一种新的乏燃料水池及贮存格架热工水力耦合计算方法

摘要

本发明涉及核电厂乏燃料贮存设计技术，具体涉及一种新的乏燃料水池及贮存格架热工水力耦合计算方法。该方法可以对整个乏燃料水池的流场、温度场以及贮存格架进行较为实际地模拟和耦合计算，从而得到整个乏燃料水池及贮存格架内的冷却剂温度场分布及乏燃料组件的温度分布。该计算方法可以对乏燃料贮存的安全性进行更加准确的评价，提高核电厂乏燃料贮存的经济性，保证乏燃料贮存在核电厂运行期间的安全。

说明书

技术领域

本发明涉及核电厂乏燃料贮存设计技术，具体涉及一种采用新的基于CFD (计算流体力学)方法与传统的热工分析方法(单通道模型)相耦合的计算方 法，对整个乏燃料水池的流场、温度场以及贮存格架进行较为实际地模拟。

背景技术

目前在中国建造的压水堆电厂都设置有乏燃料贮存水池，换料大修期间， 堆芯组件被卸载到乏燃料贮存水池内的贮存格架中，一回路检修完毕后，再将 部分卸出组件与新组件重新装入堆芯，另外一部分燃耗高的乏燃料组件将被放 置在乏燃料水池内的贮存格架中长期贮存。

由于换料卸出的燃料组件具有衰变热，会持续发出热量，因此需要对乏燃 料贮存格架中的乏燃料组件进行冷却。为了保证乏燃料组件冷却的安全性及乏 燃料水池内的温度不能过高而影响水池壁面材料的性能和寿命，需要对乏燃料 水池内的温度进行控制。这一方面要求设置足够的换热功率，另一方面由于水 池较大，需要保证水池冷却不会因为局部流动不充分而导致局部过热。因此， 从乏燃料贮存的冷却安全角度考虑，必须对乏燃料水池及贮存格架的热工水力 状态进行分析计算。

在目前的热工分析计算中，乏燃料水池的分析计算采用CFD方法，乏燃料 贮存格架的分析计算采用单通道模型方法，虽然这两种方法在热工分析计算中 都得到应用，但却是分开进行的，在两者之间缺乏直接的耦合。本发明将CFD 方法和单通道模型直接耦合在一起，从而计算出整个乏燃料水池及贮存格架内 的冷却剂温度场分布及乏燃料组件的温度分布。

发明内容

本发明的目的在于针对核电厂乏燃料贮存的热工设计，提供一种新的乏 燃料水池及贮存格架热工水力耦合计算方法，从而对整个乏燃料水池的流场、 温度场以及贮存格架进行较为实际地模拟，给出整个乏燃料水池的温度分布 以及贮存格架内乏燃料组件的温度分布，对核电厂乏燃料贮存的热工水力状 态进行安全评价。

本发明的技术方案如下：一种新的乏燃料水池及贮存格架热工水力耦合 计算方法，包括如下步骤：

(1)首先采用CFD方法对整个乏燃料水池的流场、温度场进行建模计算， 得到乏燃料贮存格架出入口压差及格架入口温度；

(2)将CFD方法计算得到的乏燃料贮存格架出入口的压差及格架入口温 度作为乏燃料贮存格架单通道热工计算的输入条件；

(3)采用单通道模型对贮存格架及乏燃料组件进行流动和传热计算，得 到格架出、入口流量和格架出口温度；

(4)将单通道模型计算得到的格架出、入口流量和格架出口的温度作为 边界条件回传到步骤(1)，利用CFD方法开始新一轮的乏池流场、温度场计 算；

(5)通过CFD计算与单通道计算的迭代耦合计算，最终得到满意的收敛 结果，从而得到整个乏燃料水池及贮存格架内的冷却剂温度场分布及乏燃料 组件的温度分布。

进一步，如上所述的新的乏燃料水池及贮存格架热工水力耦合计算方法， 步骤(1)中所述的内容主要是通过对水池、格架以及乏燃料组件模型化，从 而建立乏燃料水池CFD分析计算模型。通过对乏燃料水池流场、温度场的分 析计算，得到乏燃料贮存格架出入口压差及格架入口温度

进一步，如上所述的新的乏燃料水池及贮存格架热工水力耦合计算方 法，步骤(2)将CFD方法计算得到的乏燃料贮存格架出入口的压差及格架入 口温度作为乏燃料贮存格架单通道热工计算的输入条件，建立格架单通道计 算模型，编制接口程序，执行CFD软件与单通道热工计算模型的链接，实现 了乏池与格架热工水力计算的第一次耦合。

