PWR子通道和燃料组件测试介绍

1简介

1.1 背景

在美国核管理委员会（NRC）的赞助下，宾夕法尼亚州立大学（PSU）根据NUPEC BWR全尺度棒束基准试验（BFBT）编制，组织，实施和总结了OECD / NRC基准测试。这项国际基准测试活动是与日本核能机构（NEA），经合组织和日本核能安全组织（JNES）合作开展的。从1987年到1995年，日本的核动力工程公司（NUPEC）对BWR和PWR使用全尺度模型测试进行了一系列空泡份额测量。对于BWR，在实际工厂条件下，基于最先进的计算机断层扫描（CT）技术，在小于子通道的网格尺寸下可视化空泡份额分布。 NUPEC还基于等效的全尺度模型测试执行一系列稳态和瞬态临界功率测试。考虑到测量数据，以及系统压力，入口过冷度和燃料棒表面温度等其他相关参数的可靠性，这些系列测试提供了第一个实质性的数据库，用于开发真实的机理和一致性模型，以模拟空泡份额分布和沸腾传热。

因此，JNES为OECD/ NRCBFBT国际基准测试提供了BWRNUPEC数据库。这一国际基准测试促进了未经研究的与核反应堆安全边际量评估具有紧密相关的两相流理论领域的进步。BFBT基准测试由两部分（阶段）组成，每部分由四个不同的实验组成，并用于CFD，子通道和系统热工水力学程序的验证。BFBT基准测试活动非常成功，来自十五（15）个国家的约三十（30）个组织参与了不同的基准测试。 BFBT活动正在完成最终的比较报告，这份报告将作为美国NRC NUREG和NEA / OECD报告发布。一份专门针对BFBT基准测试的核工程和设计期刊问题的报告正在准备，该报告将记录参与者的模型和结果。

基于OECD / NRC BFBT基准测试的成功，JNES决定同时发布基于NUPECPWR子通道和燃料组件测试（PSBT）的数据作为国际基准测试，并要求PSU组织和开展此基准测试活动。在仿真PWR热工水力工况下， NUPEC进行了稳态和瞬态条件下（例如功率增加，流量减少，减压和温度升高）空泡份额测量和DNB测量。

图1 PSBT基准测试团队

1.2 目标

基于NUPEC数据库建立的国际OECD / NRC PWR 子通道和燃料组件测试（PSBT）基准测试，鼓励了与核反应堆安全边际量评估紧密相关的棒束流体流动的子通道分析。该基准测试规范正在设计中，以便系统地评估和比较参与者的数值模型，用以预测详细的子通道空泡分布和DNB。目前，子通道空泡分布的数值模拟只有有限的理论方法，可应用于大范围的几何条件和操作条件。在过去的十年中，实验和计算技术极大地改进了流动结构的研究。在接下来的十年中，可以预期机理方法将更广泛地应用于燃料棒束内的复杂流体现象。目前正在开发用于DNB预测的真正机理模型。这些模型必须包括诸如空泡分布，液滴沉积，液膜夹带和定位搁架行为的过程。基准测试规范要求参与者解释他们在测量的DNB和流体主导过程之间的建模相关性。

应该认识到，该基准测试的目的不仅是对当前可用的计算方法进行比较，而且是对开发关注更微观过程的新一代方法的鼓励。在这种情况下，子通道空泡份额数据被视为宏观数据，而数字化计算机图形图像是微观数据，其提供子通道内的详细空泡分布。 该基准测试规范由带有完整NUPEC PWR基准测试数据库的CD-ROM补充，该数据库已分发给已签署保密协议的所有参与者。

