模块式高温气冷堆非能动余热排出系统分析与研究

非能动的余热排出系统是高温气冷堆固有安全性的重要体现之一。本文介绍了模块式高温气冷堆余热排出系统热工水力计算方法,并给出了不同工况、不同环境温度下余热排出系统的运行参数,为余热排出系统的设计和运行提供了参考。对事故工况下舱室混凝土温度分布进行了数值分析,结果表明混凝土最高温度低于安全限值。     

蒸汽发生器主给水管道不同位置断裂后设备冷却水系统泵厂房漫流特性分析

核电厂蒸汽发生器主给水管道横跨设备冷却水系统（CCS）泵厂房,其中布置有柴油机、泵等重要设备。在CCS泵厂房发生蒸汽发生器主给水管道双端破裂事故工况下,需保证布置在CCS泵厂房内的CCS泵组不会因为水淹而造成失效,因此,需要对该漫流特性进行评价分析。已有研究大多关注管道破裂后流体高速喷射行为,而较少研究喷射流体在CCS泵厂房中漫流积淀情况,同时由于设备冷却水系统泵厂房空间尺寸巨大、结构复杂,很难开展原型尺寸实验研究。因此分别对破管位置位于CCS泵厂房5.334 m层空间和CCS泵厂房11墙与近核岛侧防甩墙之间的压力隔间两类事故场景分别进行三维数值计算。模拟结果表明：在蒸汽发生器双端断裂触发跳泵事故下,泄放水流量在11 s内即迅速下降,破口位置处于5.334 m层空间和压力隔间两类条件下均不会淹没CCS泵防水台,不影响CCS泵的正常运行。破口位于5.334 m层空间位置时设计预留开孔能有效排出漫流的泄放水;破口位于压力隔间内时设计的钢格栅也能有效排出漫流的泄放水。本研究为CCS泵厂房空间设备冷却水系统泵厂房防水淹策略优化设计提供重要数值参考。     

高温气冷堆蒸汽发生器卸压过程模拟和分析

当高温气冷堆发生假想事故导致停堆后,堆芯热量将通过冷却系统载出。由于系统设计和蒸汽发生器系统材料等要求,需在冷却水注入前将蒸汽发生器二次侧卸压。本文选用清华大学核能与新能源技术研究院设计的200 MW高温气冷示范堆(HTR-PM),利用热工水力瞬态分析系统程序对其蒸汽发生器二回路系统进行建模,并针对事故后蒸汽发生器不同卸压阀门设计下的热工瞬态过程进行数值模拟,计算和分析了蒸汽发生器换热管等部件在瞬态过程中的温度变化,为相关系统的应力分析和设计提供参考。     

放射性废液蒸发系统的操作条件选择

在对放射性废液蒸发处理系统进行调试过程中,通过调节废液上料量、蒸汽发生器液位、一次蒸汽流量等系统参数来改变系统运行工况,得出各工况下的净化系数,分析系统净化效果的影响因素。调试结果表明:对于该系统,蒸汽发生器液位在500mm时净化系数最高;蒸发量为1m3/h时,净化系数最高;系统在变工况运行时产生波动,净化系数降低。系统原有两条控制联锁,为一次蒸汽流量与预热器出口温度、一次蒸汽流量与蒸汽发生器液位的联锁,仅此两条联锁对于系统的稳定性不够,且一次蒸汽控制液位的控制方式灵敏性差,滞后严重。文章通过分析系统运行各参数的关系,从系统运行稳定性和净化效果的角度,提出对该系统控制方式的合理改进——调整蒸汽发生器液位与上料量联锁控制。     

小型压水堆核电厂蒸汽排放控制系统仿真研究

小型压水堆核电厂通常采用结构紧凑的直流蒸汽发生器,在甩负荷工况下,其蒸汽压力急剧升高。为防止蒸汽压力过高对设备造成损坏,本文在建立小型压水堆一、二回路设备模型以及控制系统的基础上,分别基于压力模式、温度-压力和功率-压力模式设计蒸汽排放控制系统,并在甩负荷工况下开展小型压水堆系统的仿真研究。结果表明,在甩负荷工况下,与压力模式相比,温度-压力和功率-压力模式能够有效减小蒸汽压力的超调量。     