进一步，如上所述的新的乏燃料水池及贮存格架热工水力耦合计算方 法，步骤(3)主要采用单通道模型对贮存格架及乏燃料组件进行流动和传热 计算，得到格架出、入口流量和格架出口温度；

进一步，如上所述的新的乏燃料水池及贮存格架热工水力耦合计算方法， 步骤(4)通过所编制的接口程序，执行CFD软件与单通道热工计算的链接， 将单通道模型计算得到的格架出、入口流量和格架出口的温度作为边界条件 回传到步骤(1)，实现了乏池与格架热工水力计算的第二次耦合。

进一步，如上所述的新的乏燃料水池及贮存格架热工水力耦合计算方法， 步骤(5)建立了所计算热工参数的收敛准则，监视迭代耦合计算过程，通过 CFD方法与单通道模型的多次迭代耦合计算，最终得到满足收敛准则的真实 准确的计算结果。

本发明的有益效果如下：本发明应用一种新的热工水力耦合计算方法， 能够对乏燃料水池及贮存格架的流场、温度场进行更加准确的模拟与评估， 对乏燃料贮存的安全性进行更加准确的评价，从而提高核电厂乏燃料贮存的 经济性，保证乏燃料贮存在核电厂运行期间的安全。

附图说明

图1为CFD方法与单通道模型耦合计算方法示意图；

图2为实施例中乏燃料水池及贮存格架模拟示意图；

图3为实施例中贮存格架结构示意图；

图4为实施例中乏燃料贮存格架上下表面的压力分布；

图5为实施例中乏燃料贮存格架自然循环示意图；

图6为实施例中乏燃料贮存单元出、入口流量与组件功率的关系曲线；

图7为实施例中贮存格架出口的温度分布；

图8为实施例中贮存格架上、下表面的温度分布；

图9为实施例中乏燃料贮存单元中的冷却剂及燃料组件表面的温度分布；

图10为实施例中乏燃料水池壁面的温度分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明采用CFD方法和单通道模型相耦合的计算方法，即首先采用CFD方 法对整个水池的流场、温度场进行计算，得到乏燃料贮存格架的压差及格架入 口温度，并将此作为乏燃料贮存格架单通道热工计算的输入条件；然后采用单 通道模型对贮存格架及乏燃料组件进行流动和传热计算，并将计算得到的格架 出、入口流量和格架出口的温度作为边界条件传递回CFD软件，通过单通道模 型和CFD计算模型的耦合计算，从而得到整个乏燃料水池及贮存格架内的冷却 剂温度场分布及乏燃料组件的温度分布。

图1给出了针对乏燃料水池的CFD计算1与针对贮存格架与组件的单通道 热工计算7两部分耦合起来的计算方法示意图。

其中，通过对乏燃料水池的CFD计算，能够获得较为详细和更加真实的水 池内的流场2与温度场4情况，从流场2的计算结果中能够得到每个贮存格架 的出入口压差3；从温度场4的计算结果中能够得到每个贮存格架的入口温度5。

针对每个贮存格架以及贮存在格架内的乏燃料组件，CFD计算得到的格架上 下压差3和格架入口温度5作为输入条件，并同时考虑乏燃料组件发热功率6 的影响，采用单通道热工计算方法7能够计算得到通过格架和组件的流量9，格 架出口温度10，以及组件包壳的表面的温度8。

之后，由收敛准则11进行判断，如果满足收敛准则，则计算结束。如果不 满足收敛准则，则由单通道计算方法得到的格架出入口流量9及格架出口温度 10又作为CFD水池计算1的输入条件返回到CFD水池计算1中，开始新一轮的 计算。就这样，水池的CFD计算1和针对格架与组件的单通道热工计算7反复 进行迭代，直至最后计算结果收敛，从而得到整个乏燃料水池及贮存格架内的 冷却剂温度场分布及乏燃料组件的温度分布，并根据耦合计算结果对核电厂乏 燃料贮存的热工水力状态进行安全评价。

