壓水反應堆燃料組件模擬體及其設計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機械領域，涉及核能發電領域，特別是一種反應堆燃料組件模擬體及其設計方法。
【背景技術】
[0002]反應堆堆內構件是反應堆主冷卻劑系統中的關鍵設備之一。其主要功能是支承容納堆芯，為堆芯和控制棒提供合適的定位、支承、導向和保護，堆內構件的結構比較復雜，各關鍵零、部件設計可靠是反應堆安全運行的前提之一。
[0003]反應堆結構部件的流致振動問題是重要的動力學問題之一，是反應堆安全運行必須重點考慮的問題。國外壓水堆核電站因流致振動而發生過不少事故，涉及吊籃、熱屏蔽、螺栓、銷釘、熱導管、熱交換器傳熱管等部件，造成巨大的經濟損失。相關規范對流致振動研究作了明確的規定:在設計初期首先必須進行分析計算，預估流致振動大小，并同時開展流致振動模型試驗，在設備安裝、系統調試階段則要進行現場實測檢查，以確保反應堆安全運行。
[0004]在反應堆堆內構件流致振動模型試驗中，為了更經濟且能較準確的獲得堆內構件主要部件的流致振動響應，多采用縮比試驗模型進行試驗，然后按照相似準則，將模型試驗結果反推到原型結構上，從而完成對結構的流致振動安全評定。
[0005]反應堆堆內構件模型設計，按照流致振動模擬相似準則，各重要部件均需按相似比，嚴格進行模擬設計，并保證邊界條件;而非測試部件則可簡化結構形式及材料，但需考慮其對其他結構及對流場的影響，使其保持與原型基本相同，并保證其在試驗過程中對其它結構的流致振動響應影響能夠基本代表原型。
[0006]反應堆原型燃料組件結構，由燃料棒、上管座、下管座、格架、導向管、通量測量管等部件構成。組件中有上很多根燃料棒、還有數根導向管、測量導管;有多層格架。原型燃料組件結構極為復雜，加工制造難度非常大，如果按照縮小比例進行精確模擬，加工制造就更加困難。
[0007]反應堆燃料組件，其結構非常復雜，制造加工要求很高，其格架和燃料包殼材料也很特殊，并且價格非常昂貴，而在反應堆堆內構件流致振動模型試驗中，燃料組件本身的流致振動響應并不測量(有專門的試驗完成)，而且燃料組件位于吊籃筒體內部，為了使其形狀、尺寸變化對吊籃組件、壓緊組件和二次支承組件等的流致振動響應不會帶來明顯的影響，因而對試驗模型中燃料組件的模擬采用合適而實用的特殊的方法一一動力相似模擬方法。
[0008]動力相似模擬方法:必須考慮作用于結構上的各種力相似。在模型設計中，要同時滿足全部動力相似條件是很困難的，只能針對具體問題分析哪些力起主要作用，保證它們的相似關系，而其它作用較小的力，相似關系可以不滿足，可分析它們對結果的影響，甚至不考慮它們。
[0009]在壓水堆或冷卻劑流速較低的反應堆系統流致振動問題中，由于流動速度V遠小于聲音的傳播速度Cf，所以流體壓縮性可以不考慮。
[0010]在封閉流動系統中，如管道流或容器充滿液體的振動問題，重力的影響可不計。
[0011]表面張力在核工程流致振動研究中也不考慮。
[0012]此外，當不計試驗環境條件差異對材料特性和流體介質性能的影響時，如果模型試驗采用與原型相同的結構材料和流體介質，則無量綱(相似準則)數都自然滿足。在流致振動模型試驗中，不滿足Re數相似是允許的。
[0013]在反應堆堆內構件流致振動試驗中，燃料組件本身不是項目的研究對象(有專門的試驗進行研究)，而位于吊籃筒體內部，通過研究發現其形狀、尺寸變化對吊籃組件、上部堆內構件的上支承柱及導向筒等試驗件的流致振動響應不會帶來明顯的影響，但其結構質量、剛度、總的結構間隙、卻會對堆內構件的流致振動響應帶來影響。為了為反應堆堆內構件流致振動模型試驗提供了一種經濟適用而又滿足上述要求的燃料組件模擬體，代替實際的反應堆燃料組件，使反應堆堆內構件流致振動模型試驗既能降低模型設計加工的難度、節約經費，又能較準確的獲得堆內構件主要部件的流致振動響應，從而較好地完成對反應堆堆內構件主要部件的流致振動安全評定，我們發明了一種滿足上述要求的反應堆燃料組件模擬體。
