一种开孔堆芯围筒及设计方法、设计装置和存储介质与流程

本发明涉及核电反应堆一回路压力控制，具体涉及一种开孔堆芯围筒及设计方法、设计装置和存储介质。

背景技术：

1、一体化自然循环反应堆通常采用汽-气自稳压技术实现一回路压力控制。该技术将稳压空间集成于反应堆压力容器顶部，稳压气腔下部通常设置有带孔围筒结构，且该围筒位于一回路冷却剂液面以下。所述围筒一方面用于构建反应堆内部冷却剂流动通道，引导一回路冷却剂循环流动；另一方面作为堆内构件，可用于仪表管等内部部件的安装支撑以及防护。此外，在控制棒驱动机构动作或控制棒下落等瞬态工况下，围筒上的开孔结构能够为围筒内外冷却剂提供流动通路，降低冷却剂排出阻力，从而减小运动部件受到的流体阻滞影响。

2、现有堆芯围筒开孔结构设计主要围绕机械结构强度要求以及满足瞬态工况下冷却剂排放需求进行，开孔参数通常根据经验设计或结构布置需求确定，尚未充分考虑围筒开孔结构与反应堆热工水力特性之间的耦合关系。例如，在开孔位置设计方面，现有方案通常采用均匀布置方式或根据安装空间进行设置，未结合稳压气腔区域的温度分布以及冷却剂流动状态进行优化；在开孔孔径设计方面，通常采用统一孔径形式，未考虑围筒不同高度区域冷却剂流量需求差异；在开孔方向设计方面，多采用沿围筒径向设置的直通孔结构，未进一步考虑孔道方向对冷却剂流动路径、混合效果以及局部流动阻力的影响。

3、在专利文件cn111599495a中，公开了一种两相自然循环一体化反应堆，包括压力容器和压力容器内的吊篮，位于吊篮底部之内的堆芯，吊篮内部位于堆芯上方的空间为一回路堆芯出口腔室，还包括吊篮顶部外围的与二回路连通的热交换区；堆芯产生的第一蒸汽经过一回路堆芯出口腔室进入热交换区将二回路提供的冷却水加热为第二蒸汽后转换为冷凝水并回流到堆芯，第二蒸汽输送至二回路，未解决根据反应堆热工水力特性对围筒开孔设置参数进行协同设计以满足自然循环性能及瞬态流动阻力控制的问题。

4、在专利文件cn108766592a中，公开了一种闪蒸驱动的全自然循环一体化压水堆，包括反应堆压力容器、置于压力容器内部的直流蒸汽发生器、控制棒驱动机构和反应堆堆芯，压力容器内部被堆芯吊篮筒体分割为圆柱形上升通道和环形下降通道，所述的反应堆压力容器内不设置主泵，冷却剂依靠闪蒸驱动的两相自然循环在上升通道和下降通道中流动，并将反应堆堆芯的热量传递到直流蒸汽发生器；未解决根据反应堆热工水力特性对围筒开孔设置参数进行协同设计以满足自然循环性能及瞬态流动阻力控制的问题。

5、综上所述，上述两个现有专利均未解决目前方法中均未解决根据反应堆热工水力特性对围筒开孔设置参数进行协同设计以满足自然循环性能及瞬态流动阻力控制的问题。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提出一种开孔堆芯围筒及设计方法、设计装置和存储介质，解决根据反应堆热工水力特性对围筒开孔设置参数进行协同设计以满足自然循环性能及瞬态流动阻力控制的问题。

2、为实现上述目的，本发明提出一种开孔堆芯围筒设计方法。

3、一种开孔堆芯围筒设计方法，包括：

4、采集压力容器结构数据和围筒结构数据；

5、根据所述压力容器结构数据和所述围筒结构数据进行cfd数据模拟确定典型工况下的温度数据，所述温度数据包括温度分布和温度梯度；

6、根据所述温度数据确定开孔层位置；设定孔径比，根据所述孔径比设置不同孔的开孔直径，根据所述围筒结构数据和所述开孔直径确定开孔数量；

7、根据所述开孔层位置、所述开孔直径和所述开孔数量添加至所述围筒结构数据，计算更新后的所述围筒结构数据对应的自然循环驱动压头和开孔流动阻力，若所述自然循环驱动压头大于所述开孔流动阻力则保存更新后的所述围筒结构数据。

