[发明专利]一种预测超临界二氧化碳冷却堆燃料元件主要参数的方法

说明书

一种预测超临界二氧化碳冷却堆燃料元件主要参数的方法。该方法步骤如下：1、给定几何、材料及热工参数，设置几何参数初值；2、进行时间步的迭代，设置新的热工参数，为热工、机械计算模块设置参数初值；3、进行热工计算模块，冷却剂调用二氧化碳的物性；4、进行机械计算模块；5、计算间隙气体的温差，判断与步骤3假定的气体温差是否相等，如若不相等则更新气体温差，返回步骤3；6、计算包壳氧化腐蚀情况；7、将步骤3到步骤6按照轴向节点从小到大进行循环；8、调用裂变气体计算模块；9、将步骤2到步骤8按照每个时间步长进行迭代；本发明方法采用热工‑机械‑材料耦合迭代求解的方法，计算超临界二氧化碳冷却堆燃料元件的主要参数。

技术领域

本发明属于反应堆安全分析技术领域，具体涉及一种预测超临界二氧化碳冷却堆燃料元件主要参数的方法。

技术背景

气冷快堆具有高经济效率、良好热传递性能和高度的安全性，成为在第四代核能计划框架中的六种类型反应之一，第四代核能计划中气冷快堆的目标是可持续性，即在保持良好安全性和经济性能的同时，优化资源利用。

基于对热中子高温反应堆的研究，目前气冷快堆冷却剂大部分都使用氦气作为冷却剂，但是通过详细分析，由于透平的级数与工质的相对分子质量成反比，氦气的相对原子质量太小，所以其透平机械的体积非常大，不便于小型化以及结构优化。也正是因为过大的透平，所以在循环过程中压缩功损耗较大，整体循环效率不高，经济性较低。同时为了达到较高的氦气布雷顿循环转换效率，需要的透平入口峰值温度在800℃以上，这对涡轮机组的结构材料高温承受能力提出了很高的要求。

二氧化碳状态处于临界点(7.3773MPa，304.12K)以上时变为超临界二氧化碳，具有密度接近液体，粘度靠近气体的特殊性质，有较高的相对分子质量以及流体密度，所以涡轮机组的体积可以变得小；同时拥有更好的传热物理性能，在较低的透平入口温度650℃下的热效率与氦气循环入口温度850℃的热效率相同，这减轻了堆芯材料在高温下的性能问题，并且现有材料是完全能够满足该温度下的要求。

虽然目前世界上没有超临界二氧化碳的已建反应堆，但是目前全世界已建造和运行了大约52座利用超临界二氧化碳作为冷却剂的商用发电反应堆。

超临界二氧化碳冷却堆芯压力一般为15-20MPa，冷却剂入口温度一般为450-650℃，进出口温差最优在150-200℃之间，冷却剂沿下降段顺着压力容器壁到达堆芯底部，然后向上流动，流经燃料组件冷却堆芯，随后从堆芯顶部流出，进入涡轮机组做功，形成能量循环。

超临界二氧化碳冷却堆的可持续性、资源利用高效性、强的非能动安全性等优势，超临界二氧化碳冷却堆目前已经得到了探究和发展，并且已经显示出相比其他气体和液态金属冷却堆芯有着更大的潜力，国内外对于超临界二氧化碳冷却反应堆也不断地加大研发的力度，但是对于超临界二氧化碳冷却堆燃料元件的主要参数计算缺少方法，从而获得燃料元件、包壳和冷却剂在服役期间的主要参数，为超临界二氧化碳冷却堆的设计提供参考。

基于此，有必要提出一种计算方法，能够进行热工-机械耦合计算，预测超临界二氧化碳冷却堆芯，燃料元件在服役期间热工-机械-材料主要参数。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种预测超临界二氧化碳冷却堆燃料元件主要参数的方法，给定几何、材料及热工参数，进行热工-机械-材料耦合计算，得到服役期间超临界二氧化碳冷却反应堆燃料元件主要参数。

为了达到上述目的，本发明的采用如下技术方案：

一种预测超临界二氧化碳冷却堆燃料元件主要参数的方法，包括如下步骤：

步骤一：给定燃料元件几何参数即燃料元件高度、元件直径、气隙宽度、包壳厚度、栅距、气腔长度和弹簧系数，材料参数即包壳材料和燃料芯块参数，以及热工参数即冷却剂进口压力、进口温度、质量流速、燃料棒线功率和功率形状因子；