CAP1000核电厂全功率范围SGTR事故研究

对CAP1000非能动核电厂在部分功率、零功率和热备用条件下发生的蒸汽发生器传热管破裂（SGTR）事故进行蒸汽发生器满溢评价。对典型的部分功率、零功率和热备用运行条件下的SGTR事故分别进行横向敏感性分析,选取每个运行条件下的保守工况,结合满功率事故工况进行纵向功率谱对比,根据其瞬态特性,分析事故进程,评价极限运行工况和关键参数。结果表明：CAP1000核电厂在全功率范围内发生SGTR事故均不会导致蒸汽发生器满溢,且最严重的工况发生在满功率条件下。     

ACPR50S小型堆直流蒸汽发生器的屏蔽计算分析

直流蒸汽发生器(OTSG)是ACPR50S小型堆的主要设备之一,OTSG内部高注量率中子会使OTSG主蒸汽出口处的水蒸汽产生活化,从而污染整个二回路系统。基于目前OTSG设计的屏蔽方案,本文对~(16)N的产生与传输进行了初步计算分析。结果表明,OTSG内部的中子注量率量级与蒸汽出口~(16)N放射性活度结果已经降低至较低水平,目前OTSG外壁的屏蔽材料与厚度可以满足正常运行工况下初步屏蔽设计的目标。     

一体化核反应堆蒸汽发生器初步换热分析

基于美国Nu-Scale一体化核反应堆设计参数,对直管式、U型管式和螺旋管式三种蒸汽发生器进行了匹配设计,并采用N-S方程和流体换热方程对其换热回路进行分析,得到了有效换热参数,优化了蒸汽发生器结构,改善反应堆蒸汽发生器的换热能力。经分析,当反应堆功率相同且不变时,螺旋管式蒸汽发生器换热效率最大,在三种蒸汽发生器中具有最高的冷却水出口温度。此时,其冷却水压降较大,但符合换热设备设计要求。     

核电厂“半环”运行工况一回路事故进程研究

压水堆核电厂"半环"运行时丧失余热排出系统的事故后果非常严重.为研究该事故进程,本工作以300 MW级压水堆核电厂为研究对象,对"半环"运行工况下丧失余热排出系统的事故进程进行研究.分析发现,主泵检修和蒸汽发生器人孔打开工况易因丧失冷却剂而使堆芯裸露,堆芯温度迅速升高,并引发熔堆的事故风险.而当一回路系统闭口时,系统压力将升高很快,存在系统超压风险.     

CEFR事故余热排放系统管道热应变测量及结果分析

中国实验快堆(CEFR)以钠作为冷却剂。事故余热排放系统是CEFR快堆的专设安全设施,在反应堆出现地震、系统供电全部中断、全部蒸汽发生器给水中断的事故工况时,将堆芯余热通过空气冷却器非能动地排放到最终热阱。CEFR事故余热排出系统设计温度为550℃,运行温度最高为516℃,全部为双层管道,管道内运行介质为高温的液态金属钠。通过对事故余热排放系统进行热应变测量和数据分析,掌握系统管道的应力应变情况和监测系统运行状态的应力变化。     

ITER components cooling: Satisfying the distinct needs of systems and components

The ITER Tokamak requires multiple auxiliary systems to initiate, support, and monitor the fusion reaction. Heat produced by these systems, as well as the heat produced by the fusion reaction itself is collected by the ITER Cooling Water System (CWS) and rejected to the atmosphere. The CWS is composed of several systems designed for specific cooling roles. One of these systems is the Component Cooling Water System 2 (CCWS-2) whose function is to collect the heat from auxiliary client systems and components and transfer it to the Heat Rejection System. Clients are located throughout the site and have different requirements in terms of pressure, temperature, temperature variation, flow, metallurgy of wetted surfaces, and water quality. To satisfy these different requirements the CCWS-2 is divided into four separate loops, each of which has different operating parameters. For example, the CCWS-2A loop is designed to cool components with wetted surfaces of copper and primarily serves the radio-frequency heating systems, magnet power supplies, and neutral beam injector system components. This paper describes the evolution of the CCWS-2 system to match the needs of groups of compatible clients, and describes the development of the preliminary design of one of its loops, CCWS-2A, to meet individual client needs.     

