[发明专利]运动条件下自然循环系统中流体临界热流密度分析方法

说明书

本发明公开了一种运动条件下自然循环系统中流体临界热流密度分析方法，根据反应堆燃料元件在运动条件下的自然循环系统临界热流密度特性规律，建立运动条件下自然循环系统流体的自然循环流量模型，建立运动条件下自然循环系统流体的临界热流密度模型；耦合自然循环流量模型和临界热流密度模型，得到运动条件下自然循环系统流体的临界热流密度值。本发明可用于研究浮动核电站、核动力商船在海洋中航行时受到海浪运动的影响条件下，反应堆自然循环工况下临界热流密度值，分析反应堆自然循环过程中的堆芯燃料元件安全。

技术领域

本发明涉及流体临界热流密度分析领域，具体涉及一种运动条件下自然循环系统中流体临界热流密度分析方法。

背景技术

自然循环系统中，热源和冷源之间有一定的高度差，当热源的流体与冷源的流体出现温度差时，热源的热流体在浮力的作用下流向冷源，冷源的冷流体在重力的作用下流向热源，热源和冷源之间的位差和流体密度差形成驱动力，建立稳定的自然循环流动。核反应堆某些事故工况，主冷却剂泵停止转动，堆芯(热源)和蒸汽发生器(冷源流体)之间存在一定的位差和流体密度差，于是自然循环过程建立，将堆芯的衰变热量通过自然循环的方式导出，保护反应堆的安全。堆芯的衰变热流密度小于临界热流密度时，燃料元件的热量可以有效导出。当堆芯的衰变热流密度大于临界热流密度时，燃料元件传热恶化，壁面温度急剧上升，超过1200℃时可能会出现燃料元件包壳破损，放射性物质外泄，事故后果严重。因此临界热流密度是反应堆安全的重要技术指标。

核动力商船或者浮动核电站等核动力装置受海洋中风浪运动条件的影响，会出现倾斜、俯仰等现象。这时候堆芯和蒸汽发生器的有效位差发生变化，自然循环驱动力发生变化，进而引起自然循环流量的变化。自然循环流量的变化引起燃料元件的局部流体压力、温度和传热都将发生变化，燃料元件的安全限值——临界热流密度值也将发生变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术中提到的运动条件下自然循环系统临界热流密度分析的复杂性，提供一种运动条件下自然循环系统中流体临界热流密度分析方法，可以有效地、实时地、准确地分析在运动条件下自然循环系统中流体燃料元件的临界热流密度。

本发明通过下述技术方案实现：根据反应堆燃料元件在运动条件下的自然循环系统临界热流密度特性规律，建立运动条件下自然循环系统流体的自然循环流量模型；建立运动条件下自然循环系统流体的临界热流密度模型；耦合所述自然循环流量模型和所述临界热流密度模型，得到运动条件下自然循环系统流体的临界热流密度值。

本发明从宏观和微观两个层面分析运动条件下的反应堆燃料元件的临界热流密度特性规律。宏观方面，首先分析了运动条件导致反应堆热源和冷源之间空间位置发生变化引起自然循环的驱动压头发生改变，进而可能引起循环流量和本体其他参数的改变，最后影响临界热流密度值，建立了运动条件下自然循环系统流体的自然循环流量模型。微观方面，首先分析了运动条件对流体受力的影响，汽泡的分布规律受运动力的影响会发生改变，进而改变临界热流密度值，建立了运动条件下自然循环系统流体的临界热流密度模型。

运动条件改变了自然循环回路热源(堆芯模拟件)和冷源(蒸汽发生器模拟件)的方位，从而使得重力在流动方向和法向上的分力发生改变。一方面，由于重力驱动压头取决于重力在流动方向的积分，因而自然循环的驱动压头将发生改变，进而可能引起循环流量和本体其他参数的改变(增加或减少)。另一方面，运动条件引入的重力法向分量将使得堆芯模拟件通道内汽相和热流体受到横向浮升力作用，使得朝向下部的加热面汽泡脱离不易、微液层变薄，或者使得堆芯通道内的流型特性参数发生变化，最终引起沸腾临界的提前发生，从而降低临界热流密度值。本发明涉及的计算分析方法从这两方面，通过自然循环流量模型和临界热流密度模型考虑了运动条件的影响，从而得到运动条件下自然循环系统流体的临界热流密度值。

进一步的，通过两流体六方程模拟计算运动条件下自然循环系统的驱动力和阻力，得到所述运动条件下自然循环系统的自然循环流量模型。