4.5密封容器压力计算

热工分析需要计算密封容器内的气体压力，以保证其内压在各类工况下均满足设计限值。压力计算 应遵循以下要求： 压力计算可使用理想气体状态方程，并对容器腔内各气体成分的分压进行求和： 6) 压力计算应考虑容器腔的自由体积、容器腔内填充气体量（摩尔）及从破损的燃料棒中释放出 的气体量； ? 破损的燃料棒中所释放出的填充气体和裂变气体会使容器腔内的压力增大，1类工况下应假设 燃料棒的破损率为1%，II类、IⅢI类工况下应假设燃料棒的破损率为10%，IV类工况下应假 设燃料棒的破损率为100%：

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d）应假设破损的燃料棒内100%填充气体和30%主要的裂变气体释放到容器腔内： 压力计算应考虑密封容器内的温度分布。

对于压水堆乏燃料干法贮存设施，可采用试验的方法对热工分析的结果进行验证。热工试验可遵循 以下要求： a 压水堆乏燃料干法贮存设施首批建造时，可在贮存设施内设置若干温度测点，温度测量值用于 校正热工分析的计算模型和方法； 6 采用缩比模型进行试验时，应保证几何相似 C 试验场地的环境温度和环境压力应与热工分析采用的输入保持一致，如果环境温度与环境压力 存在差异，应说明此差异对试验结果的影响； 如果乏燃料贮存腔或贮存容器内填充了惰性气体，则试验中应填充同一种气体，并对压力值进 行测量； 温度测点应涵盖燃料组件中心区域、中子吸收体、贮存容器内壁面、贮存容器外壁面、混凝土 筒仓内壁面、混凝土筒仓外表面、混凝土筒仓底部和顶盖等关键位置； 编制试验大纲重庆标准规范范本，试验大纲的内容应包括试验方案、试验人员、试验步骤、试验要求和评定标准。

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附录A （资料性附录） 立式混凝土筒仓购存容器热工分析

乏燃料干法贮存设施多采用不锈钢金属贮罐用于贮存乏燃料组件，外部通过金属或者混凝土提供放 射性屏蔽，内部则通过情性气体、空气或二氧化碳等包围并冷却乏燃料组件。 对于乏燃料干法贮存设施，热量通过燃料组件及内部的部件传递到表面，再经自然对流或强制对流 排放至外部环境。热工分析需要考虑辐射换热、对流换热以及热传导。 如图A.2所示，对于立式混凝土筒仓贮存容器，需要排出的总热量包括乏燃料组件的衰变热Qd和太 阳辐射到贮存容器的热量Qs。热量传递主要通过以下两个途径完成，其中最主要的途径是由进风口流 入、从出风口流出的空气（烟肉效应）带走的热量Q：另外一部分热量通过辐射和热传导传递至混凝 土筒仓外侧壁和顶盖外表面，通过与环境的对流和辐射换热排出热量Q2。这二个传热途径在热工分析 中均需要加以考虑。

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图A.2立式混凝土筒仓购存容器散热机制示意图

几何模型是热工分析的基本输入，几何建模中应遵循以下要求： 采用正确的坐标和单位制； b）选取合理的计算区域，选取的范围必须涵盖分析对象和相应的流动区域； 对几何结构进行简化时，不应改变原有的传热过程和传热机制，并确保结构简化对于热工分析 是保守的： 1 对于燃料组件，通常可不建立包括燃料棒、控制棒导向管和中子注量率测量导管的详细三维模 型，而是将整个燃料组件采用固体或多孔介质进行等效处理。燃料组件区域内的热传导和热辐 射采用等效导热系数进行等效处理，详见附录C； 对于立式混凝土筒仓贮存容器，混凝土筒仓外表面的钢衬结构、燃料篮格架底部的支撑结构对 热传导有显著影响，儿何建模时应加以考虑； 热工分析时应考虑密封容器内各部件之间的间隙，间隙的存在会产生气隙热阻，阻碍热传导并 导致温度上升； 几何结构对称时，可选取1/2

