[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

说明书

本发明公开了一种棒状燃料元件瞬态释热模拟实验装置及方法，涉及核反应堆热工水力领域，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。本发明的棒状燃料元件瞬态释热模拟实验装置及方法，解决了现有技术中难以在反应堆外电加热过程中体现燃料棒内的热量瞬态释放过程的问题。

技术领域

本发明涉及核反应堆热工水力技术领域，具体涉及一种棒状燃料元件瞬态释热模拟实验装置及方法。

背景技术

核反应堆中的能量主要来源于核燃料棒中裂变产生的热能，燃料棒以一定的数量和排列方式组成核燃料组件，冷却剂在燃料棒之间流动并将热量带至蒸汽发生器，产生的蒸汽推动汽轮机做功，将热能转换为机械能。在核燃料组件的设计过程中需要对棒状燃料组件通道内的流动换热特性进行实验研究，但是在反应堆外无法进行燃料棒的释热实验。

反应堆内燃料棒释热过程一般采用堆外电加热的方式来模拟，如现有公开文献中杨瑞昌的《自然循环加热段内对流传热特性的实验研究》使用交流电直接通电加热的不锈钢管模拟了管内的对流传热过程，孙中宁的《窄隙流道自然对流沸腾流动不稳定性实验研究》采用在石英玻璃管内插入电加热元件的方式模拟了管内的流动沸腾不稳定性。

有的技术人员在研究文件中建立了电加热模拟实时核释热的方法，但是电功率的接受对象为反应堆堆芯模拟体，既没有棒状燃料元件通道向电加热圆管的模化，也不能在电加热过程中体现燃料棒内的热量瞬态释放过程。

这些在反应堆外进行的的模拟加热实验通常只能对稳态释热过程进行模拟，瞬态释热过程的模拟缺乏有效的手段。而反应堆内由于运行工况的改变和参数的变化，燃料棒内的释热过程通常呈现一定的波动和变化，还存在圆管实验段本身热惯性的误差影响，如何在反应堆外进行的模拟实验中实现对应瞬态释热的模拟方法是本领域的一大技术难题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种棒状燃料元件瞬态释热模拟实验装置及方法，解决了现有技术中难以在反应堆外电加热过程中体现燃料棒内的热量瞬态释放过程的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种棒状燃料元件瞬态释热模拟实验方法，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。

在上述技术方案的基础上，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。

在上述技术方案的基础上，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：