CPR1000机组LOCA事故后燃料棒结垢的风险与分析

第38卷第2期核科学与工程V ol.38 No.2 2018年4月Nuclear Science and Engineering Apr.2018
CPR1000机组LOCA事故后燃料棒结垢的
风险与分析
齐宇博，李剑波，张 伟，艾华宁
（中科华核电技术研究院系统工程与改造中心，广东深圳518124）
摘要：本文分析CPR1000机组在发生大破口失水事故（LOCA）后，燃料棒结垢的风险。

在极端条件下，针对AFA−3G燃料棒不同结垢厚度和导热系数，利用ANSYS有限元稳态热分析模块，分析结垢对燃料棒导热的影响。

计算结果表明：在保守的热边界条件下，燃料棒包壳表面最大温度为305.02 ℃，低于426.7 ℃。

说明燃料棒处于最苛刻的结垢状况，同时热边界条件处于再循环阶段极限工况，CPR1000机组燃料棒导热情况依然是可接受的。

关键词：燃料棒包壳；化学沉淀物；氧化物；污垢；导热
中图分类号：TL331文章标志码：A文章编号：0258−0918（2018）02−0313−05
Risks and Analyses About Fuel Rod as Being Surrounded by
Concentric Layers of Oxide、Crud and Precipitate During
the Post-LOCA of CPR1000
QI Yu-bo, LI Jian-bo, ZHANG Wei, AI Hua-ning
（China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen, Guangdong Prov.518124，China）
Abstract: The risks about oxide, crud and chemical precipitate around the fuel rod during the post-LOCA of CPR1000 were analyzed. In an extreme condition, by using the steady-state thermal analysis module of ANSYS, based on the different thickness and the thermal conductivity of the fuel rod as being surrounded by concentric layers of chemical precipitate of AFA−3 G fuel assembly to analyses the effect on heat transfer. Under the conservative boundary conditions, the calculation results had showed that the maximum temperature of the surface of fuel rod cladding was 305.02 ℃，less than 426.7 ℃.In the extreme conditions, fuel rod thermal situation was still acceptable during the post-LOCA of CPR1000.
Key words: Fuel rod cladding; Chemical precipitate; Oxide; Crud; Heat transfer
______________________
收稿日期：2017−11−29
作者简介：齐宇博（1986—），男，陕西定边人，工程师，大学本科，现主要从事核电站工程改造方面研究
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CPR1000机组在LOCA事故下，核电厂的专设安全系统动作，用来保护核燃料处于安全可控的状态。