Cooling mechanism during transient reflooding of a reactor fuel bundle after loss of coolant

Cooling efficiency during transient reflooding under loss of normal coolant conditions has been examined with a 7 × 7 simulated fuel rod bundle and jet pump bypass. The bundle contains 49 electrically heated rods with 3600 mm heated length and a pseudo cosine axial power distribution. Water is injected into the lower plenum and the superheated bundle is reflooded from the bottom with some flow diverted to the simulated jet pump bypass. The results show that effective cooling can be maintained.     

冷却气体对黑腔系统温度场影响数值模拟

为了研究氦氢冷却气体对黑腔系统温度场的影响，采用CFD数值模拟方法，计算了氘氚靶丸外表面最大温差与填充区域的气体流场随气压、氦气含量变化的规律。通过对冷却壁面施加壁温扰动函数，监测了靶丸外表面平均温度、最大温差随时间的波动。研究结果表明：提高氦氢混合气体的填充压力或减小氦气含量，使得黑腔上下部分冷却气体自然对流强度差异增大，导致靶丸外表面温度场均匀性恶化；但降低冷却气体中氦气含量使气体导热系数减小，比热容增大，使得冷却壁温扰动对靶丸外表面温度场均匀性的影响减弱。     

Thermal analysis of a storage cask for 24 spent PWR fuel assemblies

Abstract

The purpose of this paper is to perform a thermal analysis of a spent fuel storage cask in order to predict the maximum concrete and fuel cladding temperatures. Thermal analyses have been carried out for a storage cask under normal, off-normal and accident conditions. The environmental temperature is assumed to be 27°C under the normal condition. The off-normal condition has an environmental temperature of 40°C. An additional off-normal condition is considered as a partial blockage of the air inlet ducts. Four of the eight inlet ducts are assumed to be completely blocked. The accident condition is defined as a 100% blockage of air inlet ducts. The storage cask is designed to store 24 PWR spent fuel assemblies with a burn-up of 55,000 MWD/MTU and a cooling time of 7 years. The decay heat load from the 24 PWR assemblies is 25.2 kW. Thermal analyses of the ventilation system have been carried out for the determination of the optimum duct size and shape. The finite-volume computational fluid dynamics code FLUENT was used for the thermal analysis. From the results of the analysis, the maximum temperatures of the fuel rod and concrete overpack were lower than the allowable values under the normal, off-normal and accident conditions.     

Tube failures due to cooling process problem and foreign materials in power plants

Cooling process which uses water for heat transfer is an essential factor in coal-fired and nuclear plants. Loss of cooling upset can force the plants to shut down. In particular, this paper reports visual inspections and metallurgical examinations on the failed SA210-A1 right-hand side (RHS) water wall tube of a coal-fired plant. The water wall tube showed the abnormal outer surface colour and has failed with wide-open ductile rupture and thin edges indicating typical signs of short-term overheating. Metallurgical examinations confirmed the failed tube experiencing higher temperature operation. Water flow starvation due to restriction inside the upstream tube is identified as the main root cause of failure. The findings are important to take failure mitigation actions in the future operation. Discussion on the typical problems related to the cooling process in nuclear power plants is also presented.     