8、进一步地，还包括：将部分开孔的周向设置与围筒半径方向倾斜的偏转角，偏转角的范围为15°-30°。

9、进一步地，根据所述压力容器结构数据和所述围筒结构数据进行cfd数据模拟确定典型工况下的温度数据，包括：将所述压力容器结构数据和所述围筒结构数据输入cfd仿真软件，设定冷却介质参数构建三维流体仿真模型，设定所述典型工况对应的边界条件，所述边界条件包括入口流量、入口温度、压力边界和堆芯热源分布参数，通过所述cfd仿真软件对所述三维流体仿真模型进行数据模拟获得温度场，根据所述温度场提取围筒轴向对应的所述温度分布，根据温度分布计算所述温度梯度。

10、进一步地，根据所述温度数据确定开孔层位置，包括：提取所述温度梯度中最大值对应的高度计算开孔的上限位和下限位。

11、进一步地，上限位和下限位的表达式如下：，，其中，为所述下限位，为所述上限位，为所述温度梯度中最大值对应的高度，为位置权重，为气相空间总高度。

12、进一步地，根据所述孔径比设置不同孔的开孔直径，包括：所述孔径比为所述开孔直径的最大值和最小值的比值，多个开孔沿所述围筒轴向分层布置形成开孔层，各层所述开孔直径所述围筒的轴向由底部至顶部按照预设梯度均匀减小，使最大开孔直径与最小开孔直径满足所述孔径比，根据经验值预设位于所述上限位和所述下限位的所述开孔层对应的所述开孔直径，并对应设置其他所述开孔层对应的所述开孔直径。

13、进一步地，还包括：预设相邻所述开孔层之间的温差阈值，根据温差阈值设定开孔层数。

14、进一步地，根据所述围筒结构数据和所述开孔直径确定开孔数量，其表达式如下：，其中为每层对应的开孔数量，为所述围筒结构数据中的围筒直径，d该层对应的所述开孔直径，为直径权重。

15、进一步地，计算更新后的所述围筒结构数据对应的自然循环驱动压头和开孔流动阻力，包括：根据所述开孔层位置、所述开孔直径和所述开孔数量修改所述围筒结构数据并重新构建三维流体仿真模型，根据所述三维流体仿真模型获得验证参数，所述验证参数包括气体密度差、自然循环有效高度、开孔处气体流速和开孔处气体密度，根据验证参数计算所述自然循环驱动压头和所述开孔流动阻力。

16、进一步地，根据所述三维流体仿真模型获得验证参数，包括：根据所述三维流体仿真模型进行数据模拟获得相邻区域对应的气体密度差，根据开孔层位置中上限位于下限位的差值计算自然循环有效高度，提取所述三维流体仿真模型不同开孔处对应网格模拟的气体流速和气体密度。

17、进一步地，根据验证参数计算所述自然循环驱动压头和所述开孔流动阻力，包括：，，其中为所述自然循环驱动压头，为所述气体密度差；为重力加速度；为所述自然循环有效高度；为所述开孔流动阻力，为孔径的阻力系数，为开孔处所述气体密度，为开孔处所述气体流速。

18、进一步地，还包括：若所述自然循环驱动压头小于所述开孔流动阻力，则调整开孔层位置、所述开孔直径或所述开孔数量，重复上述计算过程对所述围筒结构数据进行迭代，直到所述自然循环驱动压头大于所述开孔流动阻力。

