三角形排布宽栅格比燃料棒束湍流交混特性实验及模型研究

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小型化铅铋快堆是目前铅铋快堆重要发展方向之一,考虑到冷却剂铅铋密度较大产生的压降,其堆芯燃料组件内棒束为三角形排布宽栅格比设计,该燃料组件在几何结构上与传统压水堆和绕丝定位的钠冷快堆不同,致使燃料组件内的交混特性具有较大的差异。燃料组件内的交混有利于子通道径向温度的展平,降低峰值温度与平均温度的差值,确保燃料元件设计的安全性,提高堆芯运行安全裕度。但是目前现有交混模型多是基于压水堆和钠冷快堆,鲜有关于小型铅铋快堆三角形排布宽栅格比燃料组件的实验和模型研究。因此,本研究以小型铅铋快堆三角形排布宽栅格比燃料棒束为研究对象,以去离子水为实验工质,采用盐溶液示踪剂法开展不同雷诺数下的实验研究,将实验得到的无量纲电导率与COBRA-IV子通道程序获得的无量纲温度进行对比分析,建立交混模型并进行评价分析。本文的主要工作包括:(1)以原型小型铅铋快堆三角形排布宽栅格比燃料组件为研究对象,采用多级双向模化方法开展比例模化研究,通过建立燃料组件控制方程并进行无量纲分析,获得燃料组件模拟体与原型之间需满足的相似准则。研究结果表明:在保持模型与原型几何相似的基础上,当模型与原型的雷诺数相似时,采用去离子水替代液态铅铋开展实验研究可以复现原型燃料组件内的交混特性,模化失真度为0.32%,在误差允许范围内。(2)在比例模化分析的基础上,在水力学实验回路采用盐溶液示踪剂方法开展了不同雷诺数下燃料组件的交混特性实验研究,分析了子通道出口无量纲电导率的分布规律,以及雷诺数和注盐深度对交混特性的影响。研究结果表明:注盐通道无量纲电导率最高,与注盐通道距离约3个通道位置处的电导率为0;中心通道的交混特性与边通道和角通道相比较弱,交混特性与雷诺数成正相关关系,交混系数随雷诺数的增加而增大;随注盐深度的提升,注盐通道无量纲峰值电导率增大,INJ3-INJ4和INJ6-INJ7注盐位置峰值无量纲电导率斜率约为10,INJ1-INJ3和INJ4-INJ6之间的斜率约为3。(3)在实验获得子通道无量纲电导率的基础上,采用Fortran语言编写交混系数计算程序,通过调试交混系数获得子通道出口无量纲温度,将子通道程序获得的无量纲温度与实验获得的无量纲电导率进行对比分析获得实验工况的交混系数,进而建立交混模型。建立的交混模型与实验值的偏差均在10%以内,其中,80%的中心区域实验数据与模型的偏差在7.5%以内,83%的外围区域实验数据与模型的偏差在5%以内。基于上述研究工作,本文建立了小型铅铋快堆三角形排布宽栅格比燃料棒束的交混模型,有利于对堆芯内的相关热工参数进行定量分析,从而保证堆芯运行的安全性和设计的可靠性,为小型铅铋快堆的工程应用奠定基础。
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