1. 簡(jiǎn)介

1.1 背景

OECD/NEA BWR全尺度棒束基準(zhǔn)試驗(yàn)（BWR Full-size Fine-MeshBundle Test，BFBT）是由日本METI、美國(guó)NRC批準(zhǔn)，由OECD/NEA認(rèn)可的一項(xiàng)國(guó)際項(xiàng)目，來(lái)自10個(gè)國(guó)家20個(gè)組織機(jī)構(gòu)的超過(guò)30名專(zhuān)家參與了該項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在為參與者提供足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于研究燃料堆芯中的沸騰轉(zhuǎn)變、空泡份額分布、臨界功率等問(wèn)題，促進(jìn)燃料棒束兩相流的子通道分析的發(fā)展。

基準(zhǔn)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)使其能夠評(píng)估和對(duì)比預(yù)測(cè)BWR全尺寸子通道空泡份額分布和臨界熱流密度的數(shù)值計(jì)算模型。目前的子通道空泡份額分布計(jì)算模型在各種幾何和操作條件下的應(yīng)用沒(méi)有可靠的理論支撐，因此希望能夠通過(guò)該基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，對(duì)氣液兩相流和沸騰轉(zhuǎn)變問(wèn)題在不同尺度上的研究均起到促進(jìn)作用。

圖1 參與BFBT基準(zhǔn)試驗(yàn)的組織機(jī)構(gòu)

1.2 基準(zhǔn)試驗(yàn)內(nèi)容

基準(zhǔn)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)包括了微觀(guān)和宏觀(guān)層面的測(cè)量。試驗(yàn)分為兩個(gè)階段，每個(gè)階段均開(kāi)展了不同的試驗(yàn)。

階段1-空泡份額分布基準(zhǔn)試驗(yàn)

該階段的工作主要是為空泡份額分布模型的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)，包含如下內(nèi)容：

Exercise 1：穩(wěn)態(tài)子通道基準(zhǔn)試驗(yàn)，可用于子通道、介觀(guān)及微觀(guān)尺度的研究方法；

Exercise 2：穩(wěn)態(tài)微觀(guān)尺度基準(zhǔn)試驗(yàn)，可用于介觀(guān)、微觀(guān)以及分子動(dòng)力學(xué)的研究方法；

Exercise 3：瞬態(tài)宏觀(guān)尺度的基準(zhǔn)試驗(yàn)，可用于子通道的方法；

Exercise 4：空泡份額分布的不確定性分析。

階段2-臨界功率基準(zhǔn)試驗(yàn)

該階段工作的目的為開(kāi)發(fā)臨界功率預(yù)測(cè)的模型，包含三部分內(nèi)容：

Exercise 0：穩(wěn)態(tài)壓降基準(zhǔn)試驗(yàn)；

Exercise 1：穩(wěn)態(tài)基準(zhǔn)試驗(yàn)，采用包括沸騰轉(zhuǎn)變的一維方法和子通道方法；

Exercise 2：瞬態(tài)基準(zhǔn)試驗(yàn)，采用包括沸騰轉(zhuǎn)變的一維方法和子通道方法。

2. 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)回路

在BFBT試驗(yàn)中，可以測(cè)量典型的反應(yīng)堆功率和流體狀態(tài)下的組件內(nèi)空泡份額分布和臨界熱流密度。試驗(yàn)臺(tái)架可以模擬BWR的高溫、高壓狀態(tài)，并采用電加熱棒束來(lái)模擬全尺度的BWR燃料組件。

試驗(yàn)系統(tǒng)如下圖所示，主體設(shè)備采用不銹鋼SUS304，冷卻劑為除鹽水。設(shè)備的最高操作條件為壓力10.3MPa、溫度315℃，功率12MW，流量75t/h。該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠模擬BWR穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的全部操作條件。

圖2 BFBT試驗(yàn)回路

2.2 試驗(yàn)段

試驗(yàn)段如下圖所示，包括壓力容器、模擬的流動(dòng)通道和電極等。模擬的全尺寸BWR燃料棒束安裝在容器內(nèi)，在階段1的空泡份額試驗(yàn)中，采用的是常規(guī)的燃料組件，含2個(gè)非加熱棒。

圖3 測(cè)試段結(jié)構(gòu)

