改進(jìn)型格架對堆芯最小DNBR的影響分析

任春明　黃慧劍　邱志方

【摘 要】為改善燃料組件的吊裝性能、提高其抗彎性能，秦山二期、遼寧紅沿河一期、福清核電一期和海南昌江等一系列核電廠將在首循環(huán)或后續(xù)循環(huán)采用改進(jìn)型格架的AFA 3G燃料組件。在對熱工水力和安全分析的影響方面，現(xiàn)行堆芯最小DNBR計算方法的適用性是安審中心重點(diǎn)關(guān)注問題之一。本文以秦山第二核電廠1&2號機(jī)組長循環(huán)燃料管理論證為參考，分析名義工況和典型事故工況下，采用改進(jìn)型定位格架AFA 3G燃料組件對堆芯最小DNBR的影響。

【關(guān)鍵詞】秦山第二核電廠；長燃料循環(huán)；改進(jìn)型格架；DNBR

0 引言

為改善燃料組件的吊裝性能、提高其抗彎性能，AREVA公司設(shè)計推出了改進(jìn)型定位格架。AREVA以后的供貨中將不再提供標(biāo)準(zhǔn)格架的條帶。秦山二期、遼寧紅沿河一期、福清核電一期和海南昌江等一系列核電廠將在首循環(huán)或后續(xù)循環(huán)采用改進(jìn)型格架的AFA 3G燃料組件。中國核動力院就該改進(jìn)項對反應(yīng)堆設(shè)計的各方面影響進(jìn)行了研究分析。在對熱工水力和安全分析的影響方面，現(xiàn)行堆芯最小DNBR計算方法的適用性是安審中心重點(diǎn)關(guān)注問題之一。

目前，國內(nèi)各壓水堆核電站熱工水力設(shè)計中，采用一種典型的堆芯子通道劃分和徑向功率分布，即假設(shè)熱組件在堆芯中心，熱棒在熱組件中心。而改進(jìn)型定位格架AFA 3G燃料組件，相對標(biāo)準(zhǔn)AFA 3G燃料組件其總阻力系數(shù)不變，內(nèi)部柵元阻力系數(shù)減小約3%，而邊角柵元阻力系數(shù)增大約30%，這將不利于邊角柵元的DNBR。國內(nèi)外核電廠的運(yùn)行經(jīng)驗表明，當(dāng)采用可燃毒物時，存在熱棒出現(xiàn)在邊角柵元的可能性。因此，安審中心對采用改進(jìn)型定位格架AFA 3G，假設(shè)熱棒發(fā)生在組件邊角柵元時，采用現(xiàn)行方法計算的堆芯最小DNBR是否仍然適用提出了質(zhì)疑。

本文以秦山第二核電廠1&2號機(jī)組長循環(huán)燃料管理論證為參考，分析名義工況和典型事故工況下，采用改進(jìn)型定位格架AFA 3G代替標(biāo)準(zhǔn)AFA 3G燃料組件對堆芯最小DNBR的影響。

1 改進(jìn)型格架描述

2000年以來的運(yùn)行經(jīng)驗反饋顯示，燃料組件裝卸料操作過程中的格架破損增多。為改善燃料組件的吊裝性能、提高其抗彎性能，AREVA公司設(shè)計推出了改進(jìn)型定位格架。

改進(jìn)型定位格架相對標(biāo)準(zhǔn)AFA 3G格架主要有如下改進(jìn)：

1）增加了外條帶上部導(dǎo)向翼數(shù)量，增加了外條帶導(dǎo)向翼寬度；

2）內(nèi)條帶端部設(shè)置了外條帶導(dǎo)向翼的支撐結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了外圍燃料棒限位剛凸；

3）外條帶上開孔；

4）去掉導(dǎo)向管柵元條帶下部的開槽，減小焊舌長度，減小所有內(nèi)條帶上裝配槽的寬度。

2 計算程序

本文計算分析采用的程序是FLICA III-F3.4。

FLICA程序由法國CEA研制，可以描述在分離通道內(nèi)或相連通道內(nèi)流體的穩(wěn)態(tài)流動和瞬態(tài)流動，用于采用棒束加熱元件的各種反應(yīng)堆和實(shí)驗回路的熱工水力分析。

2.1 模型簡介

該程序采用的坐標(biāo)系由Oz軸和Or軸組成，Oz軸與通道軸線平行，而Or軸與子通道間的交界面相垂直。這種坐標(biāo)系使它可能不限于矩形幾何形狀。

通道實(shí)質(zhì)上用橫截面積、水力直徑、加熱周長來表示。子通道之間的聯(lián)系主要取決于間隙寬度、表征橫向流阻力的水力直徑以及用來計算界面上各物理值導(dǎo)數(shù)的耦合特性長度。

任何一個通道都可以加上一個給定的熱流密度，每個通道熱流密度的軸向分布可相同，也可以不相同。

邊界條件是：

（1）規(guī)定的進(jìn)口壓力或出口壓力；

（2）規(guī)定的進(jìn)口流量分配或進(jìn)出口之間的壓降；

（3）給定的進(jìn)口比焓分布或進(jìn)口流體溫度。

2.2 臨界熱流密度關(guān)系式

FLICA程序包含F(xiàn)C、WRB-1和W-3等臨界熱流密度關(guān)系式。

本文計算中采用的關(guān)系式是FC關(guān)系式。

FC關(guān)系式是專門根據(jù)在有和沒有跨間攪混格架的FRAMATOME 17×17燃料組件上試驗得到的臨界熱流密度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開發(fā)的。根據(jù)局部流體條件，這個關(guān)系式能直接考慮典型柵元和導(dǎo)向管冷壁柵元的影響，均勻和非均勻熱流密度分布，以及棒加熱長度和格架間距的變化。

