(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210652768.1 (22)申请日 2022.06.08 (71)申请人 上海交通大 学 地址 200240 上海市闵行区东川路80 0号 (72)发明人 柴翔　邓蛟龙　刘晓晶　熊进标　 张滕飞　何辉　 (74)专利代理 机构 上海交达专利事务所 31201 专利代理师 王毓理　王锡麟 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/18(2020.01) (54)发明名称 综合物理热工分析的气冷反应堆固体堆芯 体积最小化设计实现方法 (57)摘要 一种综合物理热工分析的气冷反应堆固体 堆芯体积最小化设计实现方法， 通过热工分析得 到气冷反应堆固体堆芯的最小热工半径， 通过物 理分析得到气冷反应堆固体堆芯的最小物理半 径， 取两者中的较大值即为 综合考虑物理热工限 制情况下的反应堆固体堆芯体积最小化设计方 案。 本发明同时考虑物理热工分析， 从而获得该 系统在同时满足热工水力安全特性和 中子物理 临界特性下的固体堆芯体积最小化设计， 能够运 用在小型固体堆芯反应堆的前期概念设计之中， 对于其几何尺寸与物理热工性能的优化具有一 定参考价值。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 115221647 A 2022.10.21 CN 115221647 A 1.一种综合物理热工分析的气冷反应堆固体堆芯体积最小化设计实现方法， 其特征在 于， 通过热工分析得到气冷反应堆固体堆芯的最小热工半径， 通过物理分析得到气冷反应 堆固体堆芯的最小物理半径， 取两者中的较大值即为综合考虑物理热工限制情况下的反应 堆固体堆芯体积最小化设计方案； 所述的最小热工半径是指： 在给定输出推力下使燃料壁面温度不超过上限的最低 堆芯 半径， 具体通过构建进气道与喷管模型后， 根据预估压降依次计算空气流量、 热功 率以及堆 内温度分布后， 进一步更新堆内空气物性后迭代得到校正后的压降， 再根据堆内壁面温度 最大值限制得到； 所述的最小物理半径， 即符合裸堆临界理论的临界半径， 具体通过建立燃料管蒙卡模 型并通过蒙卡计算得到无限增殖 因子与徙动长度， 然后基于裸堆临界理论计算得出临界半 径得到。 2.根据权利要求1所述的综合物理热工分析的气冷反应堆固体堆芯体积最小化设计实 现方法， 其特征是， 所述的气冷反应堆， 具体设置于超声速运行在 海平面上采用空气作为推 进工质的直接循环冲压式核动力发动机中， 该反应堆的圆柱状堆芯内设有若干作为基本单 元的六角形燃料管， 该燃料管为二氧化铀 ‑氧化铍陶瓷燃料， 采用高富集度二氧化铀燃料 弥 散在氧化铍基体中； 燃料管中心为圆形冷却剂流道供空气流过； 高速空气经 由发动机进气 口吸入并流经进气道， 在反应堆堆芯入口处形成高压气流并进入堆芯内工质流道； 作为冷 却剂的空气流经堆芯并带走重核裂变产生的热量， 在堆芯出 口形成高温高压气体， 最后经 由尾喷管膨胀做 功， 以高排出速度返回大气。 3.根据权利要求1或2所述的综合物理热工分析的气冷反应堆固体堆芯体积最小化设 计实现方法， 其特 征是， 所述的热工分析， 具体包括： 步骤一： 对于飞行在海平面高度上的核动力推进器， 其所吸入的来自大气环境中的空 气温度T1与压力P1可以根据标准大气模型求得； 根据已知的T1与P1进一步求得反应堆入口 处的空气温度T2与压力P2； 步骤二： 空气流经反应堆内的流道后， 将产生由于流动导致的空气压力损失； 首先预估 堆内压损值为 已知堆入口压力P2的前提下， 得到堆出口压力P3； 根据堆出口空气温度 和空气流动状态， 确定T3与P3； 步骤三： 依据冲压式发动机喷管的绝热熵增膨胀理论， 根据已知的T3与P3进一步求得反 