1.3 基准测试阶段的定义

来自NUPEC的测试设备和数据包括宏观测量和微观测量。基准测试有两个不同的阶段，每个阶段包括不同的实验。下面对这些阶段和实验进行讨论。

1.3.1 第一阶段——空泡份额基准测试

此基准测试阶段的目的有三个：

1）提供数据验证空泡分布的数值模型；

2）提供各种几何条件和操作条件下的数据，以验证空泡分布模型；

3）为广泛适用于燃料棒束内的流体现象的机理方法的开发提供数据。

第一阶段包括四个实验：

实验1 - 稳态单子通道基准测试，可用于改进当前子通道内空泡生成和空泡分布的模型。

实验2 - 稳态燃料组件基准测试，可应用于子通道和系统热工水力代码。

实验3 - 瞬态燃料组件基准测试，可用于确定子通道和系统热工水力程序预测瞬态过程中空泡生成的能力。

实验4 - 压降基准测试。 将进行代码与代码之间的比较。

1.3.2 第二阶段——偏离泡核沸腾 (DNB) 基准测试

该基准测试的目的是为DNB预测开发真正的机理模型。

第二阶段包括三个实验：

实验1 - 稳态流体温度基准测试，可应用于子通道和系统热工力学程序以及CFD程序验证。

实验2 - 稳态DNB基准测试，可用于改善当前稳态下PWR棒束中DNB预测模型。

实验3 - 瞬态DNB基准测试，可用于改善当前瞬态下PWR棒束中DNB预测模型。

2 测试设备

2.1 概述

空泡分布和DNB测量的测试设备能够模拟PWR中的高压，高温流体条件。尽管两个阶段使用相同的测试循环，但是构造不同的测试部分以表示单个子通道和完整的棒束。

2.2 测试循环

图2所示的NUPEC测试设备包括高压和高温再循环回路，冷却回路以及仪表和数据记录系统。再循环回路包括测试部分，循环泵，预热器，蒸汽鼓（用作增压器）和水混合器。设计压力为19.2 MPa，设计温度为362°C。

图2 NUPEC PWR测试设备系统示意图

2.3 测试部分

使用三个不同的测试部分对空泡分布进行测量；一个用于子通道空泡分布测试，一个用于棒束空泡分布测试，一个用于棒束DNB测量。

2.3.1 单子通道空泡分布测量

图3显示了用于中央子通道空泡测量的测试部分。它模拟PWR组件中的一个子通道类型。冷却剂在压力容器中水平地流入位于加热部分正下方的冷却剂入口喷嘴。类似的测试部分用于带有套环的中心，侧面和角部子通道类型。有效加热长度为1555 mm，空泡测量部分开始于距离加热部分[1]底部1400 mm处。

图3一般子通道空泡份额含率测量试验段

2.3.2 棒束空泡分布测量

电加热棒束用于模拟PWR燃料组件的部分长度或全长。图 4显示了用于棒束空泡测量的测试部分。有效加热长度为3658mm，分为三个部分（上部，中部，下部），分别为3177mm，2669mm和2216mm。冷却剂通过冷却剂入口喷嘴水平地流入压力容器，并向下流过流动通道和压力容器之间的部分。冷却剂继续进入流动通道，从压力容器的底部向上流过测试组件，其中加热部分的底部位于压力容器底部上方630mm处。

图4燃料组件空泡份额含率测量试验段

                            图5测试容器横截面

2.3.3 棒束DNB测试

DNB测量是针对部分全长5×5和6×6阵列棒束进行的，其模拟17×17 PWR燃料组件。对稳态和瞬态分别进行测量。在图 2所示的设备中进行测量，组件描述如表 7所示。

2.4 空泡分布测量方法

参考文献[2]和[3]中提供了空泡份额测量程序的详细说明。简要说明如下。

使用伽马射线透射方法测量流动的密度，密度被转换成气液两相流的气含率进行测量。图 6显示了用于执行整个棒束的空泡份额测量的流程。该图的上半部分显示了用于执行单个子通道的空泡份额测量的流程。在子通道实验[3]中，使用窄伽马射线束CT扫描仪测量子通道平均空泡份额，并使用宽伽马射线束测量弦平均空泡份额。对于不同的子通道类型，如角落，侧面或中心子通道，子通道和 弦平均空泡分数之间的关系是单独导出的。然后使用这些关系来校正棒束测试中用宽光束测量的子通道平均空泡份额。

