小型模块化熔盐快堆燃料管理初步分析

由于燃料随熔盐流动的特性以及可以进行在线添料与处理的特点,液态燃料熔盐堆的燃耗分析与燃料管理和传统固态燃料反应堆有很大不同,需要针对液态燃料熔盐堆的特点重新开发燃耗分析与管理程序。本文针对液态燃料熔盐堆的熔盐流动特性以及在线添料与处理功能,基于MCNP5和ORIGEN2.1燃耗耦合程序,开发了适用于液态燃料熔盐堆的燃料管理程序,并应用于一种小型模块化熔盐快堆的燃料管理和分析,对比分析了5种不同运行方案以及分批在线添料情况下,运行30年期间keff的变化情况及重要核素的演化情况。计算结果表明,采用不断调整添料率的连续在线添料运行方案和固定批量添料的运行方案,都可以让小型模块化熔盐快堆维持运行在一个较小的keff波动范围之内。开发的燃料管理程序适用于液态燃料熔盐堆的研究,同时可以为液态燃料熔盐堆的设计及燃耗管理和分析提供有价值的参考。     

熔盐球床堆径向流堆芯的热工水力分析

核热泉(NHS)堆是一种新型熔盐球床概念设计堆,其冷却剂径向流过堆芯,具有满功率自然循环特性。基于多孔介质局部非热平衡模型,利用计算流体力学(CFD)通用软件Fluent计算核热泉堆径向流堆芯的热工水力特性,并比较了不同的内、外孔板开孔率的影响。结果表明,内孔板开孔率对冷却剂流量分布影响较大;燃料中心温度具有相当的安全裕量,冷却剂横向流过堆芯的阻力远低于浮升力,能够实现全回路的自然循环。     

熔盐增殖堆初步安全分析

熔盐堆是第四代核能论坛确定的6种先进四代堆型之一,在固有安全、燃料循环、小型化、核资源的有效利用和防止核扩散等方面有其特有的优点。美国橡树岭国家实验室基于熔盐实验堆(Molten Salt ReactorExperiment,MSRE)设计、建造和运行经验,完成了熔盐增殖堆(Molten Salt Breeder Reactor,MSBR)概念设计。本文对MSBR进行初步的安全分析,为进一步改进和优化熔盐堆安全特性提供参考。根据MSBR的概念设计,建立了一个采用耦合简化传热机制点动力学的安全分析模型,并通过MSRE实验数据进行了验证。应用该模型模拟计算了MSBR在阶跃反应性和线性反应性引入后的堆芯热功率、堆芯石墨和堆芯熔盐温度瞬态。结果表明:在引入不超过500 pcm反应性情况下,无需采取任何措施,不会出现温度过高、堆芯结构材料融化事故;若需采取控制措施,线性引入反应性比阶跃引入反应性更易于控制,且应尽量避免短时间内引入反应性。     

基于MCNP和ORIGEN的熔盐快堆燃耗分析计算

熔盐堆是6种第4代先进核能系统中唯一使用液态燃料设计的反应堆型,其堆芯一回路中循环流动的熔盐既是燃料,也是冷却剂。这一特征在省去燃料元件加工制造步骤的同时,也使得熔盐堆能进行在线处理和在线添料的操作。因此,传统固态反应堆燃耗分析程序不再适用于熔盐堆。本文以熔盐快堆(MSFR)为分析对象,基于物理分析程序MCORE(MCNP+ORIGEN),将上述熔盐堆特点考虑进去,开发出能进行熔盐堆燃耗分析的MCORE-MS。初步分析表明,233 U-started模式下,熔盐在线处理可有效降低堆芯熔盐中裂变产物的含量,提高中子经济性。MSFR运行过程中能够一直保持负的温度反应性系数。     

基于ANSYS的高温熔盐泵应力分析与结构优化

高温熔盐泵是钍基熔盐仿真堆(Thorium Molten Salt Reactor-Solid Fuel,TMSR-SF0)一回路系统的关键设备,设计温度高达700°C,其结构完整性对反应堆安全运行至关重要。针对TMSR-SF0高温熔盐泵泵罐初始平封头设计方案应力过大问题,提出了三角形、单井形及双井形三种筋板优化方案,研究了筋板间距对双井方案泵罐应力的影响,制定了泵罐的最终设计方案,按照美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)标准第III卷第5册对其进行了评定。结果表明:三种方案均可大幅降低泵罐应力水平,双井方案最优,单井方案次之,三角形方案最差;泵罐最终设计方案为双井方案,此方案可使泵罐应力由413.4 MPa下降至65.4 MPa,应力降幅高达84.2%,并通过了ASME标准评定。     

