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基于CRUD模型的燃料包壳表面离子浓缩的数值模拟研究

高畅 陈小强 潘定一 刘宝君 曾奇锋

高畅, 陈小强, 潘定一, 刘宝君, 曾奇锋. 基于CRUD模型的燃料包壳表面离子浓缩的数值模拟研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 25-34. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080022
引用本文: 高畅, 陈小强, 潘定一, 刘宝君, 曾奇锋. 基于CRUD模型的燃料包壳表面离子浓缩的数值模拟研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 25-34. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080022
Gao Chang, Chen Xiaoqiang, Pan Dingyi, Liu Baojun, Zeng Qifeng. Numerical Simulation Study of Ion Concentration on Fuel Cladding Surface Based on CRUD Model[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 25-34. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080022
Citation: Gao Chang, Chen Xiaoqiang, Pan Dingyi, Liu Baojun, Zeng Qifeng. Numerical Simulation Study of Ion Concentration on Fuel Cladding Surface Based on CRUD Model[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 25-34. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080022

基于CRUD模型的燃料包壳表面离子浓缩的数值模拟研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080022
详细信息
    作者简介:

    高 畅(1997—),女,工程师,主要从事反应堆结构力学研究,E-mail: gaochanga@cnpe.cc

    通讯作者:

    潘定一, E-mail: dpan@zju.edu.cn

  • 中图分类号: TL331

Numerical Simulation Study of Ion Concentration on Fuel Cladding Surface Based on CRUD Model

  • 摘要: 在压水堆(PWR)中,一回路冷却剂中锂/钾(Li/K)元素会在燃料包壳表面的沉积物(这些沉积物被称作CRUD)中浓缩,加剧包壳材料锆合金的腐蚀,对燃料寿命及安全性能造成影响,因此,对其开展相关研究具有一定的必要性和紧迫性。本研究采用有限体积法,耦合温度场、压力场以及浓度场建立了Li/K元素在CRUD结构中浓缩过程的数值计算模型(CRUD模型),该模型可根据堆芯的热工、水化学条件设计参数对不同工况下的Li/K元素浓缩情况进行模拟计算。本研究首先通过与前人的计算结果进行对比,验证所建立的CRUD模型的准确性,并基于CRUD模型分析堆芯热工设计参数(冷却剂温度、压力、热流密度等)、一回路冷却剂水化学条件(Li/K浓度)、CRUD形态参数(厚度、孔隙率等)对于Li/K离子浓度分布的影响规律,得到了可用于指导堆芯参数准则设计及燃料包壳材料选材准则设计的规律关系。

     

  • 图  1  CRUD物理模型简化示意图

    q—给定平均热流密度(简称热流密度)。

    Figure  1.  Simplified Schematic Diagram of Physical Model

    图  2  CRUD 模型求解器迭代流程图

    new—每次迭代更新后的值。

    Figure  2.  Iteration Flowchart of CRUD Model Solver

    图  3  与Pan等[2,16]温度及浓度变化结果对比

    Figure  3.  Comparasion of Temperature and Concentration Variation with Results of Pan et al[2,16]

    图  4  CRUD厚度对Li离子浓度分布的影响

    Figure  4.  Influence of Scale Thickness on Li Ion Concentration Distribution

    图  5  Li离子最大浓缩因子随CRUD厚度的变化情况

    Figure  5.  Variation of Li Ion Maximum Concentration Factor with Scale Thickness

    图  6  孔隙率对Li离子浓度分布的影响

    Figure  6.  Influence of Porosity on Li Ion Concentration Distribution

    图  7  Li离子最大浓缩因子随孔隙率的变化情况

    Figure  7.  Variation of Li Ion Maximum Concentration Factor with Porosity

    图  8  Li离子最大浓缩因子随其他参数的变化情况

    Figure  8.  Variation of Li Ion Maximum Concentration Factor with Other Parameters

    表  1  研究参数及敏感性分析研究范围

    Table  1.   Study Parameters and Study Scope of Sensitivity Analysis

    研究参数 给定取值 敏感性分析研究范围
    CRUD厚度/μm 75 5~125
    CRUD孔隙率/% 70 50~80
    烟囱密度/109 m−2 5 1~10
    烟囱直径/μm 4 1~7
    CRUD平均粒径/μm 2 0.5~5
    冷却剂浓度(Li)/10−4 (kg·m−3) 1.07 0.1~10
    冷却剂浓度(K)/10−4 (kg·m−3) 1.08 0.1~10
    传热系数/ [W·(m·K)−1] 0.8648 0.4~1.6
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    表  2  Li离子最大浓缩因子(热流密度q=5.321×105 W/m2

    Table  2.   Li Ion Maximum Concentration Factor (Heat flux q=5.321×105 W/m2)

    ε d/μm
    5 30 75 100 125
    0.5 1.0486 2.1746 8.3124 17.530 37.048
    0.6 1.0363 1.7933 4.9131 8.6041 15.077
    0.7 1.0287 1.5905 3.5420 5.5274 8.6275
    0.8 1.0236 1.4662 2.8373 4.0950 5.9108
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    表  3  Li离子最大浓缩因子(热流密度q=8.54×105 W/m2

    Table  3.   Li Ion Maximum Concentration Factor (Heat flux q=8.54×105 W/m2)

    ε d/μm
    5 30 75 100 125
    0.5 1.1625 3.7379 32.391 109.70 395.59
    0.6 1.1199 2.6945 13.615 33.647 83.999
    0.7 1.0941 2.1979 7.9537 16.280 33.421
    0.8 1.0770 1.9144 5.5268 9.9687 18.003
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    表  4  K离子最大浓缩因子(热流密度q=5.321×105 W/m2

    Table  4.   K Ion Maximum Concentration Factor(Heat flux q=5.321×105 W/m2)

    ε d/μm
    5 30 75 100 125
    0.5 1.0623 2.1746 14.862 38.544 100.74
    0.6 1.0465 2.1045 7.6016 15.532 31.789
    0.7 1.0367 1.8061 5.0096 8.8335 15.586
    0.8 1.0302 1.6282 3.7761 6.0269 9.6221
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    表  5  K离子最大浓缩因子(热流密度q=8.54×105 W/m2

    Table  5.   K Ion Maximum Concentration Factor(Heat flux q=8.54×105 W/m2)

    ε d/μm
    5 30 75 100 125
    0.5 1.2115 5.3658 85.190 433.00 3229.4
    0.6 1.1552 3.5356 27.943 89.535 300.50
    0.7 1.1214 2.7273 14.058 35.136 88.780
    0.8 1.0991 2.2872 8.8347 18.758 39.979
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-08
  • 修回日期:  2024-11-19
  • 刊出日期:  2025-08-15

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