图6所示的空泡测量系统由伽马射线源（¹³⁷Cs）;探测器;准直器和信号处理单元组成。检测到的伽马射线的衰减程度取决于空泡份额。通过伽马射线的强度来计算空泡份额（30×10⁴cps）。

CT扫描系统用于确定稳态流动时子通道内密度/空泡分数的分布，并计算子通道平均空泡份额。该系统通过平移/旋转方法操作。在每个平移/旋转位置处，检测到被物体衰减的伽马射线的强度，即所谓的“投影数据”。然后通过滤波反投影算法执行图像重建，以获得线性衰减系数的分布。测量时间足够长以避免流动的影响。

在x和y方向布置两个密度计系统用于单个子通道测试中的弦平均空泡份额测量弦 平均空泡空泡份额测量。每个密度计系统都由伽马源和检测器组成。它们布置的位置在同一个表格中记录（相同高度），位置在测量期间固定。

使用多光束系统来测量棒束的每个子通道空泡部分。燃料棒和燃料棒/子通道之间x,y方向分别有六个通道传输数据，然后通过迭代方法重建36个子通道的空泡份额。这些子通道空泡分数对应于单个子通道测试的弦测量值。在单个子通道测试中获得的子通道平均空泡分数与弦平均空泡分数之间的关系用于确定棒束测试中的子通道平均空泡分数。这些测量在三个轴向高度同时进行。

                      图6空泡份额测量步骤

2.5 DNB测量方法

热电偶用于确定沿棒束轴向的发热功率。这些热电偶连接到加热棒的内表面并确定沸腾过渡。通过初步分析，棒束功率通过缓慢增加到DNB功率附近。通过热电偶测量的棒温升高是否超过11℃（20°F），来确定DNB的发生。DNB功率被定义为与温度出现上升之前的相对应功率。

3 测试装配数据

3.1 概述

本章为参与者提供PWR棒束的几何和材料数据以及在空泡分布和DNB测量中使用的单个子通道装置。并描述了径向和轴向以及测试条件下的功率分布模式。还给出了燃料组件和垫片尺寸，加热棒规格和材料特性的数据。

3.2 空泡分布数据

两个不同的测试组件用于空泡分布测量：单个子通道和全尺寸PWR燃料组件。表 1概述了这些组件及其特性。燃料组件中的套环棒充满水。在这种加热棒中，管结构的底部对流动开放，而销孔位于结构的顶部。

           表1用于空泡份额测试的特殊组件

3.2.1 单个子通道规格

表2概述了用于执行空泡分布测量的四个不同子通道。图 7为子通道测试组件的横截面视图。

     表2测试组件S1、S2、S3和S4的几何信息

           图7单子通道测试组件截面示意图

3.2.1.1子通道实验设备的燃料棒结构

表3描述了子通道测试组件中使用的加热棒的特性。图 7提供了子通道测试组件中加热棒的横截面结构图。

          表3子通道测试组件加热棒结构信息

3.2.2 棒束规格

表4概述了用于进行空泡分布测量的三种不同棒束。图 8描述了插入棒束中的十个压力接头的位置，以测量压力损失。图 9和图 10分别描述了两种不同的径向功率分布，分别命名为A和B。所有功率均为相对功率。表 5显示了棒束测试中使用的轴向功率分布（基于余弦形状）。

