373 MW熔盐堆非能动余热排出系统换热元件的优化设计

熔盐堆是第四代先进核能系统的候选堆型之一,具有经济性好、安全性高以及燃料循环灵活等诸多优点。排盐罐非能动余热排出系统是熔盐堆非能动安全系统的重要组成部分。本文针对373 MW熔盐堆的非能动余热排出系统进行优化设计研究。通过对比MATLAB程序和CFD分析软件FLUENT对美国橡树岭国家实验室设计的熔盐实验堆(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE)模型的计算结果,完成了二者作为熔盐堆排盐罐非能动余热排出系统设计与分析软件的论证。针对373 MW熔盐堆的排盐罐非能动余热排出系统提出了初步设计方案,并基于FLUENT仿真结果针对核心部件换热元件进行了一系列分析优化。分析结果表明:在保证换热元件壁面最高温度不超过977.4 K最高设计温度的前提下,换热元件采用正方形排布,间距值取95.0 mm可以实现经济最大化;减小气隙层对传热强化作用有限,因此气隙层宽度仍采用4.3 mm。     

液态燃料熔盐堆排盐罐非能动余热排出特性研究

液态燃料熔盐堆具有较高的经济性、安全性及燃料在线处理等多种特点。紧急排盐非能动余热排出系统（Emergency Draining Salt Passive Residual Heat Removal System,EDS-PRHRS）是液态燃料熔盐堆独有的余热排出系统设计，其中排盐罐中熔盐能否安全导出余热是EDS-PRHRS设计的基础。为了研究EDS-PRHRS排盐罐运行过程中的瞬态特性，本文以30 MW熔盐堆紧急排盐罐为研究对象，通过计算流体力学分析软件Fluent对EDS-PRHRS排盐罐进行熔盐耦合换热元件的余热排出瞬态数值模拟，并针对排盐罐相关参数进行敏感性分析。分析结果表明：余热排出过程中换热元件外壁面和熔盐热点温度随时间变化存在峰值，且通过提高换热元件轴向高度、增强气隙层壁面发射率可以显著降低温度峰值，延后排盐时间可以略微降低峰值，此外采用三角形排布可以延缓局部凝固时间。研究结果可为EDS-PRHRS提供设计参考。     

熔盐堆余热排出系统闪蒸流动的不稳定性

套管式换热元件是熔盐堆非能动余热排出系统的重要组成部分之一。设计并搭建了单根套管式换热元件自然循环实验台,模拟熔盐堆停堆后排盐罐中熔盐的显热与衰变热的导出过程。在这种以套管式换热元件为基础的自然循环回路中,发现了闪蒸流动不稳定现象的存在。分析了在闪蒸过程中压力与温度的变化情况,以及这种闪蒸流动不稳定性的特点,并研究了在闪蒸过程中的换热系数的变化情况。结果表明,当外层套管外壁温度从440oC上升到700oC时,单根套管式换热元件的换热量会从550 W上升到1 900 W。此外,在闪蒸过程中,换热元件中的沸腾换热系数在800-1 700 W·(m~2·K)~(-1)之间变化,换热元件壁温与自然循环流量的周期性变化引起管壁周期性热应力与系统的周期性机械振动。因此,在熔盐堆余热排出系统的设计过程中,为保证热量导出的安全性与稳定性,需要考虑到闪蒸现象。     

10MW熔盐堆非能动余热排出系统概念设计

以美国橡树岭国家实验室设计的10 MW熔盐实验堆(MSRE)作为研究对象,提出一种满足安全要求的非能动余热排出系统概念设计,给出系统回路的构成、主要设备及主要设计参数。同时对此系统的自然循环特性、排热能力等热工水力性能进行计算分析,结果表明,所设计的非能动系统可以满足反应堆余热排出要求,并具有相当的安全裕量,同时系统排热规律与排盐罐内的衰变热释放过程较为接近,确保熔盐温度平稳降低。     