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A.5.1.1以立式混凝土筒仓贮存容器为例，可将混凝土筒仓和金属贮罐之间的空气流道（以下简称空 气域，见图A.3）和金属贮罐内的密闭氢气域（以下简称氨气域，见图A.4）设置为独立的流体域。 A.5.1.2空气域和氨气域为浮力驱动的自然对流，由于温度变化较大，建议采用理想气体状态方程描 述空气和氢气的热力学状态。热工分析时应选取合理的参考压力和参考密度，以减少数值计算的误差。 A.5.1.3对于燃料组件区域，采用多孔介质进行等效处理时，需要设置合理的孔隙率、渗透率和阻力 系数.用于计算氢气流经乏燃料组件时的压降入P

图A.4氢气域的自然循环

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由于乏燃料组件衰变余热，空气域和氨气域的壁面上存在较大温差，从而产生密度驱动的自然对 权热工分析的端流模型前，需要对计算域内的流动状态进行判定。 通常可采用格拉晓夫数Gr判断自然对流的流动状态。

式中： 8 一重力加速度； 体积热膨胀系数； △T温度差： [特征长度； V运动黏度。 对于竖圆柱形状的空气域和氨气域： Gr为1×104～3×10°时，空气域和氨气域内的流动为层流； Gr为3×10～2×10l°时，空气域和氢气域内的流动为过渡流； Gr>2×10l时，空气域和氨气域内的流动为端流。

Gr = gα,AT7 12

A.5.4.1在乏燃料干法贮存设施可能出现的温度范围内，空气、氨气发射和吸收辐射的能力非常弱 可近似为热辐射的透明体。热工分析中可以忽略空气和氨气的辐射和吸收特性，并在此基础上选用合适 的辐射换热模型。 A.5.4.2采用FLUENT程序计算辐射传热时可采用分散坐标模型（DiscreteOrdinates，简称DO模型） 或分散传输辐射模型（DiscreteTransferRadiationModel，简称DTRM模型）；使用CFX程序计算辐射 传热时可采用分散传输模型（DiscreteTransferModel简称DTM模型）。 A.5.4.3对于燃料组件区域，由于辐射传热已通过等效导热系数入ef加以考虑，因此不再考虑该区域内 的辐射传热。

热工分析时，乏燃料的衰变热作为热源设置在乏燃料组件区域内，由于乏燃料组件燃耗深度的不同， 每个乏燃料组件的衰变热功率可能存在差异，应根据实际装载方案确定每个乏燃料组件的衰变热功率。 衰变热应设置在燃料组件的活性段区域（即燃料芯块区域），通常活性段中间区域的燃耗最大，设置衰 变热时应者虑沿料组件轴向的功率分布

以立式混凝土筒仓贮存容器为例，热工分析时，需设置以下的边界条件： 通风孔进口，采用压力进口边界，进口压力为环境压力，进口温度为环境温度； 通风孔出口，采用压力出口边界，出口压力为环境压力：

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混凝土筒仓顶部和侧面，综合考虑自然对流换热和辐射换热；对于自然对流换热，可采用如下 的关联式：

Nu=C(GrPr)"

为保证计算精度，选择离散格式时应尽量避免使用一阶离散格式，建议采用二阶及以上精度的离散 各式。如使用FLUENT时，压力项可选择二阶精度（SecondOrder）、动量项和端动能项可选择二阶迎 风格式(SecondOrderUpwind)或更高精度的设置。使用CFX时，对流项和端流数值项可采用高精度（High Resolution）设置。

对于瞬态计算，应设置合理的时间步长以保证计算结果的收敛性。时间步长的选取与特征长度 速度相关。 以CFX为例，可按照以下方法选取时间步长

计算公式中的Lvol,Lex，Lhe定义如下

V一计算域的体积； Lx，L,和L—所有计算域的x、、z方向的最大尺寸； Abe——入口(inlet)、出口（outlet）或者开口边界（opening）的面积； Lscale—min(Luol, Lext) 公式中采用的速度定义如下：