系统投运伊始，是从备用水源取水，水源枯竭后，则切换到从地坑取水。

地坑主要负责收集从主回路破口和安全壳喷头处回流的冷却剂，由于要经历安全壳内的循环，冷却剂不可避免地被杂质污染。

出于保障专设安全系统功能的目的，核电厂设有地坑过滤器，防止杂质传递到下游。

然而，核电厂普遍采用机械式过滤器，难以拦截全部的杂质，细小碎片依然能够摆脱拦截，从而进入到堆芯。

燃料组件下管座处的防屑板，带翼片的定位格架，都会加剧碎片的拦截效应。

若堆芯被堵塞，强迫注入的流量会下降，燃料组件上部核态沸腾换热区会在原有基础上进一步扩大。

燃料棒包壳氧化物、污垢及化学生成物在棒表面沉积，这些污垢的存在，会使燃料棒换热持续恶化。

美国核管会（NRC）率先注意到这类问题，并称之为“下游效应”。

2004年，NRC发布监管通告，督促美国电厂完成堆芯应急冷却系统（ECCS）和安全壳喷淋系统（CSS）可靠性评估。

2012年，NRC升版其管理导则[3]，强调评估下游效应的重要性。

本文借鉴国外公司的评价思路，结合中广核CPR1000机组的特性，对燃料棒结垢风险进行分析，评估结垢对传热的影响。

1燃料棒结垢的风险
核电厂在LOCA事故下，一般会产生纤维、颗粒和化学产物三类碎片。

纤维通常会钩挂在定位格架上，堵塞冷却剂的正常流道。

颗粒类碎片则作为污垢沉积在燃料棒表面。

化学产物主要源于安全壳内各种材料在复杂环境下的反应，这类碎片粒径较小，附着性强，由于形成缓慢，附着在燃料棒表面的外表层。

2分析方法及评价标准
2.1分析方法
分析环境选择事故后再循环阶段的极端工况，燃料棒衰变热选取极端值。

燃料棒热传导模型如图1所示，从内到外依次为氧化物、污垢和化学沉淀物[1]。

事实上，积垢是在长期再循环过
程中逐步形成的，出于保守的考虑，假设积垢在事故发生后立即出现。

图1热传导模型
Fig.1Heat Transfer Model
试验表明：化学沉淀物的热传导系数大约是0.29 W/m•K[1]，分别选取导热系数0.06 W/m•K、0.17 W/m•K、0.29 W/m•K和0.52 W/m•K，进行参数化研究，以获取可靠的计算结果。

同时，根据燃料组件相邻棒间距，最外层化学沉淀物淤积厚度分别取0 mm、0.23 mm、0.45 mm、0.68 mm、0.91 mm和1.14 mm等。

2.2评价标准
2006年，NRC澄清评价时间范围为事故后30天。

关于事故后堆芯衰变热排出和燃料包壳氧化问题，NRC提出包壳温度不应超过426.7 ℃[1]，以避免包壳材料因腐蚀和氢化（Hydrogen pickup）导致机械特性的改变。

美国高压釜试验（Long-term autoclave）证实426.7 ℃能够作为长期再循环阶段包壳材料温度的上限。

因此，CPR1000机组评价借鉴国外同类标准。

3有限元计算
行文简洁起见，不同化学沉淀物厚度不全部列举，仅以1.137 5 mm为例。

3.1计算模型
燃料包壳氧化物、污垢热传导系数及厚度如表1[1]所示。

鉴于对称性，取燃料棒1/4建模，如图2所示。

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图2 模型
Fig.2 Model 表1 模型参数
Table 1 Parameters of the model
积垢类型 导热系数/（W/m •K ）
厚度
/mm
氧化物 0.73 0.10 污垢 0.17
0.10 化学沉淀物
0.06、0.17、0.29 or 0.52
1.14
结构化网格划分，网格精度为10−4 mm ，如图3所示。

图3 网格划分
Fig.3 Meshing
3.2 计算输入
再循环阶段燃料棒最大峰值线功率作为衰变热输入，并在30天的计算区间内恒定，热流密度取30 036.9 W/m
2[2]。

化学沉淀物最外层两相流
换热，环境温度设为121.1 ℃，对流换热系数取114.47 W/m 2
•K [1]。

此外，还有如下假设[1]：
（1） 仅考虑燃料棒径向导热，忽略其轴向热传导；
（2） 不考虑燃料棒与燃料格架传热问题； （3） 选择燃料棒包壳与其氧化物接触面为热边界，不关注锆合金材料特性；
（4） 各氧化物、污垢及化学沉淀物层间无间隙，不考虑接触热阻。

主回路发生冷端断裂时，再循环阶段具有最
大峰值线功率，冷端双端断裂衰变剩余功率如图4[2]所示。

图4 归一化衰变功率
Fig.4
Residual Core Heat Fraction of Full Power
3.3 计算结果
化学沉淀物厚度为 1.14 mm ，导热系数取0.06 W/m •K 、0.17 W/m •K 、0.29 W/m •K 和0.52 W/m •K 。

计算区间30天，步长最小10 s ，最大400 h ，燃料棒导热达到稳态结果如图5～图8所示。

图5 导热系数取0.06 W/m •K 时的稳态结果
Fig.5 The value of thermal conductivity of chemical
precipitate is 0.06 W/m •K
图6导热系数取0.17 W/m•K时的稳态结果Fig.6The value of thermal conductivity of chemical
precipitate is 0.17 W/m•K
图7导热系数取0.29 W/m•K时的稳态结果Fig.7The value of thermal conductivity of chemical
precipitate is 0.29 W/m•
K
图8导热系数取0.52 W/m•K时的稳态结果
Fig.8The value of thermal conductivity of chemical
precipitate is 0.52 W/m•K
取外层化学沉淀物厚度恒定，提升化学沉淀物的导热系数，包壳表面稳态温度从305.02 ℃下
降至153.46 ℃。

