脈沖反應堆過冷沸騰傳熱特性與堆芯空泡份額計算方法研究.pdf

1、西安脈沖反應堆建成運行后，堆芯在高功率運行工況下出現(xiàn)氣泡現(xiàn)象，氣泡的產(chǎn)生與運動對自然對流傳熱產(chǎn)生重要影響。本文從分析堆芯自然對流機理出發(fā)，研究了堆芯存在過冷沸騰的可能性及其傳熱特性。通過機理分析、數(shù)值模擬和實驗研究，對堆芯氣泡的產(chǎn)生機理、空泡份額的定量計算，及其對燃料元件傳熱安全的影響進行了深入的研究。
　　本文首先針對脈沖堆堆芯過冷沸騰傳熱特性進行了研究。建立了適用于脈沖堆粗棒燃料元件的導熱模型，從傳熱機理出發(fā)，研究了影響燃料元

2、件氣隙導熱的因素，建立了氣隙導熱計算方法，并對燃料元件導熱模型進行了驗證。通過對包殼－冷卻劑間自然對流傳熱的分析，研究了單相和兩相流的傳熱特性，總結(jié)了一套適用于脈沖堆低壓、低熱流密度、小流量的傳熱關(guān)系式。利用IPR-R1反應堆對該套關(guān)系式進行了計算可靠性驗證。在對燃料元件導熱與包殼表面的對流傳熱模型全面研究的基礎(chǔ)上，編制了脈沖堆燃料元件傳熱特性分析軟件。
　　由于自然循環(huán)流動的復雜性，堆芯冷卻劑的自然循環(huán)流量及其分布較難確定，本文

3、采用較為保守的單通道模型，建立了冷卻劑在堆芯通道內(nèi)的水力方程，求得了堆芯冷卻劑流量與反應堆功率的函數(shù)關(guān)系。利用數(shù)值模擬方法，計算了冷卻劑在堆芯內(nèi)的分布情況和流動特性。該項工作有助于了解堆芯內(nèi)冷卻劑的微觀流動情況。
　　對于脈沖堆高功率工況下堆芯氣泡現(xiàn)象，本文從過冷沸騰傳熱的角度出發(fā)，對堆芯空泡現(xiàn)象的產(chǎn)生進行了機理分析，在廣泛調(diào)研低壓、低流量自然循環(huán)過冷沸騰空泡份額計算模型的基礎(chǔ)上，通過物理分析和數(shù)學推導，建立了一套完整的脈沖堆堆芯

4、自然循環(huán)過冷沸騰空泡份額計算模型，該套模型從脈沖堆的實際應用出發(fā)，適合于同類型兩相流傳熱的空泡份額計算。通過與公開發(fā)表實驗結(jié)果的比對，驗證了本文所建立的計算模型的正確性。
　　在總結(jié)本文研究成果的基礎(chǔ)上，利用反應堆熱工安全分析中廣泛使用的子通道分析方法，建立了脈沖堆堆芯子通道穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)分析方法，編制了計算程序。利用本文編制的堆芯子通道分析程序，對西安脈沖堆穩(wěn)態(tài)運行的熱工安全參數(shù)進行了分析，得到了堆芯重要的安全參數(shù)。利用程序的瞬態(tài)分

5、析功能，研究了脈沖堆脈沖工況的快瞬態(tài)傳熱特性，得到了堆芯安全參數(shù)的時間－空間分布。本工作是對原有脈沖堆單通道熱工安全分析的擴充與提高，對脈沖堆的安全分析具有重要意義，對同類型反應堆的堆芯安全研究具有參考價值。
　　為了了解堆芯冷卻劑通道內(nèi)部的微觀傳熱工況，了解通道內(nèi)壓力場、溫度場、密度場及空泡份額的分布和變化情況，建立了脈沖堆堆芯通道內(nèi)的CFD熱工水力分析模型，借助ANSYS12計算軟件，對穩(wěn)態(tài)堆芯通道內(nèi)部的重要熱工安全參數(shù)進行了