一种燃料包壳间隙裂变产物积存量计算方法及计算装置与流程

本发明属于核电领域，具体涉及一种燃料包壳间隙裂变产物积存量计算方法及计算装置。

背景技术：

1、在核反应堆运行过程中，燃料裂变反应产生大量具有放射性的裂变产物，这些裂变产物经过扩散、反冲、击出等机制从燃料芯块内释放并积存在燃料棒与燃料芯块之间的包壳间隙内。燃料包壳间隙中的裂变产物是核电运行产生的重要放射性物质来源，包括惰性气体(xe、kr)、卤素(i、br)、碱金属(cs、rb)等多种元素的放射性同位素。在事故工况下，燃料包壳间隙中的放射性产物泄漏是导致事故场内外放射性后果的重要因素。因此，对燃料包壳间隙中的裂变产物积存量进行准确的计算与评估是核电厂设计、安全管理和事故放射性后果评估的关键。目前，燃料包壳间隙裂变产物积存量主要依据rg1.183-2000和nb/t20444-2017rk进行工程假设，这一估算方法无法体现不同反应堆型在设计与结构上的差异；同时由于数值较为保守难以反映生产实际，对工程设计的指导意义有限；进一步地，该评估方法除了i-131与kr-85外未区分其他核素的差异性，不能准确反映实际情况。因此，提供一种燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，通过精细化计算定量事故源项、评价事故放射性后果，对于提高核电厂系统设计与专设安全设施的合理性、提高小型堆型研发的经济性具有积极意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种燃料包壳间隙裂变产物积存量计算方法，定量计算包壳间隙中的裂变产物积存量。本发明还提供一种计算装置。

2、根据本发明一个方面的实施例，提供一种燃料棒包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，该方法包括以下步骤：

3、a)提供目标反应堆的燃料循环管理参数、燃料组件设计参数和一回路系统设计参数；

4、b)提供点燃耗计算模型，根据所述a)步骤提供的参数计算目标核素i随时间变化的堆芯积存量，并进一步计算所述目标核素的产生速率bi，其中b为产生速率；

5、c)计算燃料棒内的功率分布p(r,z)与燃耗分布bu(r,z,t)，其中p为功率，bu为燃耗分布，r为计算节点的径向位置，z为计算节点的轴向位置，t为时间；

6、d)根据p(r,z)计算燃料棒内径向与轴向的温度分布；

7、e)结合燃耗分布与功率分布计算所述目标核素从芯块到包壳间隙的释放产生比(r/b)i，其中r为单位时间内给定空间中释放的原子数；

8、f)结合不同所述目标核素的(r/b)i计算燃料包壳间隙中裂变产物积存量的平衡关系，得到运行工况下燃料包壳间隙中随时间变化裂变产物的积存量。

9、通过上述方法，能够对燃料棒服役过程中产生的不同种类的核素积存量分别进行定量计算，从而获得准确的裂变产物积存总量计算结果，提高模拟计算的准确性。

10、进一步地，在部分实施例中，所述a)步骤中，所述燃料循环管理参数包括燃料富集度、功率密度、辐照循环长度、堆芯轴向功率分布，所述燃料组件设计参数包括材料组成、燃料棒尺寸参数，所述一回路系统设计参数包括压力、温度和流量。

11、进一步地，在部分实施例中，所述b)步骤中，对于所述目标核素i的产生速率bi，

12、其中ni(t)为原子数，为所述目标核素i由可裂变核素j裂变产生的速率，为所述目标核素i由核素k与中子活化反应产生的速率，为所述目标核素i由可核素m发生放射性衰变产生的产生率，为所述目标核素i的辐射俘获消失率。

13、进一步地，在部分实施例中，其特征在于，所述点燃耗计算模型包括点燃耗参数数据库，所述点燃耗参数数据库包括反应截面参数、裂变产额、衰变参数。

14、进一步地，在部分实施例中，所述c)步骤中，所述功率分布包括径向功率分布与轴向功率分布，其中，所述径向功率分布g(r)＝c×i0(κ×r)，其中g(r)为燃料棒径向功率分布函数，c为归一化常数，i0(x)为第一类零阶修正贝塞尔函数；其中ε为燃料富集度百分比，ρu为燃料棒中u的分密度，rfuel为燃料芯块半径；所述轴向功率分布f(z)采用反应堆设计方案中的燃料棒轴向功率分布，或采用其中l为燃料棒长度p(r,z)＝c×prod×g(r)×f(z)，其中prod为燃料棒平均功率；其中δvr,z为(r,z)节点处的燃料体积。

