角管拼接氦气填充方案的热力学性能最优。

     

  • 图  1  4种堆芯典型栅元示意图

    Figure  1.  Schematic Diagram of Typical Cells of Four Reactor Core Designs

    图  2  边界条件设置示意图

    Figure  2.  Schematic Diagram of Setting of Boundary Conditions      

    图  3  AISI 316不锈钢的屈服强度与温度关系

    Figure  3.  Relationship between the Yield Strength and Temperature of AISI 316 Stainless Steel

    图  4  优化分析流程示意图

    Figure  4.  Schematic Diagram of Optimization Analysis Process        

    图  5  方案d最大第一主应力和温度计算结果

    Figure  5.  Calculated Results of Maximum First Main Stress and Temperature of Method d

    表  1  输入参数

    Table  1.   Input Parameters

    燃料棒最大线功率密度/(kW·m−14.08
    燃料芯块直径/mm14.12
    燃料包壳内径(r1)/mm14.185
    燃料包壳外径(r2)/mm15.185
    热管壁厚/mm1
    热管外径(r3)/mm15.185
    热管内壁面温度/℃675
    活性区高度/mm1500
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    表  2  优化变量

    Table  2.   Optimization Variables

    方案r2/mm装配间隙/mmr3/mm基体厚度/mm
    a 15.185~16.185 0.1~0.3 r2
    b 0.1~0.3 15.185 1~2
    c 15.185~16.185 0.1~0.3 r2 1~2
    d 15.185~16.185 0 r2 0.1~2
      “—”表示无此项
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    表  3  典型栅元设计优化结果

    Table  3.   Optimization Results of Typical Cell Design

    方案优化变量芯块包壳/基体结构
    a


    填充物燃料包壳外径/mm装配间隙/mm最高温度/℃σ/MPa最高温度/℃σ0.2/MPaσ0.2
    氦气16.1850.1091045.277990.360.50
    液态钠16.1850.1885168.172399.320.69
    氟化盐16.1850.2489746.076792.280.50
    b


    填充物基体厚度/mm装配间隙/mm最高温度/℃σ/MPa最高温度/℃σ0.2
    /MPa
    σ0.2
    氦气2.000.1595142.281584.620.50
    液态钠1.190.3085470.772698.790.72
    氟化盐1.810.3091945.678589.480.51
    c


    填充物燃料包壳外径/mm装配间隙/mm基体厚度/mm最高温度/℃σ/MPa最高温度/℃σ0.2
    /MPa
    σ0.2
    氦气16.1850.102.0094950.780586.200.59
    液态钠16.0770.231.3985777.172499.160.78
    氟化盐16.1200.101.6288962.975294.680.66
    d
    填充物燃料包壳外径/mm填充间隙/mm最高温度/℃σ/MPa最高温度/℃σ0.2
    /MPa
    σ0.2
    液态钠16.1852.0084329.5705102.260.29
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-29
  • 修回日期:  2020-11-17
  • 刊出日期:  2021-12-09

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