變量的適用范圍如下：

壓力：2.07MPa～17.06MPa；

局部質(zhì)量流速：930kg/m2.s～4790kg/m2.s；

局部含汽率：-22%～+44%。

3 計算工況和主要假設(shè)

已有相關(guān)敏感性分析研究結(jié)果表明，熱通道的最小DNBR相對全堆芯徑向功率分布（對相同的F N ？駐H值）而言是不明感的。因此，本文中相關(guān)計算仍假設(shè)熱組件在堆芯中心，只修改熱組件及相鄰3個組件的棒束功率分布等假設(shè)，其余計算條件保持一致。

本文根據(jù)不同燃料組件和熱棒位置的不同組合，計算以下四種工況時的堆芯DNBR：

（1）工況A：AFA 3G燃料組件，熱棒在熱組件中心；

（2）工況B：AFA 3G燃料組件，熱棒在熱組件角柵元；

（3）工況C：改進(jìn)型定位格架AFA 3G燃料組件，熱棒在熱組件中心；

（4）工況D：改進(jìn)型定位格架AFA 3G燃料組件，熱棒在熱組件角柵元。

3.1 燃料組件

改進(jìn)型定位格架AFA 3G燃料組件相對AFA 3G燃料組件的主要是機(jī)械性能方面的改進(jìn)，其對熱工水力方面的影響主要體現(xiàn)在格架局部阻力系數(shù)的改變。

（1）總體阻力系數(shù)保持不變；

（2）局部阻力系數(shù)（導(dǎo)向管柵元、典型柵元、邊柵元、角柵元）取值及與原AFA3G燃料組件對應(yīng)系數(shù)的比較如下（表1）：

3.2 通道劃分及徑向功率分布

FLICA程序進(jìn)行堆芯熱工水力性能分析時，將堆芯劃分為若干子通道。通道劃分對通道類型及大小并沒有嚴(yán)格的限制，可以根據(jù)計算需要作不同的劃分。因此，子通道可以是一個典型柵元或?qū)蚬軚旁瑤讉€柵元的組合，也可以是一個組件或幾個組件的組合。

圖1給出目前熱工水力分析采用的一種典型的堆芯子通道劃分示意圖。為求得中心熱組件的熱工水力參數(shù)，特別是堆芯最小DNBR，劃分通道時將中心組件做了精細(xì)劃分。

假設(shè)熱棒在組件角柵元時，則在角柵元附近做了詳細(xì)通道劃分，如圖2所示。

堆芯組件徑向功率分布保持一致，只修改熱組件及相鄰3個組件的棒束徑向功率分布。修改原則如下：

（1）熱棒功率均為1.60；

（2）熱組件相鄰3個組件均采用熱組件平均功率。

假設(shè)熱棒在熱組件角柵元時，還保守假設(shè)熱組件3個相鄰組件的角柵元棒束功率也采用1.60。法瑪通公司根據(jù)實(shí)際熱工水力設(shè)計經(jīng)驗表明，這一假設(shè)將帶來約12%的焓升影響（約20%的最終DNBR值影響）。

最終，這些假設(shè)的功率分布將通過相關(guān)專業(yè)的燃料管理進(jìn)行驗證。

3.3 名義工況和典型事故工況

不同燃料組件和熱棒位置的DNBR影響分析中，典型事故選取如下：

（1）落棒事故；

（2）次臨界提棒事故；

（3）失流事故。

4 計算結(jié)果及分析

各工況最小DNBR計算結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：

（1）對于AFA 3G燃料組件，各工況下熱棒在熱組件中心較熱棒在角柵元時的最小DNBR小；

（2）采用改進(jìn)型格架AFA 3G燃料組件、熱棒在角柵元時的堆芯最小DNBR與采用AFA 3G燃料組件、熱棒在中心時的相比差異較小（<1%，如名義工況、落棒和失流事故時），或具有較大的最小DNBR值（如次臨界提棒軸事故時）；同時，仍滿足事故分析限值準(zhǔn)則要求。

對于工況A和工況D的比較結(jié)果，雖然工況D名義工況和全失流事故工況下的堆芯最小DNBR較工況A的小，但差異較小（<1%）。而在工況D的計算中考慮“熱組件3個相鄰組件的角柵元棒束功率也采用1.60”這一假設(shè)足夠抵消這一差異。因此，即時采用改進(jìn)型定位格架AFA 3G燃料組件代替標(biāo)準(zhǔn)AFA 3G燃料組件，在熱工水力設(shè)計中采用AFA 3G燃料組件參數(shù)、典型的堆芯子通道劃分和徑向功率分布的方式得到的結(jié)果是適用的。

5 結(jié)論

本文以秦山第二核電廠1&2號機(jī)組長循環(huán)燃料管理論證為參考，分析了名義工況和典型事故工況下，采用改進(jìn)型定位格架AFA 3G或標(biāo)準(zhǔn)AFA 3G燃料組件，熱棒在熱組件中心或角柵元四種情況下的堆芯最小DNBR。分析結(jié)果表明，現(xiàn)行的采用AFA3G燃料組件參數(shù)、假設(shè)熱棒在熱組件中心得到的堆芯最小DNBR結(jié)果是否仍然適用的。

[責(zé)任編輯：王楠]