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气冷堆用棱柱型弥散微封装燃料性能分析及优化研究

赵波 李权 李垣明 黄永忠 马强 粟敏 刘振海 齐飞鹏 马超 陈浩

赵波, 李权, 李垣明, 黄永忠, 马强, 粟敏, 刘振海, 齐飞鹏, 马超, 陈浩. 气冷堆用棱柱型弥散微封装燃料性能分析及优化研究[J]. 核动力工程, 2022, 43(2): 89-95. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.02.0089
引用本文: 赵波, 李权, 李垣明, 黄永忠, 马强, 粟敏, 刘振海, 齐飞鹏, 马超, 陈浩. 气冷堆用棱柱型弥散微封装燃料性能分析及优化研究[J]. 核动力工程, 2022, 43(2): 89-95. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.02.0089
Zhao Bo, Li Quan, Li Yuanming, Huang Yongzhong, Ma Qiang, Su Min, Liu Zhenhai, Qi Feipeng, Ma Chao, Chen Hao. Research on Analysis for Performance and Optimization of Prismatic Dispersed Microencapsulated Fuel in Gas-Cooled Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(2): 89-95. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.02.0089
Citation: Zhao Bo, Li Quan, Li Yuanming, Huang Yongzhong, Ma Qiang, Su Min, Liu Zhenhai, Qi Feipeng, Ma Chao, Chen Hao. Research on Analysis for Performance and Optimization of Prismatic Dispersed Microencapsulated Fuel in Gas-Cooled Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(2): 89-95. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.02.0089

气冷堆用棱柱型弥散微封装燃料性能分析及优化研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.02.0089
基金项目: 国家重点研发计划资助(2020YFB1901900);四川省应用基础研究项目(2021YJ0529)
详细信息
    作者简介:

    赵 波(1993—),男,助理工程师,工学硕士,现从事燃料元件性能分析与设计工作,E-mail: drsi_zhaobo@163.com

  • 中图分类号: TL352

Research on Analysis for Performance and Optimization of Prismatic Dispersed Microencapsulated Fuel in Gas-Cooled Reactor

  • 摘要: 棱柱型弥散微封装燃料是将三重各向同性包覆(TRISO)燃料颗粒弥散于金属或陶瓷基体形成的颗粒增强复合燃料,具有良好的结构稳定性、裂变产物包容能力和辐照稳定性,是高温气冷堆中较具发展前景的燃料形式之一。本文提出将TRISO燃料颗粒弥散于SiC基体的棱柱型弥散微封装燃料设计方案,并基于有限元分析软件COMSOL建立了该燃料元件三维热流固耦合分析模型,初步实现了该燃料元件性能分析和优化设计。结果表明,棱柱型弥散微封装燃料元件的温度最大值位于燃料元件外侧,应力峰值位于冷却剂通道壁面,边距比为0.76~0.84、孔距比为0.68~0.75时燃料元件热应力最小。本文建立的棱柱型弥散微封装燃料性能分析方法和研究结论,可为后续该型气冷堆燃料元件设计提供指导和参考。

     

  • 图  1  棱柱型弥散微封装燃料元件

    Figure  1.  Prismatic Dispersed Microencapsulated Fuel Element      

    图  2  热流固耦合计算流程

    Figure  2.  Flow Chart of Thermal-Fluid-Solid Coupling Calculation    

    图  3  棱柱型燃料元件有限元模型(轴向视图比例1/20)

    Figure  3.  Finite Element Model of Prismatic Fuel Element (Axial View Scale is 1/20)

    图  4  燃料元件功率分布

    Figure  4.  Power Distribution of Fuel Element

    图  5  燃料元件轴向温度分布

    Figure  5.  Axial Temperature Distribution of Fuel Element

    图  6  燃料元件冷却剂出口处径向温度分布

    Figure  6.  Radial Temperature Distribution at Fuel Element Coolant Outlet

    图  7  燃料元件应力分布

    Figure  7.  Stress Distribution of Fuel Element

    图  8  冷却剂流速及功率密度随边距比及孔距比变化

    Figure  8.  Coolant Velocity and Power Density Change With Edge-Distance Ratio and Hole-Distance Ratio

    图  9  燃料元件最高温度随边距比及孔距比变化

    ①~⑨分别表示孔距比为0.5000、0.5556、0.6154、0.6800、0.7500、0.8281、0.9091、1.0000、1.10000,下同

    Figure  9.  Maximum Temperature of Fuel Element Changing With Edge-Distance Ratio and Hole-Distance Ratio

    图  10  燃料元件最高应力随边距比及孔距比变化

    Figure  10.  Maximum Stress of Fuel Element Changing With Edge-Distance Ratio and Hole-Distance Ratio

    表  1  材料性能参数

    Table  1.   Material Performance Parameters

    材料热导率/(W·m−1·K−1)热膨胀系数/K−1弹性模量/GPa泊松比
    UO2核芯Lucuta修正模型[12]式(1)式(2)0.316
    Buffer层0.53.5×10−6式(3)0.23
    IPyC层45.5×10−6式(4)0.23
    SiC层式(5)式(6)式(7)0.13
    OPyC层45.5×10−6式(4)0.23
    SiC基体式(5)式(6)式(7)0.13
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-12
  • 修回日期:  2021-06-15
  • 刊出日期:  2022-04-02

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