19、为实现上述目的，本发明还提出一种开孔堆芯围筒设计装置。

20、一种开孔堆芯围筒设计装置，包括：

21、采集模块，用于采集压力容器结构数据和围筒结构数据；

22、构建模块，用于根据所述压力容器结构数据和所述围筒结构数据进行cfd数据模拟确定典型工况下的温度数据，所述温度数据包括温度分布和温度梯度；

23、参数模块，用于根据所述温度数据确定开孔层位置；设定孔径比，根据所述孔径比设置不同孔的开孔直径，根据所述围筒结构数据和所述开孔直径确定开孔数量；

24、验证模块，用于根据所述开孔层位置、所述开孔直径和所述开孔数量添加至所述围筒结构数据，计算更新后的所述围筒结构数据对应的自然循环驱动压头和开孔流动阻力，若所述自然循环驱动压头大于所述开孔流动阻力则保存更新后的所述围筒结构数据。

25、为实现上述目的，本发明还提出一种开孔堆芯围筒，开孔堆芯围筒上设有基于上述一种开孔堆芯围筒设计方法获得开孔层位置、开孔直径和开孔数量对应的开孔。

26、基于上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：

27、1.本发明提出一种开孔堆芯围筒及设计方法、设计装置和存储介质，通过压力容器结构数据和围筒结构数据进行cfd模拟获得典型工况下的温度数据，实现了对围筒周向及轴向热工特性差异的表征，避免现有技术中仅依据结构布置确定开孔位置而未考虑温度分布影响的问题；通过根据温度数据确定开孔层位置，并结合设定的孔径比对不同开孔直径进行配置，根据围筒结构数据确定对应的开孔数量，使围筒开孔参数能够根据实际热工状态和结构条件进行匹配调整，解决了传统均匀孔径、固定孔数设计导致的局部流量分配不合理问题；通过计算更新后的围筒结构对应的自然循环驱动压头和开孔流动阻力，使设计得到的围筒结构能够满足流体流动驱动力与开孔排流阻力之间的匹配关系，从而在保证围筒开孔排流能力的同时，有效抑制气空间的温度梯度，提高温度均匀性，本发明不增加任何独立结构，不改变围筒原有功能，仅将围筒延伸至流体液面之上，并对应设置用于气体流体流通的通孔，使气相空间中流体更充分的实现自然循环，具有良好的自适应特性，温差越大抑制效果越强。

28、2.本发明提出一种开孔堆芯围筒及设计方法、设计装置和存储介质，通过对部分开孔设置与围筒半径方向倾斜的偏转角，使开孔方向由传统径向直孔结构转变为具有一定导流作用的倾斜开孔结构，从而能够调节流体经过开孔时的流动方向，改善围筒内外流体交换过程，此外，倾斜的开孔可以切向进入的气体产生旋流，增强混合效果，旋流增加气体在围筒内的停留时间，提高换热效率，且有利于破坏可能形成的局部热分层“死区”。

29、3.本发明提出一种开孔堆芯围筒及设计方法、设计装置和存储介质，本发明通过基于压力容器结构数据和围筒结构数据建立三维流体仿真模型，并结合入口流量、入口温度、压力边界以及堆芯热源分布参数获得温度场，进一步根据温度梯度最大值确定开孔层位置以及开孔范围，使开孔位置能够与反应堆内部热工状态相对应，避免现有技术中仅依据结构布置或经验确定开孔位置导致的热工特性考虑不足的问题。

30、4.本发明提出一种开孔堆芯围筒及设计方法、设计装置和存储介质，通过根据孔径比对不同开孔层的开孔直径进行梯度设置，并根据围筒直径、开孔直径确定各层开孔数量，同时基于重新构建的三维流体仿真模型获取气体密度差、自然循环有效高度、开孔处流速及密度等验证参数，分别计算自然循环驱动压头和开孔流动阻力，并在不满足条件时对开孔层位置、开孔直径或开孔数量进行迭代调整，使最终获得的围筒结构能够满足自然循环驱动压头大于开孔流动阻力的设计条件，提高围筒开孔参数设计的准确性和与自然循环运行状态的适配性。