HTR—10石墨球与燃料球均匀混合装料初装堆方案研究

分析了球床式高温气冷堆几种可能的初装堆方案的特点，选取石墨球与燃料球均匀混合作为１０ＭＷ高温气冷实验堆的初装堆方案。利用高温气冷堆物理设计程序ＶＳＯＰ进行计算，分析屯ＨＴＲ－１０从初始装料向平衡态过渡过程中的倒换料方式，最大单球功率及最大燃耗变化情况。     

高温气冷堆核级石墨相关问题研究

本文通过对石墨在高温气冷堆中的运行环境进行了分析,研究了在石墨堆内构件设计中的关键问题和在高温气冷堆单个模块及其未来发展中核级石墨的需求。从原料、成型及中子辐照等角度分析了核级石墨国产化研究方向。根据核级石墨目前的研发形势,进行了风险问题分析。     

高温气冷堆用石墨材料的腐蚀实验与软件模拟

在高温气冷堆进水进空气事故下,空气和水蒸气会与堆内的石墨材料发生化学腐蚀反应,从而可能影响反应堆的安全。为研究高温气冷堆内石墨材料的氧化腐蚀特性,本文利用气相色谱法实验测量了IG-110石墨在不同温度和不同气体组分配比情况下的腐蚀速率及腐蚀产物,并利用THERMIX/REACT软件对整个石墨腐蚀过程进行了模拟。研究结果表明：反应温度对石墨腐蚀的影响最为显著,腐蚀速率随着温度的升高而增大,同时随着温度升高,CO与CO₂的含量比也逐渐增大。通过与实验结果对比分析,验证了THERMIX/REACT软件用于高温气冷堆安全分析的可靠性。     

高温气冷堆结构中的力学问题

本文着重介绍了高温气冷堆结构中的力学问题。由于高温气冷堆采用石墨作为主要结构材料,因而在高温、高辐照以及氧化气氛中石墨力学特性的研究是本文介绍的重点:诸如石墨在上述工作环境下的物理性质及力学性质,石墨的疲劳特性、石墨的应力分类及破坏准则等。对高温气冷堆压力容器(PCPV)应力分析中混凝土的徐变及开裂问题的研究,本文也做了介绍。     

底反射层氧化对模块式高温气冷堆进气事故的影响分析

进气事故是模块式高温气冷堆(HTR-PM)事故分析中重点考虑的一种事故类型。核级石墨在高温气冷堆中被广泛用作反射层材料、结构材料和慢化材料等。在进气事故中,燃料元件基体石墨发生氧化反应增加了燃料颗粒裸露和放射性释放的风险,底反射层发生氧化反应降低了石墨材料的机械性能,可能破坏堆芯底部结构的完整性。本文利用高温气冷堆专用系统分析程序TINTE,分别选取两种不同氧化速率的石墨材料作为底反射层材料,以热气导管双端断裂的进气事故为例,分析不同材料对进气事故的影响。在保证底反射层完整性的前提下,底反射层采用高氧化速率的材料时,能明显降低燃料颗粒裸露和放射性释放的风险。     

用密度泛函理论研究氚在高温气冷堆核级石墨的吸附与解吸附行为

为研究氚在高温气冷堆核级石墨上的吸附和解吸附行为,本文利用密度泛函理论,采用氢原子代替氚原子的办法,通过理论计算得到了氚在高温气冷堆核级石墨上的结合能,通过模型分析得到了氚在高温气冷堆核级石墨上的吸附、解吸附机理与相应的份额,并得到HTR-10在20年寿期末各部分氚的累积量及事故工况下氚释放量的估计值。本文结果为研究估算高温气冷堆氚释放的机理提供了一条新思路。     

高温气冷堆放射性总量计算程序研发与验证

堆芯放射性总量计算是核电站辐射防护设计、屏蔽计算和环境影响评价的基础。为进一步提高高温气冷堆堆芯放射性总量计算分析能力,自主研发了高温气冷堆堆芯源项计算程序NUIT,计算了HTR-10和HTR-PM堆芯内特定燃耗的燃料元件的放射性,并与KORIGEN程序的计算结果进行了对比。计算结果表明,NUIT程序可用于高温气冷堆堆芯放射性总量计算,并具有较好的计算精度和效率。     

核级石墨辐照变形对辐照应力和寿命的影响

石墨是高温气冷堆的堆芯关键结构材料,其机械性能,尤其是辐照后特性,对反应堆的运行安全至关重要.不同牌号的石墨在制备工艺上有较大差异,导致内部微观结构的不同,从而影响石墨的辐照变形.本工作通过对高温气冷堆堆芯侧反射层石墨砖的辐照行为进行数值仿真,分析不同石墨材料的辐照变形对石墨结构的辐照应力和辐照寿命的影响.结果表明,石墨结构的辐照应力和辐照寿命对石墨材料的辐照变形高度敏感.相关结论将为高温气冷堆堆芯石墨砖的结构设计提供重要的数值依据.     

