球形燃料元件中TRISO燃料颗粒和基体温度分布计算方法 |
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申请号 | CN202410054891.2 | 申请日 | 2024-01-15 | 公开(公告)号 | CN117875067A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
申请人 | 中国科学院合肥物质科学研究院; | 发明人 | 余大利; 梅华平; 李桃生; 胡崇举; 陈帅; 刘健; 段成君; 程雄卫; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及一种球形 燃料 元件中TRISO燃料颗粒和基体 温度 分布计算方法,包括:设定待计算球形燃料元件的输入参数;设定待计算球形燃料元件的计算工况输入参数;计算关键参数,所述关键参数包括区域热输运系数μ、颗粒热输运比Af和基体热输运比Am;计算TRISO燃料颗粒核心温度与基体温度在球形燃料元件内部的分布;判断总模拟时间是否满足,若满足,则输出TRISO燃料颗粒核心温度与基体温度在球形燃料元件内部的分布,否则,返回步骤(4)。在稳态工况下,本发明预测的温度,与理论值相比,误差小于1.5℃或相当量级,计算 精度 高;在瞬态工况下,与理论值相比,误差小于2℃或相当量级,计算精度高;适用TRISO燃料颗粒填充率范围大,0至0.65之间均可,适用性强。 | ||||||
权利要求 | 1.一种球形燃料元件中TRISO燃料颗粒和基体温度分布计算方法,其特征在于:该方法包括下列顺序的步骤: |
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说明书全文 | 球形燃料元件中TRISO燃料颗粒和基体温度分布计算方法技术领域[0001] 本发明涉及包含TRISO燃料颗粒的球形燃料技术领域,尤其是一种球形燃料元件中TRISO燃料颗粒和基体温度分布计算方法。 背景技术[0002] 目前,包覆颗粒燃料在高温和其他恶劣条件下具有优良的保留裂变产物的能力、堆内安全的中子物理行为以及化学稳定性,因此在各类先进反应堆和事故容错燃料的设计中被采用。一个典形的高温气冷堆用途的球形燃料元件包含超过1万个TRISO燃料颗粒,这种几何复杂度导致球形燃料元件的温度分布很难精确计算,尤其是在高功率瞬变情况下,参见文献:C.Folsom,C.Xing,C.Jensen,H.Ban,D.W.Marshall,Experimental measurement and numerical modeling of the effective thermal conductivity of triso fuel compacts,Journal of Nuclear Materials 458(2015)198–205。 [0003] 球形燃料元件中TRISO燃料颗粒和基体温度分布是燃料力学评价、裂变气体释放等模型的重要输入参数,精确的球形燃料元件温度分布可以促进更加准确地分析球形燃料元件的性能,提高先进反应堆的安全性。 [0004] 现有的球形燃料元件温度分布计算方法,通过经验关系式获得平均热导率,将球形燃料元件等效为均匀功率分布的热源,这种方法只对特定几何尺寸的球形燃料元件有效,不具有通用性,且需要大量实验数据来拟合获得。 发明内容[0006] 为实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:一种球形燃料元件中TRISO燃料颗粒和基体温度分布计算方法,该方法包括下列顺序的步骤: [0007] (1)设定待计算球形燃料元件的输入参数; [0008] (2)设定待计算球形燃料元件的计算工况输入参数; [0009] (3)根据步骤(1)和步骤(2)设定的参数,计算关键参数,所述关键参数包括区域热输运系数μ、颗粒热输运比Af和基体热输运比Am; [0010] (4)根据计算得到的关键参数,计算TRISO燃料颗粒核心温度与基体温度在球形燃料元件内部的分布; [0011] (5)判断总模拟时间是否满足,若满足,则输出TRISO燃料颗粒核心温度与基体温度在球形燃料元件内部的分布,否则,返回步骤(4)。 [0012] 所述步骤(1)具体是指:设定TRISO燃料颗粒的个数,TRISO燃料颗粒的个数大于50;设定TRISO燃料颗粒内部结构的各层直径,所述TRISO燃料颗粒由内而外依次由燃料核心、疏松热解炭层、内致密热解炭层、碳化硅层和外致密热解炭层组成;设定球形燃料元件直径;设定壳体的厚度;设定球形燃料元件的壳体、基体和TRISO燃料颗粒的热物性,所述热物性包括密度、导热率和比热容。 [0013] 所述步骤(2)具体是指:设定球形燃料元件的热功率;设定总模拟时间;设定时间步长;设定球形燃料元件的初始温度及边界温度。 [0014] 在步骤(3)中,所述区域热输运系数μ的计算公式如下: [0015] [0016] [0017] [0018] [0019] [0020] [0021] 式中,Vp是球形燃料元件的体积,rf是TRISO燃料颗粒的半径,n是TRISO燃料颗粒的个数,S是TRISO燃料颗粒的分布比,ε为TRISO燃料颗粒的填充率,Qμ(亡)是区域热输运功率,kf是TRISO燃料颗粒的导热率,T(r,t)是温度变量,km是基体导热率,Tf(r,t)是TRISO燃料颗粒的温度,Tm(r,t)是基体温度,r为球形燃料元件的内部径向坐标;rμ为单个TRISO燃料颗粒作用半径,F是TRISO燃料颗粒的填充率相关系数; [0022] 所述颗粒热输运比Af和基体热输运比Am的计算公式分别为: [0023] [0024] Am=1‑Af。 [0025] 所述步骤(4)具体是指: [0026] 在燃料区: [0027] [0028] [0029] 在非燃料区: [0030] [0031] 式中,f代表TRISO燃料颗粒的燃料核心,m代表基体,s代表壳体;ε为TRISO燃料颗粒的填充率,t为时间,r为球形燃料元件的内部径向坐标;kf是TRISO燃料颗粒的导热率,Tf(r,亡)是TRISO燃料颗粒的温度,Tm(r,亡)是基体温度,q(亡)是体积平均释热率,Mf是TRISO燃料颗粒密度和比热的乘积,Mm是基体密度和比热的乘积,Ms是壳体密度和比热的乘积,ks是壳体导热率,Ts(r,t)是壳体的温度; [0032] 所述燃料区为基体和TRIS0燃料颗粒,所述非燃料区为壳体。 [0033] 由上述技术方案可知,本发明的有益效果为:第一,在稳态工况下,本发明预测的球形燃料元件中TRISO燃料颗粒核心最大温度和基体最大温度,与理论值相比,误差小于1.5℃或相当量级,计算精度高;第二,在瞬态工况下,本发明预测的球形燃料元件中TRISO燃料颗粒核心最大温度和基体最大温度,与理论值相比,误差小于2℃或相当量级,计算精度高;第三,本发明适用TRISO燃料颗粒填充率范围大,0至0.65之间均可,适用性强;第四,本发明同样适用于柱状燃包覆颗粒燃料、环形包覆颗粒燃料,以及其他可能出现的更加创新的燃料形状。 附图说明 [0034] 图1是本发明的方法流程图。 [0035] 图2是本发明中球形燃料元件的截面图; [0036] 图3是本发明中单个TRISO燃料颗粒的剖视图; [0037] 图4是本发明实施例一中的温度分布计算结果示意图。 具体实施方式[0038] 如图1所示,一种球形燃料元件中TRISO燃料颗粒和基体温度分布计算方法,该方法包括下列顺序的步骤: [0039] (1)设定待计算球形燃料元件的输入参数; [0040] (2)设定待计算球形燃料元件的计算工况输入参数; [0041] (3)根据步骤(1)和步骤(2)设定的参数,计算关键参数,所述关键参数包括区域热输运系数μ、颗粒热输运比Af和基体热输运比Am; [0042] (4)根据计算得到的关键参数,计算TRISO燃料颗粒核心温度与基体温度在球形燃料元件内部的分布; [0043] (5)判断总模拟时间是否满足,若满足,则输出TRISO燃料颗粒核心温度与基体温度在球形燃料元件内部的分布,否则,返回步骤(4)。 [0044] 如图2所示,球形燃料元件由壳体1、基体2和TRISO燃料颗粒3组成,基体2位于壳体1内部,TRISO燃料颗粒3位于基体2内部且弥散在基体2内,所述基体2采用多孔介质。 [0045] 所述步骤(1)具体是指:设定TRISO燃料颗粒3的个数,TRISO燃料颗粒3的个数大于50;设定TRISO燃料颗粒3内部结构的各层直径,层数大于或等于1,如图3所示,所述TRISO燃料颗粒3由内而外依次由燃料核心31、疏松热解炭层32、内致密热解炭层33、碳化硅层34和外致密热解炭层35组成;设定球形燃料元件直径,直径大小可以包含所有TRISO燃料颗粒3; 设定壳体1的厚度;设定球形燃料元件的壳体1、基体2和TRISO燃料颗粒3的热物性,所述热物性包括密度、导热率和比热容。 [0046] 所述步骤(2)具体是指:设定球形燃料元件的热功率;设定总模拟时间;设定时间步长,取值要保证计算稳定性;设定球形燃料元件的初始温度及边界温度。 [0047] 在步骤(3)中,所述区域热输运系数μ的计算公式如下: [0048] [0049] [0050] [0051] [0052] [0053] [0054] 式中,Vp是球形燃料元件的体积,rf是TRISO燃料颗粒3的半径,n是TRISO燃料颗粒3的个数,S是TRISO燃料颗粒3的分布比,ε为TRISO燃料颗粒3的填充率,Qμ(t)是区域热输运功率,kf是TRISO燃料颗粒3的导热率,T(r,t)是温度变量,km是基体导热率,Tf(r,t)是TRISO燃料颗粒3的温度,Tm(r,t)是基体2的温度,r为球形燃料元件的内部径向坐标;rμ为单个TRISO燃料颗粒3的作用半径,F是TRISO燃料颗粒3的填充率相关系数; [0055] 所述颗粒热输运比Af和基体热输运比Am的计算公式分别为: [0056] [0057] Am=1一Af。 [0058] 所述步骤(4)具体是指: [0059] 在燃料区: [0060] [0061] [0062] 在非燃料区: [0063] [0064] 式中,f代表TRISO燃料颗粒3的燃料核心31,m代表基体2,s代表壳体1;ε为TRISO燃料颗粒3的填充率,t为时间,r为球形燃料元件的内部径向坐标;Tf(r,t)是TRISO燃料颗粒3的温度,Tm(r,t)是基体2的温度,q(t)是体积平均释热率,Mf是TRISO燃料颗粒3的密度和比热的乘积,Mm是基体2的密度和比热的乘积,Ms是壳体1的密度和比热的乘积,ks是壳体1的导热率,Ts(r,t)是壳体1的温度;kf是TRISO燃料颗粒3的导热率。 [0065] 所述燃料区为基体2和TRISO燃料颗粒3,所述非燃料区为壳体1。 [0066] 实施例一 [0067] 首先,设定TRISO燃料颗粒3的个数为1411个;设定TRISO燃料颗粒3的内部仅为一层,即仅有燃料核心31,直径为0.5mm;设定球形燃料元件直径为10.11mm;设定壳体1的厚度为0mm,即本实施例不考虑壳体1;球形燃料元件内部只包含两种材料,燃料核心31的导热率设定为3W/(m K)、密度10000kg/m3、比热容200J/(kg K);基体2的导热率设定为20W/(m K)、密度6000kg/m3、比热容300J/(kg K);设定球形燃料元件的总热功率500W、总模拟时间50s、时间步长0.00001s、初始温度和边界温度均为500K。 [0068] 其次,开展关键参数计算: [0069] 计算区域热输运系数μ:区域热输运系数μ的计算值为45446638。 [0070] 计算颗粒热输运比Af和基体2热输运比Am:颗粒热输运比Af的计算值为0.3539,基体2热输运比Am的计算值为0.6461。 [0071] 然后,根据当前时刻,计算球形燃料元件中TRISO燃料颗粒3和基体2的温度分布; [0072] 最后,判断总模拟时间是否满足,如满足则输出TRISO燃料颗粒3的核心温度与基体2的温度在球形燃料元件内部的分布;至此,球形燃料元件的瞬态或稳态温度分布计算结束。最终计算结果如图4所示,可以看到,本发明TTM与FEM数值解相比,误差小于1℃;本发明较其他常规的Winer Bounds计算方法精度具有极大的提升。 [0073] 综上所述,在稳态工况下,本发明预测的球形燃料元件中TRISO燃料颗粒3的核心最大温度和基体2的最大温度,与理论值相比,误差小于1.5℃或相当量级,计算精度高;在瞬态工况下,本发明预测的球形燃料元件中TRISO燃料颗粒3的核心最大温度和基体2的最大温度,与理论值相比,误差小于2℃或相当量级,计算精度高;本发明适用TRISO燃料颗粒3的填充率范围大,0至0.65之间均可,适用性强;本发明同样适用于柱状燃包覆颗粒燃料、环形包覆颗粒燃料,以及其他可能出现的更加创新的燃料形状。 |