第23卷第2期
2002年4月
核动力工程
NuclearPowerEngineering
V23No2
ADr2002
文章编号:0258—0926(~.,002)02—0034_05
压水堆堆芯辐射换热因子研究
甘向阳，高祖瑛，陈飞
清华大学核能技木世计研究院.北京100084
摘要：严重事故中，反应堆堆芯裸露后，堆芯燃料棒的辐射热被周围热构件的吸收程度对堆芯熔融过 程和下封头戋敛时间的影响报大辐射换热效果与具体辐射表面形状有关，常用辐射换热因子来衡量.首
先对辐射换热因子进行丁推导.然后根据汁算结果.使用MEICOR程序比较了一种压水堆LOCA事故下计
算值和缺省值对事故进程的影响差异比较显着
关键词：堆芯严重事故；辐射换热因;LOCA
中囤分类号:TL3644文献标识码:A
1引言
在假想严蘑事故中，反应堆堆芯裸露，温度
可达2000℃以上，辐射换热逐渐成为主要换热
方式来自燃料棒的辐射热被周围热构件的吸收
程度对堆芯熔融过程和下封头失效时问的影响增
大两表面问的辐射吸收程度和它们的相对方
向，位置以及各自的形状大小等几何因素密切相
关，通常采用"辐射换热因子"(又称角系数")
来衡量MELCOR程序中使用的堆：茁=辐射换热因子的缺省值具有较大的随意性，需要根据堆芯结构进行详细计算耐高温润滑油
2MELCOR程序的辐射换热模型
2.1辐射换热模型[.
破碎机锤头铸造工艺在MELCOR程序中，堆芯各栅元之间通过
其边壁的辐射换热，以及从各组件到蒸气介质的辐射换热在模型中都被简化为有灰体介质的成对灰体表面间的辐射换热.在COR软件包中通过
解由下面四个方程组成的方程组来得到各个成对表面问的净辐射热流密度:q.(自袁面),q(自i
至表面)和q(自i表面至蒸汽介质)(=l,2)一
q(-J,).一.)(1)
消防快速接头收稿日期:200I—Io-I8；倍回日期:200I一】2一I5 q--,4.,(一)(2)
q--,4(I-Eh=)(3)
q=口q(4)
上述各式中,A为i表面的面积;EK为表
面i的黑体辐射能量(为渡耳兹曼常数,
为表面i的绝对温度)；定义为离开第i个表面
的辐射热流量(包括反射的和自身发射的热量); .为表面的发射率;.为从表面i到表面的
几何辐射换热因子；为表面i和表面J之间的
几何平均传输率；是蒸气的发射/吸收率，等
于1一..E为介质的黑体辐射能
2.2辐射换热因子
式(2)中使用的辐射换热因子体现了表面
不同朝向的辐射换热效果，它由用户指定.这些
值由一些形状简单的辐射换热因子的表达式给出，也可能由实验数据，或者是考虑了相关表面
的复杂形状后的辐射换热计算给出.以前一般是任意选择一些值来考察计算过程中辐射换热的效果已有的MELC0R例题中，各个辐射换热因
子的取值很随意，变化很大.
MELCOR中使用了缺省值为0.25的5个辐
射换热因子.与压水堆的无盒组件有关的是:①从
甘向阳等：压水堆堆芯辐射换热因子研究
"其他构件"(如控制体)到燃料棒和残骸的辐射换热因子，采用"其它构件"的表面积(粒状
熔渣出现时，隐含使用为1的因子来描述辐射换热);②从栅元边界径向向外至下一相邻栅元的
辐射换热因子.使用栅元的外侧面积，温
度使用两个栅元中最外面的元件的温度，它应是栅元中元件的均值，并应考虑到附近相干棒存在的影响.这与节点划分的精细程度有关;(从栅
元边界轴向向上至下一相邻栅元的辐射换热因子R.^，使用栅元的轴向面积;@从液池到堆芯元
件的辐射换热因子采用下封头表面积，热
量最终被辐射到边界热构件上，另一个辐射换热因子适用于有盒组件
3辐射换热因子的计算
31从控制棒到燃料棒和残骸的辐射换热因子
F
所给燃料组件的参数为：棒中心距l2.6mm,
控制棒直径12.05mm，燃料棒直径9.50ram，棒
长3657.6ram
由于控制棒和燃料捧的长度都远大于各自的
直径，在分析过程中就可以把它们简化为无限长棒燃料组件中控制棒与燃料棒的位置关系见图1 这里还把控制棒和燃料棒看成是等直径棒.引用两半径相同相互平行的无限长棒束的辐射换热系数计算公式进行计算:
F=F=【狐可nIl一XA11【
l+2s
r(5)
式中,r为棒半径,S为棒间踞求得与控制棒
ooo
图I控制棒与燃料棒
斜向，正向相邻的燃料棒的辐射换热系数F
..分别为0.09957,0.14728.上面的计算里使
用了控制棒与燃料棒半径的平均值5.3875ram, 而MELCOR程序中采用的是控制棒的表面积, 因此相应的辐射换热因子应该加以转换并平均. 由此从控制棒到燃料棒的总辐射换热系数R
为0.1104
3.2径向辐射换热园子F.Ⅺ
堆芯虽然被划分为几个径向环，但是其热辐
射的本质仍然是元件棒对元件棒的辐射传热，平行棒柬的角系数计算公式更适用些.使用的面积为栅元的外侧面积.考察里面环边界上的单个元件捧(记为棒l，见图2)的辐射.引用上面的棒
束辐射换热系数的计算公式.与捧l斜向，正向
相邻的燃料棒辐射换热系数分别为0.087l和
Ol27O由于一个组件的17xl7根燃料棒只有
四根位于顶角处，所以可以将每一个元件棒向外
环的辐射近似为向外环的捧a,b,c辐射的热量
之和考虑到棒表面积和程序使用的面积的不同.折算后得Rm近似为0.7134.
图2径向环边界
33轴向辐射换热园子Fa"
轴向层为人为划分，相邻层间并投有间隙,
单元中元件棒段的端面辐射都落在相邻层的端面L因此,Ⅱ^近似为l一其适用面积为轴向面
积
3.4从液池到堆芯元件的辐射换热园子F一-
最F面的轴向层的辐射热量都落在下封头的
径向环上，因此下封头对轴向层的角系数约为1. 适用面积为下封头的表面积，由:Al=.-A2可
o
ooo
oo
硬质合金加工
oo
核动力工程
局域表面等离子体共振
得m=0.790.
4使用不同辐射换热因子计算时的结果
及分析
对一种压水堆的LOCA事故(冷段25mm，无
安注，无辅助给水)分别使用缺省值和计算值进
行了计算，并依次记为方案C1c2,，分别以径
向环2包壳破裂时间(C1：破口发生后第11000s; C2:l0556s)为时间零点，各种失效的发生时间
无纺布折叠机见表1.
图3,4分别给出了C1,C2的堆芯退化进
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