实施例

本实施例以M310核电厂乏燃料贮存为描述对象，介绍了M310核电厂乏燃 料水池在正常冷却运行工况下水池及贮存格架热工水力耦合计算方法的具体内 容。

(a)乏燃料水池CFD方法建模及分析计算。

在乏燃料水池中，放置了22个大的贮存格架(每个格架由若干个贮存单元 组成，每个贮存单元里放置一个燃料组件)，图2给出了乏燃料水池及贮存格架 的模拟示意图，图2中，12为乏燃料池，13为贮存格架。图3给出了贮存格架 结构示意图，图3中，14为贮存单元，15为格架围板，16为支撑板，17为辅 助进水孔，18为支腿。依据乏燃料水池及贮存格架结构，对水池、格架以及乏 燃料组件模型化。

为了避免在CFD模型中对格架内部贮存单元进行复杂的模拟，因此将格架 的上下表面(格架的出入口)作为水池模型的边界条件，仅对格架外面和水池 内部的流场、温度场进行CFD分析计算，并得到乏燃料贮存格架出入口压差及 格架入口温度。图4给出了乏燃料贮存格架上下表面(格架的出入口)的压力 分布。

(b)将CFD方法计算得到的乏燃料贮存格架出入口的压差及格架入口温度 作为乏燃料贮存格架单通道热工计算的输入条件。

首先针对贮存格架内部贮存单元建立单通道计算模型。对于贮存格架内的 每一个贮存单元，是依靠自然循环来冷却燃料组件的。如图5所示，水池中的 冷水由贮存格架底部进入每一个贮存单元，并被贮存单元内的燃料组件加热。 加热后的水从格架顶部出口流出，进入贮存格架外的水池大空间。由于密度差 的作用，经冷却后的水下沉至水池底部并再次进入贮存格架，开始新一轮的自 然循环。

在贮存格架的单通道模型中，格架出入口的压差及格架入口温度是进行格 架内部贮存单元热工水力计算的输入条件，是通过所编制的接口程序从CFD计 算结果来获得，从而实现了乏池与格架热工水力计算的第一次耦合。关于接口 程序的编制属于本计算机编程领域的公知技术。

(c)采用单通道模型对贮存格架及乏燃料组件进行流动和传热计算。

以从CFD计算得到的格架出入口的压差和格架入口温度作为输入条件，并 同时考虑乏燃料组件发热功率的影响(图6给出了贮存单元出、入口流量与组件 功率的关系曲线)，针对每个贮存格架内的贮存单元和燃料组件进行流动和传热 计算，得到格架出、入口流量和格架出口温度。

(d)将单通道模型计算得到的格架出、入口流量和格架出口温度作为 CFD水池模型的边界条件。

通过所编制的接口程序，执行CFD软件与单通道热工计算的链接，将单 通道模型计算得到的格架出、入口流量和格架出口的温度作为CFD水池模型 的边界条件回传给CFD，从而实现了乏池与格架热工水力计算的第二次耦合。

图7给出了格架上表面(格架出口)的温度分布，作为CFD水池模型的 边界条件。

(e)通过CFD方法与单通道模型的多次迭代耦合计算，最终得到满足收 敛准则的真实准确的计算结果。

建立了所计算热工参数的收敛准则，监视迭代耦合计算过程，通过CFD 方法与单通道模型的多次迭代耦合计算，最终得到满足收敛准则的真实准确 的计算结果。

收敛准则用下式表示：

其中，m_n为第n次迭代计算时的格架流量，m_n-1为第n次前一次迭代计 算时的格架流量，当在迭代计算过程中满足收敛准则时，即认为格架内流量 已经稳定，格架压差及出口温度不在变化，计算结果已经收敛。

图8给出了贮存格架上、下表面的温度分布，由图中可知，水池内部的 最高水温应该出现在水池入水口下方格架的上部出水口位置，其最大水温值 为72℃,距离格架顶部发生沸腾(沸腾温度115.74℃)还有很大裕度。

图9给出了水池入水口下方格架的贮存单元中的冷却剂及燃料组件表面 的温度分布。由图中可知，贮存单元中冷却剂的最高温度为72℃,燃料组件 表面的最高温度为88℃。

图10给出了水池壁面的温度分布。由图中可知，在水池入水口下方格架 附近，水池壁面温度较高，其最大壁温值为64℃,低于水池池壁材料所限制 的温度(80℃)。

本实施例计算结果表明，通过对M310核电厂乏燃料水池的流场、温度场 以及贮存格架进行较为实际地模拟和耦合计算，从而得到整个乏燃料水池及 贮存格架内的冷却剂温度场分布及乏燃料组件的温度分布。M310核电厂乏燃 料贮存满足相关安全标准及设计要求。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本 发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利 要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。