CSR1000控制棒落入堆芯三维瞬态分析

针对超临界水堆(SCWR)控制棒落入堆芯事件特点,采用堆芯三维瞬态性能分析方法,利用开发的SCWR堆芯三维瞬态物理-热工水力耦合程序STTA,建立SCWR堆芯落棒瞬态三维计算模型和分析流程,研究分析超临界水堆CSR1000在控制棒落入堆芯瞬态过程中的堆芯性能,分析评价落棒瞬态下CSR1000堆芯的安全性能。堆芯三维落棒瞬态分析表明,当落入堆芯棒束价值较高时,落棒初期堆芯功率下降较快,之后由于水密度的反应性反馈,堆芯功率缓慢回升至新的平衡,堆芯功率下降速率超过了停堆信号整定值,将触发保护停堆;当落入堆芯棒束价值较低时,由于水密度的反应性反馈,堆芯功率下降缓慢,堆芯功率下降速率未能达到停堆信号整定值,不能触发保护停堆。控制棒落入堆芯对堆芯轴向功率分布影响很小,高价值落棒导致的落棒区域燃料组件功率坍塌相对低价值落棒更明显。无论是高价值落棒还是低价值落棒,瞬态过程中最大包壳壁面温度均低于瞬态安全限值850℃。水密度的显著反应性反馈及必要的保护停堆措施能保证CSR1000堆芯在控制棒落入堆芯过程中的安全性能。     

高温钠热管传热性能试验研究

为获得高温钠热管传热性能,开展真空条件下钠热管启动性能和等温性能试验,获得了钠热管真空条件下启动速度与等温性能数据;开展强制冷却工况条件下传热性能试验,获得了钠热管声速限特性与试验工况下的最大传热功率。经试验验证,所研制高温钠热管在真空条件下,580 ℃时完全启动,启动用时20 min,轴向壁面温差低于11 ℃,等温性能良好;钠热管传热功率在工作温度为500～650 ℃时受声速极限限制,在650 ℃以上受携带极限限制;在750 ℃和850 ℃时,测得热管最大散热功率分别为4.78 kW与8.02 kW,对应的最大轴向热流密度分别为1.51 kW/cm²与2.53 kW/cm²。试验结果表明,所研制钠热管具有较强传热能力,可满足热管式核反应堆等工程应用需求。     

示范快堆堆坑通风冷却三维数值模拟

为详细研究示范快堆堆坑内空气流动状态和温度分布情况，检验现行堆坑通风系统布置合理性与冷却效果，本文利用CFD软件对正常运行工况下的示范快堆堆坑空气流域进行三维数值模拟。结果表明，通风系统冷却效果满足设计要求，堆坑混凝土内壁最高温度为50.7 ℃，但堆坑内部流场复杂，温度分布的不均匀性较高，通风系统进出口排布方式需进一步优化。计算结果为主容器及贯穿件支承热工计算提供了更为准确的边界条件，为示范快堆一回路设计提供参考。     

水冷包层模块第一壁流动传热特性初步分析

本文基于我国聚变工程实验堆水冷包层优化设计与安全分析的要求,针对水冷包层模块第一壁的流动传热特性进行三维数值模拟研究。采用计算流体力学方法,建立了水冷包层模块第一壁的三维数值模型,研究流量分配的特点以及温度分布情况,分析与评估在稳态工况、瞬态工况及失流事故下的水冷包层模块第一壁传热能力。研究结果表明,不同冷却管间存在流量分配不均匀的现象;在稳态工况下,水冷包层模块第一壁具有较好的传热能力,瞬态工况下水冷包层模块能够有效地导出反应堆热量;失流事故下冷却管内温度短时间上升至系统压力下的饱和温度,有待进一步研究。相关研究为优化包层第一壁传热设计提供参考,并为今后聚变堆的安全分析提供依据。     

SCWR-FQT回路的热工物理耦合分析

中欧核能合作研究项目超临界水堆燃料验证实验(SCWR-FQT)的主要研究内容为在超临界水环境下对一个小型燃料组件进行堆内性能分析和验证。本文应用修过后的系统程序ATHLET-SC对该实验回路进行建模,同时结合堆芯中子物理的计算结果,对由于压力管进口管破裂形成的失水事故进行热工水力和中子物理的耦合分析,并讨论了物理耦合中停堆棒的负反应性、冷却剂温度系数等参数对结果的影响。计算结果表明,进行了中子物理耦合的结果得到的最高包壳温度比未进行中子耦合的结果要低15℃,同时停堆棒引入的负反应性是该事故过程中影响燃料棒最高包壳温度的一个主要因素。