应堆入口处的空气温度T4与压力P4； 空气在喷管出口的速度U4远远大于其在喷管入口的速 度U3， 因此由能量守恒定律， 在求得T3与T4的前提下， 求得空气在喷管出口的速度 其中： γ为空气比热比， 取值为1.4； Rg为空气气体常数， 值为287J ‑kg/K； T3与T4分别为喷管进出口空气温度； 步骤四： 根据总推力F、 来流空气速度U1、 飞行器排出空气速度U4， 得到流经飞行器内部 的总空气流量 其中： F为推力， U1与U4分别为飞行器吸入与排出空气温度， 稳态 飞行下U1恒为2.8Ma， U4由上一步求得； 步骤五： 现进行反应堆内流动传热特性分析， 求解反应堆内空气的流动状态； 已知堆进 出口温度T2与T3， 又已知堆内空气总流量W， 可根据能量守恒定律求解得到堆内总的燃料热权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115221647 A 2功率Q， 当堆内流动传热在 全部的N个燃料管上是均匀的， 因此求得每根燃料管上的流量w＝ W/N与功率q＝Q/N； 燃料管的数量N由总堆芯半径R与紧密排布的六角形燃料管对边距p求 得， 根据前文对反应堆几何布置形式的描述 可知， 其中： R为堆芯半径， N为 六 角形燃料 管数量， p为六角形燃料 管对边距； 步骤六： 已知w与 流道直径d， 得到圆管流道内空气的流动Re数， 管内对流换热的Nu数由 经验关系式求得， 具体为： 其中： Re为管内流动雷 诺数， Pr为空气普朗特数； z为距离堆入口的距离(0<z<L)； Tb(z)为空气沿管内流动的主流 温度分布， 根据上一步已知的w、 q、 T2、 T3由能量守恒求出； 在已知主流温度与Nu数分布的情 况下， 并进而迭代求得堆内的壁 面温度分布Ts(z)； 步骤七： 经上一步求得堆内温度分布后计算空气热物性； 步骤八： 在已知堆内温度分布与物性的情况下， 管内流动压降 其中： Re为管内流动雷诺数， z为距离堆入口的距离(0<z<L)； Tb (z)、 Ts(z)为空气沿管内流动的主流温度分布与壁面温度分布； w为管内空气流量， ρ 为空气 密度， d为 流道内径； 步骤九： 以步骤八求得 的校正后的堆内压降为 更新步骤二中预估的堆内压降值 重复上述 步骤二～步骤八， 直到堆内压降求 解收敛为止， 确定堆稳态工作状态； 步骤十： 热工分析步骤中所涉及的两个未知数为上述总堆芯半径R与紧密排布的六角 形燃料管对边距p； 满足要求的热工设计的堆内壁面温度最大值不能超过1644K， 堆出口空 气压力P3不能低于喷管出口压力P4； 在确定某一p值的前提 下， 为堆芯半径R输入一个接近于 0的正初值， 执行步骤二～步骤九解算堆内温度压力分布， 随后迭代并不断增大R的值并重 复上述步骤二～步骤九， 直到计算出的最高壁面温度低于1644K并且堆芯出口压力P3大于 喷管出口压力P4为止， 此时输入的R值即为所求得的热工最低半径为RTH,min。 4.根据权利要求3所述的综合物理热工分析的气冷反应堆固体堆芯体积最小化设计实 现方法， 其特 征是， 所述的物理分析 具体包括： 步骤①： 在蒙卡程序OpenMC中对燃料管进行建模， 六角形燃料单元对边距p为可变的输 入条件； 该蒙卡模型 的六个侧 面设置为周期边界条件， 用于表示这样的六角形单元 的密集 排布； 设置堆内 固体与空气温度分别为13 50K与1048K； 投入足量粒子数并展开 蒙卡计算； 步骤②： 对蒙卡计算结果后处理得到系统的无限增殖因数k∞和徙动长度M； 由裸堆临界 理论， 对于给定长度 为L的圆柱形状反应堆而言， 其临界半径 Rc满足： 其中： k∞为无限增殖因数， M为徙动长度， L 为堆芯长度， Rc为临界半径。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115221647 A 3