朱元兵-西安交通大学核安全与运行研究室(Nuclear Safety and Operation Lab, NUSOL)

朱元兵
工作单位：中科华核电技术研究院
毕业时间： 2012年6月
科研方向：环形燃料组件子通道分析程序开发
毕业论文题目：基于环形燃料的水冷反应堆热工水力特性研究
摘要：
环形燃料是一种具有内外冷却剂通道的新型水冷反应堆燃料设计，它能够同时从内外两侧对燃料芯块进行冷却。相比于燃料体积相等的传统实心棒状燃料，环形燃料具有燃料厚度薄、换热面积与燃料体积比大和刚度大等优点。因此，环形燃料是一种很有前景的燃料设计，它具有增加堆芯功率密度和安全裕量的潜力，可以用来提高水冷反应堆的经济性和安全性，突破当前水冷反应堆的发展局限性。
内外冷却的环形燃料热工水力分析的关键在于内外通道的导热平衡和流量平衡。本文基于环形燃料的热工水力特性，提出了环形燃料三维导热模型和流量分配模型，并成功地和子通道分析程序ATHAS进行了耦合，得到了一个适用于环形燃料组件热工水力分析的程序ATHAS-AF。通过与同类程序的计算结果对比，完成了ATHAS-AF程序的验证。
本文首先评估了环形燃料应用于传统压水堆的热工水力性能。选取典型的西屋4回路压水堆作为参考堆芯。在保持燃料组件尺寸不变的条件下，先利用热棒模型得到了13×13排列的最佳环形燃料组件和50%的堆芯功率提升幅度，再对这种150%功率水平的环形燃料堆芯的热组件进行子通道分析，结果表明，在导向管通道堵流前和堵流后，这种环形燃料堆芯的MDNBR都要高于参考堆芯。本文还对环形燃料的超临界水堆开展了热工水力分析。针对美国压力容器式超临界水堆，先利用单棒模型确定了环形燃料堆芯内的冷却剂流动方案为内入外出型，再对这种冷却方案下的17×17排列的环形燃料组件进行子通道分析，结果表明，环形燃料组件的最高包壳温度和最高燃料芯块温度远低于参考的实心燃料组件。在加拿大压力管式超临界水堆中，环形燃料被应用在棒束内径向功率因子最高的最外圈。本文先通过敏感性分析确定了棒束内环形燃料棒的内径和每一圈燃料棒的位置，然后对这种50棒的环形燃料棒束进行子通道分析，结果表明，环形燃料能够极大地降低棒束的最高燃料芯块温度。
环形燃料在水冷反应堆中的应用前景是非常光明的。本文开发的ATHAS-AF程序能够对环形燃料组件或棒束进行热工水力分析，为环形燃料应用于水冷反应堆的研究工作提供了分析工具，具有重要的理论分析价值和工程应用价值。