式中： Ube——边界上的数值平均速度； Unode——节点的数值平均速度； Ppec,max 和 Pboc,min 某“开口”边界的最大和最小压力值； —错误！未定义书签。节点的数值平均密度。

t=min(,p,gtro,t)

ext =max(Lx,L,,L,) (A.5) be=miny ..(A.6)

A.7 结果分析与验证

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附录B （资料性附录） 压水堆乏燃料干法购存设施热工分析工况

热工分析需说明贮存腔或贮存容器内的燃料组件所产 生的热量能够被传送出去，且不会超过规定的 温度限值。对于类工况，环境温度可按照于法贮存设施厂址的历年气象记录选取多年平均气温。

B.2 1I类、II类工况

B. 2. 1 异常高温

B. 2. 2部分堵塞

对于具有内部空气流道的乏燃料干法贮存设施，应考患空气流道出现部分堵塞的情况，可假定选 ·半的气流区域出现堵塞进行热工分析。如果设计的进风口数量为偶数，可假设一半数量的进风口 猪塞。

如果为加快传热速率在贮存腔或贮存容器内填充了惰性气体，则应分析密封失效后性气体泄源 热的影响。如果密封容器的顶盖和筒体采用焊接工艺连接且通过密封性检测证实无泄漏，则热工分 不再考虑密封失效的情况

对于极端高温，环境温度可按照于法贮存设施厂址的历年气象记录选取1d中的最高气温。

B.3. 2能动散热系统故障

对采用能动散热系统冷却或辅助冷却的乏燃料干法贮存设施，应评价能动散热系统发生故障对热量 排出的影响。 如果乏燃料干法贮存设施的排热功能（如强制对流、通风）需要外部电源，应对外部电源的可靠性 进行评价。如果供电系统的可靠性达不到要求，则应论证在供电丧失的情况下燃料包壳和其他材料的温 度不会超过限值。

空气流道的乏燃料法贮存设施，应考虑空气通

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如果通气口全部被堵塞，这可能造成衰变热无法导出，并导致之燃料温度逐渐升高。为确保堵塞事 故能及时被检测到，宜对贮存设施进行定期的通风口目视检查并对温度进行测量，以确保散热正常。每 次检查的时间间隔应小于通风口完全堵塞下乏燃料升温至事故温度限值所需的时间。

芝燃料干法贮存设施如果位于建筑物内， 流物倒塌的影响。建筑物倒塌会造成贮存 围布满瓦砾，应对由此所引起的温度变化进行评价。这种评价应根据清除建筑物瓦砾所需时间进行

工程质量标准规范范本NB/T 204622017

附录C （资料性附录） 燃料组件等效导热系数的计算

通常，贮存室或贮存容器内均贮存有多组的燃料组件，如果将燃料组件中所有的燃料棒、控制棒导 向管和中子注量率测量导管建立详细的三维模型，会造成网格数量和计算规模极其庞大，甚至有可能导 致热工分析无法开展。为了降低热工分析的计算规模，并且保证计算结果的准确性和可靠性，推荐采用 等效导热系数的方法对燃料组件进行简化处理。

C.2径向等效导热系数

热量沿燃料组件径向传递时，主要依靠热传导和热辐射。热传导随温度变化较小，而辐射传热与温 度成四次方关系。高温下，燃料棒和燃料篮壁面之间主要通过辐射传递热量，与热传导相比，此时辐射 传热占主要因素。

C.2.1燃料组件建模

计算等效导热系数需要建立燃料组件的二维模型，该模型必须涵盖燃料棒的具体结构和特征，包括 然料芯块、燃料包壳、控制棒导向管、仪表管、燃料篮壁面以及燃料棒之间的间隙等特征，详细的二维 模型见图c.1。

监理标准规范范本1燃料组件的二维模型

建立燃料组件的二维模型后，忽略对流传热，仅考虑热传导和辐射传热，将衰变热施加于燃料芯块 区域，施加边界条件，进行稳态热分析。 通过选取一系列的燃料篮壁面温度，进行稳态热分析，可以获得该壁面温度下燃料组件的包壳峰值 温度，这一温度值将用于计算径向等效导热系数。