熔盐快堆稳态核热耦合程序开发及验证

无慢化罐式堆芯结构的熔盐快堆(Molten Salt Fast Reactor,MSFR)中存在中子物理与热工水力的强耦合。应用耦合蒙特卡罗粒子输运程序OpenMC与计算流体力学软件OpenFOAM,建立了一套适用于熔盐快堆的三维稳态核热耦合计算程序。该程序基于python编程语言实现了OpenMC和OpenFOAM二者间的功率、燃料盐温度和密度分布等数据交互,可以获得堆芯内三维功率分布、中子通量密度分布、三维速度场和温度场分布。采用该耦合程序,建立了熔盐快堆的基准模型,研究了中子学区域划分数目和初始条件对keff、燃料盐速度和温度分布的影响。根据研究结果,推荐了一套合理的中子学区域划分方法与数目,表明了耦合程序设定的不同初始条件对keff结果无影响。最后,通过与熔盐快堆基准结果的对比验证了耦合程序的正确性,表明该程序适用于熔盐快堆的稳态核热耦合分析。     

氟盐冷却球床堆与HTR-10和MSRE的定量相似性分析

氟盐冷却球床堆是当前国际上一种新的研究堆型,尚无已经建造完成的反应堆,因此,选择相似且具有运行经验的反应堆作为基准题有助于堆芯核设计软件适用性分析。利用国际上常采用的相似性分析软件,可对熔盐实验堆(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE)及10 MW高温气冷堆(10 MW high-temperature gas-cooled test reactor,HTR-10)与氟盐冷却球床堆的相似性进行分析,定量判断它们作为基准题的合理性。分析结果表明,MSRE和氟盐冷却球床堆的能谱峰位能量接近且堆内元素种类相近,二者相似程度较高;常温临界HTR-10和氟盐冷却球床堆冷却剂不同,且能谱峰位能量差异较大,二者相似程度较低。因此,MSRE是氟盐冷却球床堆中子物理设计软件较理想的基准题。     

液态熔盐热堆燃料管理方法研究与分析

为研究液态熔盐热堆的燃料管理性能,需解决复杂堆芯结构的均匀化、燃料的混合及在线后处理3个问题。本文基于确定论程序DRAGON5与DONJON5,开发了液态熔盐热堆的燃料管理程序LMSR,并进行了验证。使用LMSR对液态熔盐热堆进行计算与分析,结果显示使用²³⁵U与²³⁸U启堆,加入燃料为²³²Th与²³³U条件下,后处理提取重金属的效率至少需要90%。此外,为维持堆芯有效增殖因数在1.0～1.005之间,加入的燃料中²³³U平均等效质量富集度在40%附近。     

小型模块化熔盐堆控制棒布置的物理分析

sm-TMSR是中国科学院钍基熔盐堆核能系统中心（TMSR）设计的一款小型模块化多用途钍基熔盐示范堆。本文就sm-TMSR堆芯的控制棒布置进行了物理分析。首先，对熔盐堆特有的反应性变化现象进行了分析，提出了sm-TMSR控制棒的功能和需求，即:对于调节棒，要求设计的总价值在寿期初等于或略大于2.5×10-2，寿期末等于或略大于2.06×10-2；对于停堆棒，考虑卡棒准则，要求设计的单根棒价值在寿期初大于等于2.1×10-2；其次，计算了不同位置、不同控制棒孔道直径以及有无哈氏合金套管的单根控制棒价值；最后根据控制棒价值的需求大小，确定了控制棒组件在堆芯较为优化的物理设计:①控制棒组件孔道直径为9?cm，无哈氏合金套管；②4根控制棒成“十”字形分布，2根停堆棒均匀布置在堆芯的第1圈，2根调节棒均匀布置在堆芯的第6圈位置。      

基于球床密实实验装置的熔盐堆分流板设计

在熔盐球床堆设计中,为实现堆芯内部燃料球堆积结构的稳定性,需保证堆芯内部的流场均匀分布。研究基于模拟熔盐球床堆堆芯水力特性的球床密实实验装置(Pebble bed dense experiment facility,PBDE),通过设计不同形状和不同孔道分布的分流板,运用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法使用FLUENT软件对其堆芯内部的流场分布进行数值模拟,目的是保证实验中堆芯的流场分布均匀稳定。模拟结果表明,平板形分流板较锥形分流板能更好地使堆芯内流场均匀分布;且增加分流板的孔道数目或减小孔径能使堆芯内部的流场更加均匀稳定;比较设计的6种分流板模拟结果,最终给出满足PBDE堆芯流场均匀分布的分流板,为PBDE实验提供了基础,也为熔盐球床堆的堆芯流量分配设计提供技术方案与选型参考。     

加速器驱动洁净能系统中的燃耗行为分析

研究了加速器驱动洁净核能系统（ADS）次临界反应堆内核素的演化。分析结果表明：ADS具有嬗变长寿命核废物的能力。从快堆和热堆的比较可知,ADS的快堆具有输出功率大、长寿命超铀放射性废物的累积水平低、裂变产物对反应堆反应性和能量增益影响小等优点。这些优点在利用U－Pu燃料循环的次临界堆中十分明显。对于利用Th-U燃料循环的次临界堆,热堆和快堆都是可以工作的;而对于U－Pu燃料循环的系统,快堆则是较好的选择。