MVP程序用于HTR-10首次临界的计算

使用MVP程序对10 MW球床式高温气冷堆(HTR-10)的首次临界进行计算。计算中根据HTR-10的特点,应用MVP程序的统计几何模型来描述燃料颗粒在燃料球内的随机分布以及燃料球和石墨球在堆芯内的随机混合分布。使用JENDL-3.3数据库时,MVP程序的结果与VSOP程序和MCNP程序相比差别稍大,而使用ENDF/B-Ⅵ.8数据库时结果则非常接近。与首次临界实验结果相比,相对误差均小于0.7%。结果表明,MVP程序可以用于球床式高温气冷堆的堆芯物理计算。     

孔隙率对核级石墨氧化的影响

核级石墨在高温气冷堆中作为结构材料、慢化材料和反射层材料等被广泛应用,其氧化性能对高温气冷堆在进水或进气事故下材料的腐蚀行为有重要影响。初始孔隙率分布及孔隙率在氧化过程中的变化均对石墨氧化造成影响。本文以核级石墨IG-110、H-451、NBG-18和A3-3为例,以直径为6 cm的石墨球为研究对象,在一维瞬态氧化模型的基础上,分析了初始孔隙率分别服从均匀分布、正态分布和对数正态分布时对石墨氧化的影响。从模型简化和高温气冷堆安全分析角度保守考虑,建立石墨氧化模型时,核级石墨初始孔隙率可取均匀分布,此时石墨的整体失重率最大。     

Gas-cooled reactor thermal hydraulic analyses with MELCOR

Pursuant to the Energy Policy Act of 2005, the High Temperature Gas-Cooled Reactor (HTGR) has been selected as the reference design for the Next Generation Nuclear Plant (NGNP). Stemming from a U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) HTGR research initiative, a need was identified for validation of systems-level computer code modeling capabilities in anticipation of the eventual need to perform licensing analyses. Because the NRC has used MELCOR for light water reactors (LWR) in the past and because MELCOR was recently updated to include gas-cooled reactor (GCR) physics models, MELCOR is among the system codes of interest to the NRC. This paper describes MELCOR modeling of the General Atomics' Modular High Temperature Gas-Cooled Reactor (MHTGR). The MHGTR is a suitable design for demonstration of MELCOR GCR modeling competency for two reasons: 1) the MHTGR is a predecessor to the more advanced General Atomics’ Gas-Turbine Modular High Temperature Reactor (GTMHR), and 2) experimental data useful for benchmark calculations may soon become available. Using the most complete literature references available for the MHTGR design, researchers at Texas A&M University (TAMU) constructed a MELCOR input deck for the MHTGR to partially validate MELCOR GCR modeling capabilities. Normal and off-normal system operating conditions were modeled with appropriate boundary and initial conditions. MELCOR predictions of system response were obtained for steady-state, pressurized conduction cool-down (PCC), and depressurized conduction cool-down (DCC) scenarios. Code results were checked against nominal MHTGR design parameters, physical intuition, and anticipated GCR thermal hydraulic response. No inherent deficiencies in MELCOR modeling capability were observed, suggesting that the newly-implemented GCR models are adequate for systems-level analysis. If and when experimental benchmark data becomes available, further validation activities may proceed given the modeling efforts discussed herein.     

高温气冷堆用石墨材料的氧化性能研究

高温气冷堆均选用石墨材料作为结构材料和慢化剂.在反应堆的运行过程中,由于冷却剂中含有的氧化性气体杂质以及可能发生的进水事故和进气事故,会发生石墨材料的氧化,进而影响反应堆的正常运行和安全.本文主要对近期反应堆用石墨材料的氧化研究进行综合评述,并在此基础上,指出今后需要进一步研究的内容.     

Rules for design of nuclear graphite core components — Some considerations and approaches

The use of graphite as a structural element presents unusual problems both for the designer and stress analyst. When the structure happens to be a nuclear reactor core, these problems are significantly magnified both by the environment and the attendant safety requirements. In the high temperature gas reactor (HTGR) core a large number of elements are constructed of nuclear graphite. This paper discusses the attendant difficulties, and presents some approaches, for ASME code safety-consistent design and analysis. The statistical scatter of material properties, which complicates even the definitions of allowable stress, as well as the brittle, anisotropic, inhomogeneous nature of the graphite was considered. The study of this subject was undertaken under contract to the U.S. Nuclear Regulatory Commission.     