      表4测试组件B5、B6和B7的几何信息 

                      图8压力测试

 Figure 3.2.2.2 Radial Power Distribution Type A 

              图9径向功率分布（type A）

 Figure 3.2.2.3 Radial Power Distribution Type B

         图10径向功率分布（type B）

          表5轴向功率分布（余弦）

3.2.2.1棒束试验装配的加热棒结构

 表6表述了加热棒信息，图 11显示了整束加热棒的横截面视图。

                      表6组件测试中加热棒结构信息

              图11棒束加热棒横截面示意图 

3.2.2.2隔架网格数据

沿轴向长度装有三种类型的隔架：简单隔架（SS），没有混合叶片的隔架（NMV）和具有混合叶片的隔架（MV）。简单隔架只有凹坑，而NMV和MV有凹坑和弹簧。网格带由Inconel 600制成。

图12、图 13和图 14分别给出了不同类型隔架的三维视图。

                        图12SS三维视图

                   图13NMV三维视图

                       图14MV三维视图 

3.3 DNB测量

表7给出了DNB测量中使用的装配类型。 这些棒束中使用的加热棒与空泡分布测量实验的棒束中使用的加热棒类型相同。

表8、表9和表 10给出了测试组件的几何形状和功率形状。提供了其他组件类型的类似信息。

表6提供了有关这组测试中棒束中使用的加热棒的信息。

图17显示了测试组件的热电偶位置。

使用两个额外的径向功率分布（类型C和类型D，图 15和图 16）执行DNB测量。 径向功率分布A和B与空泡分布测量中使用的相同。

                 表7DNB测量的组件信息

                 表8测量组件A0的几何信息

          表9测量组件A1、A2和A3的几何信息

 表10测量组件A4、A8和A11和A12的几何信息

                  图15径向功率分布（type C） 

           图16径向功率分布（type C） 

                  图17热电偶测试点

                      图18流体温度测量

4 结论

PSBT基准测试规范的目标是向参与者提供有关基准测试数据库的信息。 虽然它包含有关完整NUPEC PWR数据库的测试用例和测量的详细信息，但为OECD/ NRC PSBT基准测试测试选择了具体的实验，以减少工作量; 使分析更精确; 并避免参与者的比较结果混淆。

4.1 第一阶段—空泡分布基准测试

实验I-1–稳态单子通道基准测试

本实验的目标是对子通道，介观和微观数值方法进行基准测试测试。提供的测量数据包括子信道网格中的空间平均空泡份额。在PWR额定条件下选择测试用例。不同类型的单子通道测试组件用于研究几何形状对所关注现象的影响。

实验I-2–稳态棒束基准测试

本实验旨在对介观数值方法进行基准测试测试。本实验的测试用例选择PWR额定条件和与额定条件存在质量偏差的状况。

实验I-3–瞬态棒束基准测试

NUPEC PSBT数据库包括仿真PWR的四个代表性瞬变状况; 功率增加，流量减少，减压和温度升高。选择所有四个瞬变作为基准测试状况。 第二阶段的实验3旨在对子通道数值方法进行基准测试测试。

实验I-4–压降基准测试

本实验旨在进行有关轴向压降的代码与代码比较。虽然没有可用的经验数据，但代码结果将与相关的图形数据进行比较。

4.2 第二阶段—DNB基准测试

实验II-1–稳态流体温度基准测试

第二阶段的实验1旨在评估热工水力代码预测出口冷却剂温度的能力。

实验II-2–稳态DNB基准测试

第二阶段实验2的目标是评估热水力学代码沿棒束正确预测DNB的能力。

实验II-3–瞬态DNB基准测试

第二阶段的实验3旨在促进目前正在进行的真实机理模型的开发，用于在PWR中对四个瞬变工况进行DNB预测

[1]“OECD/NEABenchmark Based on NUPEC PWR Subchannel and Bundle Tests (PSBT)”, JNES, April2009

[2] “ProvingTest on the Reliability for Nuclear Fuel Assemblies”, Summary Report of ProvingTests on the Reliability for Nuclear Power Plant- 1989, Nuclear PowerEngineering Test Center, 1989

[3] Hori, K.et al., “In Bundle Void Fraction Measurement of PWR Fuel Assembly”, ICONE-2,Vol.1, pp.69-76, San Francisco, California, 21-24 March 1993