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基于在线耦合的球形燃料元件温度场计算

顾晨 贺亚男 邓超群 巫英伟 章静 田文喜 苏光辉 秋穗正

顾晨, 贺亚男, 邓超群, 巫英伟, 章静, 田文喜, 苏光辉, 秋穗正. 基于在线耦合的球形燃料元件温度场计算[J]. 核动力工程, 2023, 44(1): 79-88. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.01.0079
引用本文: 顾晨, 贺亚男, 邓超群, 巫英伟, 章静, 田文喜, 苏光辉, 秋穗正. 基于在线耦合的球形燃料元件温度场计算[J]. 核动力工程, 2023, 44(1): 79-88. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.01.0079
Gu Chen, He Yanan, Deng Chaoqun, Wu Yingwei, Zhang Jing, Tian Wenxi, Su Guanghui, Qiu Suizheng. Temperature Field Calculation of Spherical Fuel Element Based on Online Coupling[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(1): 79-88. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.01.0079
Citation: Gu Chen, He Yanan, Deng Chaoqun, Wu Yingwei, Zhang Jing, Tian Wenxi, Su Guanghui, Qiu Suizheng. Temperature Field Calculation of Spherical Fuel Element Based on Online Coupling[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(1): 79-88. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.01.0079

基于在线耦合的球形燃料元件温度场计算

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.01.0079
基金项目: 国家自然科学基金项目(U20B2013)
详细信息
    作者简介:

    顾 晨(1997—),女,硕士研究生,现主要从事核反应堆热工水力研究,E-mail: 1002337442@qq.com

    通讯作者:

    贺亚男,E-mail: heyanan@xitu.edu.cn

  • 中图分类号: TL424

Temperature Field Calculation of Spherical Fuel Element Based on Online Coupling

  • 摘要: 由于三层各向同性(TRISO)颗粒弥散型燃料元件结构复杂且其材料性能随着辐照水平不断变化,不同燃耗下燃料元件的等效热导率不易确定。本研究基于COMSOL软件完成了TRISO颗粒性能分析程序开发,并与BISON程序预测值进行了对比分析。随后,基于COMSOL软件与MATLAB联合仿真建立了球形燃料元件等效热导率的计算方法,实现了球形燃料元件和TRISO颗粒模型间的在线耦合计算。在此基础上,获得了不同边界温度、燃耗条件下燃料元件径向等效热导率分布及温度场分布。计算结果表明,快中子注量达到3×1025 m–2时,TRISO等效导热率下降约20%,燃料等效热导率下降约15 W/(m·K)。为了验证本研究方法的有效性,用微分-有效介质理论模型(D-EMT)计算燃料的等效导热率,得到的球形燃料中心温度预测值相比本研究方法的预测值低约25 K。本文研究方法更能真实反映球形燃料元件在反应堆内的温度场变化。

     

  • 图  1  石墨热导率随中子注量及温度变化图

    Figure  1.  The Thermal Conductivity of Graphite versus Fast Neutron Fluence and Temperature

    图  2  TRISO燃料颗粒温度径向分布

    Figure  2.  Radial Temperature Distribution of TRISO Fuel Particles         

    图  3  裂变气体释放量及气隙气压

    Figure  3.  Fission Gas Release and Air Gap Pressure

    图  4  SiC层、IPyC层和OPyC层内表面最大切向应力

    Figure  4.  Maximum Tangential Stress on the Inner Surface of SiC Layer, IPyC Layer and OPyC Layer

    图  5  Buffer外表面和IPyC内表面位移及层间间隙变化

    Figure  5.  Displacement of Outer Surface of Buffer and Inner Surface of IPyC and Change of Interlayer Gap

    图  6  在线耦合算法流程

    Figure  6.  Process of the Online Coupling Algorithm

    图  7  在线耦合算法模型示意图

    Figure  7.  Schematic Diagram of the Algorithm

    图  8  包覆燃料颗粒模拟模型及网格划分(单位:μm)

    Figure  8.  Simulation Model and Mesh Generation of Coated Fuel Particles

    图  9  球形燃料元件模拟模型及网格划分(单位:mm)

    Figure  9.  Simulation Model and Mesh Generation of Spherical Fuel        

    图  10  TRISO包覆层最大切向应力的网格敏感性分析

    Figure  10.  Mesh Sensitivity Analysis of Maximum Tangential Stress for Coating of TRISO

    图  11  子区1TRISO颗粒的Buffer层和IPyC层的层间气隙变化       

    Figure  11.  Variation of Interlayer Air Gap between Buffer Layer and IPyC Layer of TRISO Particles in Sub-area 1

    图  12  子区1、5TRISO颗粒的Buffer-IPyC层层间气隙气压变化

    Figure  12.  Inner Pressure Histories of Buffer-IPyC in Representative TRISO Particle in Sub-area 1 and 5

    图  13  子区1、5TRISO颗粒SiC层、IPyC层和OPyC层的最大切向应力

    Figure  13.  Maximum Tangential Stress of SiC Layer, IPyC Layer and OPyC Layer of TRISO Particles in Sub-areas 1 and 5

    图  14  子区1、5TRISO颗粒中心温度变化

    Figure  14.  Variation of Center Temperature of TRISO Particles in Sub-areas 1 and 5

    图  15  燃耗末期各子区TRISO颗粒的温度分布

    Figure  15.  Temperature Distribution of TRISO Particles in Each Sub-area at the End of Burnup

    图  16  不同燃耗下子区TRISO颗粒等效热导率变化

    Figure  16.  Variation of Equivalent Thermal Conductivity of TRISO Particles in Each Sub-area under Different Burnup

    图  17  不同燃耗下燃料区等效热导率变化

    Figure  17.  Variation of Equivalent Thermal Conductivity in Fuel Areas under Different Burnup

    图  18  不同燃耗下球形燃料的温度分布变化

    Figure  18.  Variation of Temperature Distribution of Spherical Fuel under Different Burnup      

    表  1  材料物性参数

    Table  1.   Thermal and Mechanical Properties of TRISO

    材料 密度/(kg·m-3) 杨氏模量/GPa 泊松比 热膨胀系数/10−6 K−1
    UO2 11000 220 0.34 10
    Buffer 1000 20 0.23 5.7
    PyC 1900 47 0.23 5.7
    SiC 3180 340 0.13 4.9
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-25
  • 修回日期:  2022-10-29
  • 刊出日期:  2023-02-15

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