2.3 空泡份額分布的測(cè)量

如下圖所示，采用了兩種測(cè)試系統(tǒng)對(duì)空泡份額進(jìn)行測(cè)量：X射線(xiàn)CT掃描和X射線(xiàn)密度儀。

圖4 空泡份額測(cè)量方法

在穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)中，精細(xì)網(wǎng)格的相含率測(cè)量采用X射線(xiàn)CT掃描儀。設(shè)備安裝在加熱段以上50mm處，包括一個(gè)X射線(xiàn)源和512個(gè)探測(cè)器。為保證測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，測(cè)量結(jié)果在時(shí)間上進(jìn)行了平均處理。該測(cè)量系統(tǒng)的空間分辨率可達(dá)到0.3mm×0.3mm。測(cè)量過(guò)程中X射線(xiàn)源360°旋轉(zhuǎn)對(duì)測(cè)量截面進(jìn)行掃描，從而得到截面上的相含率分布。瞬態(tài)試驗(yàn)中也采用了X射線(xiàn)掃描儀進(jìn)行測(cè)量，只不過(guò)掃描儀的位置固定。如下表所示為掃描儀的參數(shù)。X射線(xiàn)密度儀用于測(cè)量截面上的平局空泡份額，測(cè)量過(guò)程中X射線(xiàn)源不進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，測(cè)量不同位置后對(duì)結(jié)果進(jìn)行平均處理。

探測(cè)器監(jiān)控到的X射線(xiàn)密度通過(guò)重構(gòu)算法，可以計(jì)算出截面上的相含率分布。為保證測(cè)量精度，在測(cè)量前需要進(jìn)行標(biāo)定。

表1 X射線(xiàn)掃描儀參數(shù)

表2 X射線(xiàn)密度儀參數(shù)

空泡份額測(cè)量的精度評(píng)估如表3所示。

表3 空泡份額測(cè)量精度評(píng)估

2.4 臨界功率測(cè)量

在階段2的臨界功率試驗(yàn)中，采用了階段1的空泡份額測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)試段為8×8的Burn Up燃料棒束。

試驗(yàn)包括壓降的測(cè)量和臨界功率的測(cè)量?jī)刹糠帧航档臏y(cè)量分別在單相和兩相的條件下進(jìn)行，涵蓋了BWR常見(jiàn)的操作工況。臨界功率通過(guò)增加棒束功率過(guò)程中對(duì)加熱棒的熱電偶信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控實(shí)現(xiàn)，當(dāng)燃料棒表面的溫度峰值高于穩(wěn)態(tài)下溫度水平14℃時(shí)，認(rèn)為達(dá)到了臨界功率。

模擬了兩種典型的BWR瞬態(tài)工況，即功率瞬態(tài)（汽機(jī)脫扣）和流動(dòng)瞬態(tài)（循環(huán)泵跳泵）。

3. 燃料組件

3.1 燃料組件類(lèi)型

試驗(yàn)共采用了兩種燃料組件類(lèi)型，分別對(duì)應(yīng)空泡份額試驗(yàn)和臨界功率試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，共有5種不同的組件幾何參數(shù)和功率分布，如下表所示。

3.2 加熱棒

試驗(yàn)中采用電加熱棒模擬核燃料棒。電加熱棒的包殼、絕緣體、加熱器的材料分別為Inconel、氮化硼、鎳鉻鐵合金，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)如下圖表所示。

圖5 電加熱棒結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 格架

格架用于支撐燃料棒，研究表明，格架對(duì)提高CHF有好處。在BFBT試驗(yàn)中采用了兩種形式的格架，即Grid Type和Ferrule Type，分別如下圖所示。

圖6 Ferrule Type格架

圖7 Grid Type格架

4. 試驗(yàn)工況

BFBT基準(zhǔn)試驗(yàn)獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在階段1的工作中，分別進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的空泡份額測(cè)量試驗(yàn)，獲得了空泡份額在子通道級(jí)網(wǎng)格上的分布和在0.3×0.3的網(wǎng)格尺寸上的分布。在階段2的工作中，分別進(jìn)行了單相和兩相的壓降測(cè)量、穩(wěn)態(tài)的臨界功率測(cè)量、瞬態(tài)的臨界功率測(cè)量等。試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)如下表。

5. 總結(jié)

在Phase 1的空泡份額分布試驗(yàn)中，主要研究了不同組件和不同功率分布條件下的空泡份額分布，試驗(yàn)提供不同尺度的測(cè)量結(jié)果，包括子通道級(jí)和0.3×0.3的分辨率，可用于滿(mǎn)足不同計(jì)算模型的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證需要。試驗(yàn)結(jié)果還可用于對(duì)空泡份額分布的不確定性進(jìn)行分析，并研究其在熱工水力計(jì)算模型中的傳遞。

在Phase2的試驗(yàn)中，開(kāi)展了單相和兩相的穩(wěn)態(tài)壓降試驗(yàn)，可用于修正熱工水力程序中計(jì)算棒束壓降的模型。穩(wěn)態(tài)的臨界功率試驗(yàn)涵蓋了不同的流量、入口過(guò)冷度、壓力、組件類(lèi)型等，可分析空泡份額的分布、液滴夾帶、格架行為等對(duì)臨界功率的影響，改進(jìn)臨界功率預(yù)測(cè)模型。瞬態(tài)工況包括了汽機(jī)脫扣和跳泵工況。

來(lái)源：多相流在線(xiàn)