核電站堆芯溫度場重構(gòu)研究.pdf

1、在壓水堆核電站中，一回路的冷卻劑將核燃料組件釋放的熱量導(dǎo)出反應(yīng)堆，其出口溫度的大小反映了燃料元件與冷卻劑之間的換熱情況。機組運行中，燃料元件超溫是核反應(yīng)堆運行安全的重大威脅之一，不大的超溫，盡管不會發(fā)生嚴(yán)重的核安全事故，但對燃料元件包殼材料產(chǎn)生熱損傷，造成壽命損耗，多次累積有可能造成核泄漏嚴(yán)重事故?，F(xiàn)有的“點”溫度測量，由于設(shè)置點數(shù)有限，存在監(jiān)視盲區(qū)，不能全局觀測堆芯溫度分布。溫度測點即使按熱通道等設(shè)計參數(shù)布置，在實際運行中，隨著燃耗、

2、氙振蕩、控制棒位置等變化，熱通道和熱點也會發(fā)生漂移，并不能監(jiān)測到最高溫度。目前在常規(guī)電站的溫度場重建方面已開展了相關(guān)研究并得到了一些成果，但可應(yīng)用于堆芯溫度場重構(gòu)的文獻未見記載。為解決該問題，本文以國產(chǎn)某核電機組堆芯為研究對象，結(jié)合本學(xué)科領(lǐng)域傳熱、傳質(zhì)建模理論及現(xiàn)代誤差分析手段，對核電站堆芯溫度場重構(gòu)進行了研究，得到了堆芯冷卻劑和燃料元件的三維溫度分布，具體內(nèi)容如下。
　　(1)針對壓水堆堆芯冷卻劑出口溫度測點的分散布置情況，在分

3、析測點位置分布特征的基礎(chǔ)上，利用離散數(shù)據(jù)處理方法計算了整個堆芯的冷卻劑出口溫度場，即，首先采用了多種離散數(shù)據(jù)處理方法對已知測點溫度進行數(shù)值計算，得到了冷卻劑出口的二維溫度分布圖;其次，在比較計算值與測量值的基礎(chǔ)上，用誤差理論分析結(jié)果，判斷各種方法的準(zhǔn)確性和精確度;最后，通過數(shù)據(jù)分析得到了冷卻劑出口溫度的分布規(guī)律，該方法克服了在溫度測點有限、已知數(shù)據(jù)較少的情況下，無法直接選擇合適的離散數(shù)據(jù)處理方法的困難。
　　(2)以壓水堆堆芯為研

4、究對象，在現(xiàn)有壓水堆堆芯功率模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合穩(wěn)態(tài)傳熱熱量守恒方程，運用離散數(shù)據(jù)的插值、擬合，迭代法等數(shù)值計算方法，構(gòu)建合理的核反應(yīng)堆堆芯溫度場的計算模型。模型在選擇堆芯內(nèi)冷卻劑的流動通道時，考慮到堆芯內(nèi)冷卻劑的橫向流動較縱向流動小得多，可以不計算通道間的質(zhì)量、動量和能量交換，在兼顧計算精度和速度的情況下，將其看作是單通道模型;模型的求解在空間上采用節(jié)塊法，徑向以一個燃料組件作為一個節(jié)塊，軸向平均劃分為16個節(jié)塊，便于進行數(shù)據(jù)的計算和分

5、析，即把原來在空間坐標(biāo)系中連續(xù)的物理量的場，用有限個離散點上的值的集合來代替，并進行離散求解，解決了由于堆芯的幾何形狀及邊界條件較為復(fù)雜而無法得出其分析解的問題;堆芯熱傳導(dǎo)和傳輸模型分為四個部分:燃料元件傳熱、燃料元件與包殼之間間隙的傳熱、包殼管內(nèi)的傳熱和包殼外表面與冷卻劑的對流換熱，通過拆分換熱過程，明確了燃料元件與冷卻劑之間的換熱步驟，簡化了模型，為計算燃料元件溫度提供了合理的途徑。
　　(3)采用傅里葉函數(shù)、高斯函數(shù)、薄板樣

6、條函數(shù)、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等10種方法進行了堆芯溫度場計算，并對堆芯溫度場重構(gòu)結(jié)果進行了對比分析，得到了合理的堆芯溫度場重構(gòu)方法。首先，擬合了堆芯冷卻劑出口溫度場，計算了堆芯總功率和堆芯各通道流量，對堆芯冷卻劑溫度進行了正推和反推計算，通過對這些結(jié)果的分析、比較，發(fā)現(xiàn)采用傅里葉函數(shù)、高斯函數(shù)、薄板樣條函數(shù)、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等9種方法計算得到的結(jié)果與過程參數(shù)的基本規(guī)律相一致;接著應(yīng)用誤差理論，計算了堆芯冷卻劑出口溫度測量值和計算值的絕對

7、誤差平均值E和標(biāo)準(zhǔn)差σ，通過比較9方法的E和σ，表明采用傅里葉函數(shù)、高斯函數(shù)、薄板樣條函數(shù)等8種方法得到的重構(gòu)結(jié)果滿足工程要求，驗證了方法的可行性和準(zhǔn)確性。其中，通過TPS方法重構(gòu)得到的E和σ均最小，說明該方法最適用于該重構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上，得到了包殼內(nèi)外表面、芯塊中心及邊緣不同截面的二維溫度分布圖，為堆芯內(nèi)部溫度的實時監(jiān)測提供了理論依據(jù)。
　　(4)編寫了在matlab環(huán)境下運行的堆芯溫度場重構(gòu)軟件，軟件能實現(xiàn)參數(shù)的輸入、存儲、