【發明內容】
[0014]為克服現有技術不足，本發明提供一種反應堆燃料組件模擬體及其設計方法。
[0015]本發明所述反應堆燃料組件模擬體，用于在反應堆堆內構件流致振動試驗研究中模擬堆芯燃料組件，包括至少一個燃料組件模擬體，所述燃料組件模擬體包括剛桿和安裝在剛桿不同高度位置的多個質量塊。
[0016]上述反應堆堆芯燃料組件模擬體可以在流致振動模型試驗研究中能較準確的獲得堆內構件主要部件的流致振動響應，較好地完成對反應堆堆內構件主要部件的流致振動安全評價。
[0017]優選的，所述燃料組件模擬體鋼桿，通過詳細的計算分析而設計的，保證其剛度是按相似比模擬的單組或多組原燃料組件的剛度;其剛度根據其所模擬的燃料組件及其數量的多少而不同。
[0018]優選的，所述燃料組件模擬體質量塊的總質量是按相似比模擬的單組或多組原型燃料組件的總質量。
[0019]優選的，所述燃料組件模擬體質量塊安裝成組件后的重心是按相似比模擬原型燃料組件的重心。
[0020]優選的，所述燃料組件模擬體間的間隙以及與吊籃圍板間的間隙，是按相似比模擬原型燃料組件的間隙。
[0021]具體的，所述質量塊為圓柱形。圓柱形質量塊便于設計，并且安裝方便。
[0022]具體的，所述剛桿和質量塊之間由銷釘連接。
[0023]反應堆堆芯燃料組件模擬體設計方法，包括如下步驟:
[0024]步驟1.通過有限元程序，建立詳細的有限元模型，計算獲得反應堆原型燃料組件的質量、頻率、剛度和重心位置；
[0025]步驟2.根據反應堆堆芯燃料組件在吊籃筒體內的分布，計算反應堆堆芯各組件的過水面積(及總間隙)；
[0026]步驟3根據堆芯燃料組件的分布狀況，再利用步驟2中計算得到的反應堆堆芯各組件的過水面積，設計反應堆堆芯燃料組件模擬體的數量。
[0027]步驟4.利用步驟1、步驟2中得到的反應堆原型燃料組件的質量、頻率、剛度和重心位置，反應堆堆芯組件的過水面積，及堆芯燃料組件的分布狀況;根據原型與試驗模型的模擬相似準則，設計反應堆燃料組件模擬體；
[0028]優選的，所述步驟4中根據動力相似準則設計反應堆堆芯燃料組件模擬體。
[0029]燃料組件模擬體的設計首先要計算分析其振動特性，通過結構分析軟件，先計算出原型燃料組件的振動特性、其在堆芯中的分布對流場分布的影響、及其對其他結構的力學性能影響，然后根據計算分析結果，采用動力相似模擬準則，設計燃料組件模擬體，使其總體剛度、質量滿足相似比而模擬原型單組或多組燃料組件。材料和結構尺寸進行了調整，以總體滿足剛度、質量和過水面積的要求。燃料組件模擬體鋼桿的剛度是按相似比模擬原型單組或多組燃料組件的剛度，而質量塊的總質量是按相似比模擬原型單組或多組燃料組件的質量，質量塊與鋼桿組成組件后的重心按相似比模擬原型燃料組件的重心，燃料組件模擬體間的間隙以及與吊籃圍板間的間隙，是按相似比模擬原型燃料組件總的過水面積(間隙)。
[0030]采用本發明所述的反應堆堆芯燃料組件模擬體及其設計方法，大大降低了設計、加工難度，同時節約大量的材料及加工經費，經濟適用，同時代替原反應堆燃料組件，使反應堆堆內構件流致振動模型試驗能較準確的獲得堆內構件主要部件的流致振動響應，從而較好地完成對反應堆堆內構件主要部件的流致振動安全評價。
【附圖說明】
[0031]圖1示出本發明所述反應堆堆芯燃料組件模擬體