改变最外层化学沉淀物的厚度，
重复计算，得到不同厚度，不同导热系数对应的
最终稳态温度。

计算结果汇总，如表2所示。

表2计算结果以散点图体现在图9中。

3.4网格精度对计算结果影响
上述过程网格单元精度控制在10−4 mm，为确保计算结果的精确性，评估网格精度对结果影
响。

以外层化学沉淀物厚度最大，导热系数0.06
W/m•K条件为例，此时对应包壳外表面温度最
大。

分别取网格精度10−3 mm、2×10−4 mm、4×10−4
mm、8×10−4 mm、10−4 mm和8×10−5 mm验证，
结果如表3所示。

表2计算结果汇总
Table2Summary of the calculation results
化学沉淀物厚度/mm
导热系数/（W/m•K）
0.06 0.17 0.29 0.52
0 135.94 ℃135.94 ℃135.94 ℃135.94 ℃
0.227 5 173.32 ℃148.23 ℃143.20 ℃139.83 ℃
0.445 206.86 ℃159.22 ℃149.67 ℃143.29 ℃
0.682 5 241.85 ℃170.63 ℃156.37 ℃146.85 ℃
0.91 273.86 ℃181.74 ℃162.63 ℃150.22 ℃
1.375 305.02 ℃191.34 ℃168.61 ℃153.46 ℃
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图9 燃料包壳与氧化物边界温度随化学沉淀物厚度变化
Fig.9 Clad-Oxid Interface Temperature vs. Chemical Precipitate Thickness
表3 网格精度对结果影响
Table 3 Mesh size vs . Calculation results
包壳外表面温度/℃
网格精度/mm
305.06 8×10−5 305.02 10−4 305.28 2×10−4
305.42 4×10−4 306.44 8×10−4 307.09
10−3
表3表明，网格精度对计算结果影响不明显，10−4 mm 满足要求。

4 结果分析
在LOCA 事故下的极端工况，选择了保守的热边界条件，燃料棒包壳表面最大温度为305.02 ℃。

根据第2.2节的评价标准，该值低于426.7 ℃。

据国外经验反馈，类似条件下，燃料棒包壳表面最大温度为293.3 ℃[1]。

Westinghouse 、AREVA 的燃料组件试验（FA Test ），观察到在发生堆芯堵塞，燃料棒间隙依然有流体流动。

Westinghouse 采用WC/T 程序，从堆芯安全分析角度，论证即使堆芯发生82%和99.4%的堵塞，依然有足够的流量带走衰变热[1]。

5 结论
本文借鉴西屋报告[1]评价思路，利用ANSYS
有限元计算软件，结合CPR1000机组在LOCA 事故下的特性，以及AFA −3G 燃料组件结构，对燃料棒外层化学沉淀物厚度和导热系数开展参数化研究，并在极端条件下，评估燃料棒导热的安全性。

计算结果显示：当化学沉淀物厚度取极值，导热系数取最低，30天稳态温度为最大，仍低于426.7 ℃。

表明：即使CPR1000机组发生最严重结垢情况，其燃料棒导热情况依然能够接受。

参考文献：
［1］ Westinghouse Electric Company. Evaluation of Long-Term
Cooling Considering Particulate 、
Fibrous and Chemical Debris in the Recirculating Fluid ：
WCAP −16793−NP ［R ］. U.S ，2011. ［2］ 漆向前. Characterization of Events that Lead to ECCS Sump
Recirculation, PKX50000041KEGE03GN ［R ］. 中广核工程有限公司，2007.
［3］ NRC RG1.82. WATER SOURCES FOR LONG-TERM
RECIRCULATION COOLING FOLLOWING A LOSS-OF- COOLANT ACCIDENT ［S ］. U.S ，2012.
［4］ Westinghouse. Evaluation of Downstream Sump Debris
Effects in Support of GSI −191：WCAP −16406−P-A ［R ］. US ，2008.
［5］ 杨世铭，陶文铨. 传热学［M ］. 北京：高等教育出版社，2004. ［6］ 曾攀，石伟，雷丽萍. 工程有限元方法［M ］. 北京：科学出
版社，2012.。