BWR全尺度棒束基准试验简介

1. 简介

1.1 背景

OECD/NEA BWR全尺度棒束基准试验（BWR Full-size Fine-MeshBundle Test，BFBT）是由日本METI、美国NRC批准，由OECD/NEA认可的一项国际项目，来自10个国家20个组织机构的超过30名专家参与了该项目。该项目旨在为参与者提供足够的试验数据，用于研究燃料堆芯中的沸腾转变、空泡份额分布、临界功率等问题，促进燃料棒束两相流的子通道分析的发展。

基准试验的设计使其能够评估和对比预测BWR全尺寸子通道空泡份额分布和临界热流密度的数值计算模型。目前的子通道空泡份额分布计算模型在各种几何和操作条件下的应用没有可靠的理论支撑，因此希望能够通过该基准实验，对气液两相流和沸腾转变问题在不同尺度上的研究均起到促进作用。

图1 参与BFBT基准试验的组织机构

1.2 基准试验内容

基准试验的设计包括了微观和宏观层面的测量。试验分为两个阶段，每个阶段均开展了不同的试验。

阶段1-空泡份额分布基准试验

该阶段的工作主要是为空泡份额分布模型的开发和验证提供数据，包含如下内容：

Exercise 1：稳态子通道基准试验，可用于子通道、介观及微观尺度的研究方法；

Exercise 2：稳态微观尺度基准试验，可用于介观、微观以及分子动力学的研究方法；

Exercise 3：瞬态宏观尺度的基准试验，可用于子通道的方法；

Exercise 4：空泡份额分布的不确定性分析。

阶段2-临界功率基准试验

该阶段工作的目的为开发临界功率预测的模型，包含三部分内容：

Exercise 0：稳态压降基准试验；

Exercise 1：稳态基准试验，采用包括沸腾转变的一维方法和子通道方法；

Exercise 2：瞬态基准试验，采用包括沸腾转变的一维方法和子通道方法。

2. 试验系统

2.1 试验回路

在BFBT试验中，可以测量典型的反应堆功率和流体状态下的组件内空泡份额分布和临界热流密度。试验台架可以模拟BWR的高温、高压状态，并采用电加热棒束来模拟全尺度的BWR燃料组件。

试验系统如下图所示，主体设备采用不锈钢SUS304，冷却剂为除盐水。设备的最高操作条件为压力10.3MPa、温度315℃，功率12MW，流量75t/h。该试验系统能够模拟BWR稳态和瞬态的全部操作条件。

图2 BFBT试验回路

2.2 试验段

试验段如下图所示，包括压力容器、模拟的流动通道和电极等。模拟的全尺寸BWR燃料棒束安装在容器内，在阶段1的空泡份额试验中，采用的是常规的燃料组件，含2个非加热棒。

图3 测试段结构

2.3 空泡份额分布的测量

如下图所示，采用了两种测试系统对空泡份额进行测量：X射线CT扫描和X射线密度仪。

图4 空泡份额测量方法

在稳态试验中，精细网格的相含率测量采用X射线CT扫描仪。设备安装在加热段以上50mm处，包括一个X射线源和512个探测器。为保证测量结果的稳定性，测量结果在时间上进行了平均处理。该测量系统的空间分辨率可达到0.3mm×0.3mm。测量过程中X射线源360°旋转对测量截面进行扫描，从而得到截面上的相含率分布。瞬态试验中也采用了X射线扫描仪进行测量，只不过扫描仪的位置固定。如下表所示为扫描仪的参数。X射线密度仪用于测量截面上的平局空泡份额，测量过程中X射线源不进行旋转扫描，测量不同位置后对结果进行平均处理。

探测器监控到的X射线密度通过重构算法，可以计算出截面上的相含率分布。为保证测量精度，在测量前需要进行标定。

表1 X射线扫描仪参数

表2 X射线密度仪参数

空泡份额测量的精度评估如表3所示。

表3 空泡份额测量精度评估

2.4 临界功率测量

在阶段2的临界功率试验中，采用了阶段1的空泡份额测量系统，测试段为8×8的Burn Up燃料棒束。

试验包括压降的测量和临界功率的测量两部分。压降的测量分别在单相和两相的条件下进行，涵盖了BWR常见的操作工况。临界功率通过增加棒束功率过程中对加热棒的热电偶信号进行监控实现，当燃料棒表面的温度峰值高于稳态下温度水平14℃时，认为达到了临界功率。

模拟了两种典型的BWR瞬态工况，即功率瞬态（汽机脱扣）和流动瞬态（循环泵跳泵）。

3. 燃料组件

3.1 燃料组件类型

试验共采用了两种燃料组件类型，分别对应空泡份额试验和临界功率试验。在试验过程中，共有5种不同的组件几何参数和功率分布，如下表所示。

3.2 加热棒

试验中采用电加热棒模拟核燃料棒。电加热棒的包壳、绝缘体、加热器的材料分别为Inconel、氮化硼、镍铬铁合金，其结构和参数如下图表所示。

图5 电加热棒结构示意图

3.3 格架

格架用于支撑燃料棒，研究表明，格架对提高CHF有好处。在BFBT试验中采用了两种形式的格架，即Grid Type和Ferrule Type，分别如下图所示。

图6 Ferrule Type格架

图7 Grid Type格架

4. 试验工况

BFBT基准试验获得了大量的试验数据。在阶段1的工作中，分别进行了稳态和瞬态的空泡份额测量试验，获得了空泡份额在子通道级网格上的分布和在0.3×0.3的网格尺寸上的分布。在阶段2的工作中，分别进行了单相和两相的压降测量、稳态的临界功率测量、瞬态的临界功率测量等。试验数据总结如下表。

5. 总结

在Phase 1的空泡份额分布试验中，主要研究了不同组件和不同功率分布条件下的空泡份额分布，试验提供不同尺度的测量结果，包括子通道级和0.3×0.3的分辨率，可用于满足不同计算模型的开发和验证需要。试验结果还可用于对空泡份额分布的不确定性进行分析，并研究其在热工水力计算模型中的传递。

在Phase2的试验中，开展了单相和两相的稳态压降试验，可用于修正热工水力程序中计算棒束压降的模型。稳态的临界功率试验涵盖了不同的流量、入口过冷度、压力、组件类型等，可分析空泡份额的分布、液滴夹带、格架行为等对临界功率的影响，改进临界功率预测模型。瞬态工况包括了汽机脱扣和跳泵工况。