環(huán)形燃料元件幾何尺寸對(duì)其熱工性能的影響研究

向釗才 曾付林 趙鵬程

（南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 衡陽(yáng) 421001）

環(huán)形燃料是美國(guó)麻省理工學(xué)院提出的一種新型結(jié)構(gòu)的核燃料［1-2］，與傳統(tǒng)棒狀式核燃料相比，具有更高的功率密度和更好的傳熱效率，能顯著降低堆芯溫度，大幅度提高反應(yīng)堆的安全性與經(jīng)濟(jì)性。目前，環(huán)形燃料已成為國(guó)際上新型結(jié)構(gòu)的核燃料研究熱點(diǎn)方向之一。美國(guó)自2001年開(kāi)始對(duì)環(huán)形燃料功率密度展開(kāi)了研究，并提出將環(huán)形燃料運(yùn)用于壓水堆的設(shè)想［3］。韓國(guó)自2007年對(duì)環(huán)形燃料運(yùn)用于OPR1000的可行性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：OPR1000反應(yīng)堆采用環(huán)形燃料功率可提升20%［4］。此外，伊朗、埃及、加拿大等國(guó)學(xué)者均對(duì)環(huán)形燃料開(kāi)展了一定研究［5-9］。我國(guó)自2010年便對(duì)環(huán)形燃料展開(kāi)研發(fā)工作，通過(guò)一系列研究，突破了環(huán)形燃料設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，取得了顯著進(jìn)展。目前，針對(duì)環(huán)形燃料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)中子學(xué)分析、核熱耦合計(jì)算、排列方式以及反應(yīng)堆應(yīng)用等方面進(jìn)行研究［10-15］，而環(huán)形燃料元件幾何尺寸對(duì)燃料元件熱工性能的影響研究相對(duì)較少且具有重大意義。因此本文通過(guò)建立環(huán)形燃料的相關(guān)數(shù)學(xué)物理模型和選取的3個(gè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展環(huán)形燃料元件幾何尺寸對(duì)燃料元件熱工性能影響研究。

1 環(huán)形燃料幾何結(jié)構(gòu)及影響評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

1.1 幾何結(jié)構(gòu)

環(huán)形燃料元件由圓環(huán)形燃料芯塊、內(nèi)包殼和外包殼組成，內(nèi)外包殼和環(huán)形燃料芯塊之間有充滿(mǎn)惰性氣體的氣隙。內(nèi)外包殼所組成的通道用來(lái)流通冷卻劑，以便對(duì)燃料芯塊進(jìn)行冷卻，其橫截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。……