15、进一步地，在部分实施例中，所述d)步骤中，燃料棒的温度分布通过如下模型计算得到：

16、

17、

18、

19、

20、

21、其中，tb为单通道冷却剂的主流温度，tin为单通道的入口温度，tcs为包壳外表面温度，tci为包壳内表面温度，tfs为燃料芯块表面温度，tp为燃料芯块内部温度分布，d0为单通道的当量直径，af为单通道的截面积，qn为燃料棒的径向热流，g为单通道中冷却剂的质量通量，cp为冷却剂的定压热容，hf为对流换热系数，qi为燃料棒的径向线功率密度，ro为燃料棒包壳外径，ri为燃料棒包壳内径，kc为燃料棒包壳的热导率，kgas为包壳间隙气体的热导率，qv为燃料棒的体积释热率，kfuel为燃料芯块的热导率。

22、进一步地，在部分实施例中，在所述e)步骤中，r/b通过求解方程得到，其中c为燃料中的核素浓度，λ为核素衰变常数，d为核素的扩散系数。

23、进一步地，在部分实施例中，对所述目标核素i，

24、

25、其中，为核素i在节点位置(r,z)处的释放产生比；为节点位置(r,z)处的表面积与体积之比；fi为长寿命核素的换算系数，hj,i为母核j对核素i的扩散能力的修正因子；τ＝d×t/a2，其中d为核素的扩散系数，a为燃料芯块晶粒等效成的理想球半径。

26、进一步地，在部分实施例中，d＝d1(t)+d2(t,f)+d3(f)，其中d1为固有扩散系数，d2为因辐照增加的空位机制的扩散系数，d3为非热扩散，t为燃料芯块温度，f为裂变速率。

27、进一步地，在部分实施例中，存在气泡联合效应带来的突变温度tlink，在计算中温度大于tlink与小于tlink时分别采用不同数值，其中：

28、

29、进一步地，在部分实施例中，在所述f)步骤中，燃料包壳间隙中裂变产物积存量的平衡关系通过如下微分方程计算：

30、

31、其中，

32、其中，p为功率，v为体积，rod为燃料棒整体，node表示轴向节点，ring表示径向环，ag,i(t)为核素i的放射性积存量，ag,i(t)为燃料包壳中核素i的母核j的放射性积存量。

33、根据本发明另一个方面的实施例，提供一种计算装置，该计算装置包括存储器与处理器，其中所述存储器存储有计算程序，当所述计算程序被处理器执行时，能够实施前述任一实施例中所提供的燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法。

技术特征：

1.一种燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，其特征在于，所述a)步骤中，所述燃料循环管理参数包括燃料富集度、功率密度、辐照循环长度、堆芯轴向功率分布，所述燃料组件设计参数包括材料组成、燃料棒尺寸参数，所述一回路系统设计参数包括压力、温度和流量。

3.根据权利要求1所述的燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，其特征在于，

4.根据权利要求1或3所述的燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，其特征在于，所述点燃耗计算模型包括点燃耗参数数据库，所述点燃耗参数数据库包括反应截面参数、裂变产额、衰变参数。

5.根据权利要求1所述的燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，其特征在于，所述c)步骤中，所述功率分布包括径向功率分布与轴向功率分布，其中，

6.根据权利要求1所述的燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，其特征在于，所述d)步骤中，燃料棒的温度分布通过如下模型计算得到：

7.根据权利要求1所述的燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，其特征在于，在所述e)步骤中，r/b通过求解方程c|r＝a得到，其中c为燃料中的核素浓度，λ为核素衰变常数，d为核素的扩散系数。

8.根据权利要求1或7所述的燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，其特征在于，对所述目标核素i，

9.根据权利要求8所述的燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，其特征在于，

10.根据权利要求8所述的燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，其特征在于，存在气泡联合效应带来的突变温度tlink，在计算中温度大于tlink与小于tlink时分别采用不同数值，其中：

11.根据权利要求1所述的燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，其特征在于，在所述f)步骤中，燃料包壳间隙中裂变产物积存量的平衡关系通过如下微分方程计算：

12.一种计算装置，包括存储器与处理器，其特征在于，所述存储器存储有计算程序，当所述计算程序被所述处理器执行时，能够实施如权利要求1至11中任一所述的燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法。

技术总结
一种燃料包壳间隙裂变产物积存量的计算方法，根据反应堆的燃料循环管理参数、燃料组件设计参数和一回路系统设计参数计算目标核素的堆芯积存量与产生速率，计算燃料棒内的功率分布与燃耗分布，根据燃料棒的燃耗分布与温度分布计算得到不同目标核素从芯块到包壳间隙的释放产生比，进而得到运行工况下燃料包壳间隙中各裂变产物随时间的积存量变化。该方法能够对燃料包壳间隙裂变产物积存量进行准确的模拟计算，有效指导反应堆设计与安全管理。本发明还提供一种计算装置。

技术研发人员：毛兰方,孙大威,付亚茹,梅其良,高圣钦,陈泽玉,周彦,毛婕,刘佳欣,李蒙
受保护的技术使用者：上海核工程研究设计院股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/6/30