[发明专利]一种棒状燃料元件瞬态释热模拟实验装置及方法

权利要求书

1.一种棒状燃料元件瞬态释热模拟实验方法，其特征在于，包括：

S1、构建棒状燃料元件释热结构，所述棒状燃料元件释热结构包括芯块、设置于芯块外的包壳，以及位于包壳外的冷却剂流道，芯块和包壳之间保留气隙；

S2、计算燃料棒和电加热元件的时间常数，根据堆芯核功率的大小计算实时热功率的大小；

S3、由电源控制系统实时输出对应大小的电功率至电加热圆管上，用电加热圆管对反应堆内棒状元件瞬态释热情况进行实验模拟；

其中，所述步骤S2中，按照以下公式根据堆芯核功率的大小计算实时热功率的大小：

式中，Q_nuclear和Q_thermal分别为芯块内当前时刻的核功率和冷却剂当前时刻得到的热功率值，为上一时刻的热功率值，τ_fuel为燃料时间常数；Δt为时间步长。

2.如权利要求1所述的棒状燃料元件瞬态释热模拟实验方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

建立燃料棒非稳态导热微分方程；

设置燃料棒沿径向对称并忽略沿轴向的导热，化简所述燃料棒非稳态导热微分方程；

忽略燃料棒内温度空间分布，采用集中参数模型获取燃料棒内核功率和通过包壳表面热功率关系；

建立核功率和通过直流电源施加至实验段的热功率之间的关系，使用燃料棒的时间常数减去电加热圆管的时间常数获取反应堆外燃料棒瞬态释热实验的时间常数。

3.如权利要求1所述的棒状燃料元件瞬态释热模拟实验方法，其特征在于，所述燃料时间常数τ_fuel按照以下公式计算：

其中，ρ_fuel为燃料的密度，单位为kg/m³，C_p,fuel为燃料的比热，单位为kJ/kg℃，h为对流换热系数，单位为kW/m²℃，P_h为燃料棒的湿周，单位为m，A_fuel为芯块的截面积，单位为m²。

4.如权利要求1所述的棒状燃料元件瞬态释热模拟实验方法，其特征在于，所述燃料时间常数τ_fuel按照以下公式计算：

Q_nuclear＝q_vA_fuelL

Q_thermal＝q_sP_hL

其中，q_s为热流密度，q_v为燃料内的体积释热率，单位为kW/m³，P_h为燃料棒的湿周，单位为m，A_fuel为芯块的截面积，单位为m²,L为燃料棒的长度，单位为m。

5.如权利要求4所述的棒状燃料元件瞬态释热模拟实验方法，其特征在于：

在求解燃料时间常数τ_fuel时，建立相邻两个时层之间的关系，随后使用离散求解核功率Q_nuclear。

6.如权利要求1所述的棒状燃料元件瞬态释热模拟实验方法，其特征在于，所述步骤S2中，按以下公式建立燃料棒非稳态导热微分方程：

式中，ρ_fuel为燃料的密度，单位为kg/m³；C_p,fuel为燃料的比热，单位为kJ/kg℃；T_fuel为燃料的温度，单位为℃；λ为燃料的导热系数，单位为kW/m℃；r为距燃料棒中轴线的距离，单位为m；z为沿燃料棒轴向的距离，单位为m；θ为方向角；t为时间，单位为s；q_v为燃料内的体积释热率，单位为kW/m³。

7.如权利要求6所述的棒状燃料元件瞬态释热模拟实验方法，其特征在于，所述步骤S2中，化简后所述燃料棒非稳态导热微分方程为：

式中，ρ_fuel为燃料的密度，单位为kg/m³；C_p,fuel为燃料的比热，单位为kJ/kg℃；T_fuel为燃料的温度，单位为℃；λ为燃料的导热系数，单位为kW/m℃；r为距燃料棒中轴线的距离，单位为m；θ为方向角；t为时间，单位为s；q_v为燃料内的体积释热率，单位为kW/m³。