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铅铋冷却紧密栅内环形燃料棒外周向温度分布不均匀性研究

曾付林 张小龙 赵鹏程

曾付林, 张小龙, 赵鹏程. 铅铋冷却紧密栅内环形燃料棒外周向温度分布不均匀性研究[J]. 核动力工程, 2023, 44(6): 95-103. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0095
引用本文: 曾付林, 张小龙, 赵鹏程. 铅铋冷却紧密栅内环形燃料棒外周向温度分布不均匀性研究[J]. 核动力工程, 2023, 44(6): 95-103. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0095
Zeng Fulin, Zhang Xiaolong, Zhao Pengcheng. Study on Circumferential Non-Uniformity of Annular Fuel Outer Temperature Distribution in Lead-bismuth Cooled Tight Cell[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(6): 95-103. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0095
Citation: Zeng Fulin, Zhang Xiaolong, Zhao Pengcheng. Study on Circumferential Non-Uniformity of Annular Fuel Outer Temperature Distribution in Lead-bismuth Cooled Tight Cell[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(6): 95-103. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0095

铅铋冷却紧密栅内环形燃料棒外周向温度分布不均匀性研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0095
基金项目: 国家自然科学基金( U21B2059);国防科工局核能开发科研项目(cosSYST 等热工水力计算分析软件的自主化研发与示范应用)
详细信息
    作者简介:

    曾付林(2002—),男,在读本科生,现从事先进反应堆物理与热工安全分析研究,E-mail: 3077819552@qq.com

    通讯作者:

    赵鹏程 ,E-mail: pengcheng.zhao@usc.edu.cn

  • 中图分类号: TL33

Study on Circumferential Non-Uniformity of Annular Fuel Outer Temperature Distribution in Lead-bismuth Cooled Tight Cell

  • 摘要: 对于采用紧密排布结构的反应堆,分析燃料棒外包壳周向温度分布不均匀性对防止包壳热应力失效尤为重要。本文采取理论分析模型和数值拟合模型结合的方式,得出了在稳态工况下铅铋冷却紧密栅内环形燃料棒外周向温度分布的数值拟合式,并与计算流体动力学(CFD)数值模拟数据进行了对比。结果表明,本文得出的数值拟合式具有良好的准确性,可为采用环形燃料元件的铅铋反应堆的燃料包壳周向温度分析研究提供理论依据。

     

  • 图  1  1/8燃料元件方型栅元

    Figure  1.  One-eighth of the Fuel Element Square Cell

    图  2  微元示意图

    Figure  2.  Schematic Diagram of Infinitesimal

    图  3  网格示意图

    Figure  3.  Meshing Diagram

    图  4  网格敏感性分析

    Figure  4.  Mesh Sensitivity Analysis

    图  5  无量纲温度分布

    Figure  5.  Dimensionless Temperature Distribution

    图  6  坐标变换后的无量纲温度分布

    Figure  6.  Dimensionless Temperature Distribution after Coordinate Transformation

    图  7  拟合式结果与数值计算结果的对比

    Figure  7.  Comparison of Fitting Results and Numerical Calculation Results

    表  1  环形燃料初始几何尺寸设计参数

    Table  1.   Design Parameters of Initial Geometric Dimensions of Annular Fuel

    参数名 参数值/mm
    内包壳内径 8.33
    内包壳外径 9.48
    燃料芯块内径 9.60
    燃料芯块外径 13.75
    外包壳内径 13.88
    外包壳外径 15.52
    有效加热长度 1000
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    表  2  材料物性参数

    Table  2.   Physical Properties of the Material

    物性参数 间隙 芯块 包壳
    氦气 烧结UO2 T91钢
    密度/(kg·m−3) 2.425 10994 7700
    导热系数/(W·m−1·K−1) 0.51 3.9192 26
    比热容/(J·kg−1·K−1) 5191 307 622
    粘度/(Pa·s) 3.78×10−5
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    表  3  拟合结果的各项参数

    Table  3.   Parameters of Fitting Results

    组别 常数项系数C 一次项系数B 二次项系数A 拟合度R2
    p/d=1.03 −0.03659 0.23404 0.07151 0.99979
    p/d=1.05 −0.02619 0.19275 0.05096 0.99975
    p/d=1.07 −0.01846 0.15193 0.03685 0.99983
    p/d=1.09 −0.01848 0.12960 0.02638 0.99988
    p/d=1.11 −0.00960 0.11142 0.02010 0.99992
    Rc=14.52 mm −0.02901 0.18997 0.05643 0.99956
    Rc=16.52 mm −0.01546 0.13663 0.02948 0.99983
    Rc=17.52 mm −0.01312 0.12912 0.02471 0.99986
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    表  4  栅径比对系数拟合效果

    Table  4.   Fitting Results of Cell-diameter Ratio and Coefficient        

    系数 拟合表达式 拟合度R2
    C $ 0.30845p/d-0.351905 $ 0.90726
    B $669065.03919\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(-14.6864\cdot p/d)+0.05503$ 0.99513
    A $ 0.11908{(p/d)}^{-17.32026} $ 0.99959
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    表  5  燃料芯块半径和包壳半径比对系数拟合效果

    Table  5.   Fitting Results of Fuel Pellet Radius-Cladding Radius Ratio and Coefficient

    系数 拟合表达式 拟合度R2
    C $ 0.00993-1.06709\times {10}^{-8}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(15.08359\cdot {R}_{\mathrm{f}}/{R}_{\mathrm{c}}) $ 0.99172
    B $ -0.03427+2.96977\times {10}^{-7}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(13.0482\cdot {R}_{\mathrm{f}}/{R}_{\mathrm{c}}) $ 0.99988
    A $ -0.01675-2.95668\times {10}^{-7}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(12.3725\cdot {R}_{\mathrm{f}}/{R}_{\mathrm{c}}) $ 0.99733
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    表  6  数值拟合表达式内的各常数值

    Table  6.   Constant Values in the Numerical Fitting Expression

    序号i 二次项常数Ai 一次项常数Bi 常数项常数Ci
    1 0.119 669065.039 0.308
    2 −17.320 −14.686 −1.07×10−8
    3 −2.95668×10−7 2.97×10−7 15.084
    4 12.373 13.048 −0.342
    5 0.017 0.021
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-03
  • 修回日期:  2023-02-15
  • 网络出版日期:  2023-12-11
  • 刊出日期:  2023-12-15

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