反应堆用石墨材料的氧化

在反应堆运行过程中，冷却剂中含有的氧化性气体杂质以及可能发生的进水事故和进气事故将导致石墨氧化，进而影响反应堆的正常运行和安全。文章主要对近期有关反应堆用石墨的氧化机理、氧化对石墨性能的影响、事故工况下的安全评估以及预防石墨氧化的措施等进行综述，并在此基础上指出，在辐照和氧化共同作用下的石墨材料性能变化是今后有关反应堆石墨研究的一个主要方面。     

高温气冷堆石墨构件的碰撞力学行为研究

高温气冷堆的反射层和隔热层主要由数量庞大的石墨砖和碳砖组成，在地震或冲击载荷作用下，部件之间可能发生滑移和碰撞，影响其结构完整性。简化的数值分析模型是研究这种大规模散体结构的重要手段，而其中模拟碰撞的非线性连接单元参数对分析的收敛性和结果的准确性至关重要。本文对高温气冷堆中石墨构件的3种典型碰撞形式进行了实验研究，测量得到了各碰撞模式下碰撞时间和恢复系数与碰撞速度的关系。针对碰撞实验中边界条件与堆内实际构件的差别，采用商业有限元分析软件ABAQUS对不同碰撞形式进行了数值分析，进一步获得了更为准确的碰撞特性，并通过改进的Hertz碰撞模型对实验和数值结果进行分析，得出了非线性碰撞连接单元的等效刚度系数和等效阻尼系数。最后利用数值分析方法进行了与堆内构件设计相关的质量和间隙尺寸对碰撞单元等效刚度系数和等效阻尼系数的详细研究，为高温气冷堆石墨和碳堆内构件的设计提供参考。     

高温气冷堆螺旋管式直流蒸汽发生器热工水力学

高温气冷堆蒸汽发生器具有一次侧氦气工质、二次侧直流、螺旋管结构、工作温度高等特点，其热工水力特性与传统压水堆自然循环蒸汽发生器存在很大区别。针对高温气冷堆蒸汽发生器的特点，对其基础热工水力及特有热工水力学问题进行了阐述，主要包括螺旋管内单相及两相流阻及换热计算、横掠螺旋管束流阻及换热计算、温度均匀性及两相流不稳定性等。同时介绍了清华大学核能与新能源技术研究院针对高温气冷堆蒸汽发生器热工设计、温度均匀性及两相流不稳定性等热工水力学问题所开发的一维稳态程序、一维瞬态程序、二维分析程序和方法，并对分析结果和结论进行了讨论。相关研究方法、程序和结论对其他相似参数螺旋管和直管式直流蒸汽发生器具有参考和借鉴意义。     

MELCOR与SPEEDI程序在放射性物质释放量评估中的应用比较

轻水堆核电厂严重事故发生时,公众及核电厂工作人员最为关心的就是放射性物质的泄漏,如何准确地评估放射性物质的释放水平,对指导核电厂工作人员采取相关的应急措施具有重要的意义。目前,用于实时评估核事故情况下放射性物质释放量的方法主要有两类:(1)基于核电厂事故工况分析的评估方法,如MELCOR程序;(2)根据辐射环境监测数据反演的评估方法,如SPEEDI程序。前者主要以程序模拟计算为主,后者主要是基于核电厂周围辐射环境监测的数据,具有实时性。本文通过对MELCOR和SPEEDI这两类评估程序在福岛核事故中的应用比较,阐述两类评估方法在评估放射性物质释放量时发挥的效用。     

高温气冷堆和轻水堆超铀元素管理特性研究

乏燃料中长寿命锕系元素对环境造成长期潜在危害,本文研究球床高温气冷堆不同燃料循环中超铀元素的产生和焚烧特性。在250 MW球床模块式高温气冷堆示范电站HTR-PM铀钚循环的乏燃料中提取铀和钚作为核燃料,设计了PuO₂和MOX燃料元件,将新设计的燃料元件重新装入与HTR-PM相同结构和尺寸的堆芯,分别形成纯钚燃料循环和MOX燃料循环。采用高温气冷堆物理设计程序VSOP,研究了高温气冷堆一次通过燃料循环和不同闭式燃料循环的超铀元素焚烧特性,并与轻水堆燃料循环结果进行比较和分析。结果表明：高温气冷堆一次通过燃料循环超铀元素生成率约为轻水堆的1/2;高温气冷堆闭式燃料循环能有效嬗变超铀元素。     

Development of Improved Chord-length Sampling Method and Its Application in Monte Carlo Simulation of Dispersion Fuel

Dispersion fuel is widely used in high-temperature gas-cooled reactor (HTGR), accident tolerant fuel, experimental research reactor, naval nuclear power plant and so on. The chord-length sampling (CLS) method can simplify the geometry modeling of dispersion fuel, which can improve the efficiency. However, traditional CLS can only handle the packing of single particle, and has large error when the packing fraction is high. Aiming to solve these two problems, the improve CLS method was developed in reactor Monte Carlo code RMC, and applied to the fully ceramic micro-encapsulated fuel pin case and HTGR fuel pebble with mixed fuel and poison particles. Results show that the proposed method can handle mixed particles with multiple types, and preserve the accuracy of packing fraction, which provide precise and high efficiency for the critical and burnup calculations.     

HTGR plant dynamics analysis under accident conditions

Important features of high temperature gas-cooled reactor (HTGR) systems related to plant dynamics and accident analysis are discussed. Because of the basic simplicity of the HTGR system, it is possible to analyze the full reactor plant (core, helium circulators, steam generators and reheaters, feedwater controls, turbine controls, and plant protective action) in a single computer code. Representative dynamics analysis is presented for the Fort St. Vrain Power Station.