小型堆二次侧非能动余热排出系统特性计算分析

为提高反应堆安全性,基于自然循环的非能动余热排出系统在小型反应堆中有着广泛的应用。本文基于已完成的小型一体化核动力装置中间回路换热实验,用RELAP5(Reactor Excursion and Leak Analysis Program)对中间回路自然循环运行特性开展了计算分析工作。研究发现,载热功率的程序计算结果与实验数据符合良好,可表征系统的自然循环特性。在余热排出系统中,系统回路的压力由蒸汽发生器（Steam Generator,SG）一次侧平均温度所决定,SG一次侧入口温度、质量流量与冷热源高度差对余热排出系统换热性能影响显著。当SG一次侧入口温度较高时,余热排出系统换热性能对系统回路阻力更加敏感,这些结果为进一步研究小型堆非能动系统提供了有价值的应用。     

硝酸盐自然循环回路系统特性分析

硝酸盐自然循环回路(Nitrate natural circulation loop,NNCL)是研究熔盐自然循环特性的重要实验平台,可为氟盐冷却高温堆的非能动余热排出系统设计和验证积累经验。通过修改RELAP5/MOD4.0程序,对NNCL进行了系统分析,分析了不同加热功率、空气流量和入口温度等情况下的系统特性。结果表明,加热功率和空气流量是影响NNCL系统平衡温度和质量流量的重要因素,对系统稳态时的温度和流量有很大影响;自然循环达到稳定时所需时间较长,不同工况下需要8-27 h的稳定时间;在空气设计流量下,为了防止硝酸盐因温度过高而变质或因温度过低而凝结,加热功率应保持在20-40 k W。     

基于RELAP5的ERVC两相自然循环能力研究

利用RELAP5程序建立压力容器外部冷却（ERVC）系统模型,在水淹平衡条件下分析不同的安全壳内压力、冷却水过冷度、加热功率和水淹水位对系统两相自然流动能力的影响,找到各工况下的临界过冷度和不稳定性边界。结果表明：AP1000的ERVC系统设计具有很大裕量,仅依靠自然循环就可通过下封头对熔池进行有效冷却;安全壳内压力越高、冷却水过冷度越低、加热功率越大、水淹水位越高,两相自然循环流量越高。但当加热功率水平较低时,压力对临界过冷度影响不大;冷却水过冷度低于临界值时,会发生剧烈的倒流和流量震荡现象;当水淹水位低于5.5 m时,不能建立稳定的两相自然循环流动。     

换料水箱初始水温对非能动余热排出系统运行特性影响试验研究

通过试验对不同内置换料水箱初始水温条件下非能动余热排出系统(PRHRS)投入后堆芯进出口温度、一回路压力、PRHRS自然循环流量和换热功率等试验数据进行了对比分析。试验结果表明:IRWST初始水温较低时,堆芯模拟体进出口水温和压力下降更快,PRHRS热交换器(HX)出口温度低,PRHRS自然循环流量变化趋势基本一致,但换热功率更高。     

余热排出泵机械密封冲洗水温度高理论分析

某核电站余热排出泵在高温备用工况下,出现机械密封冲洗水温度测点值超出高高报警值的问题。通过对不同传热因素的梳理与排查,建立该问题的根本原因分析故障树。研究发现热屏在径向的位置对密封腔温度的影响较大,为±0.458℃/mm;热屏大小存在最优值,使得密封腔介质温度最小;在冷却水流量小于5m~3/h时,冷却水流量增加对降低密封腔温度贡献较大;轴套间隙变化0.1 mm使得密封腔介质温度降低14℃,对该问题起主要影响;环境温度由16℃上升至45℃时,密封腔介质温度升高0.13℃。     

熔盐堆堆芯应急排盐系统可靠性分析及优化

堆芯应急排盐系统作为熔盐堆特有的安全系统，具有排盐和余热排出功能，为熔盐堆提供了一种紧急停堆方式。为定量化分析堆芯应急排盐系统的可靠性，以美国橡树岭实验室的熔盐实验堆(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE)为研究对象，使用概率安全分析软件RiskSpectrum建立和计算MSRE堆芯应急排盐系统故障树，得到系统失效概率为5.62×10^-4，并进行最小割集分析和重要度分析，识别出影响系统失效的关键因素是外套管泄漏失效、控制冷冻阀冷却气的电磁阀共因失效和气动阀共因失效。通过套管换热元件中减少使用焊缝连接，以及采用不同类型部件控制冷冻阀冷却气，可明显降低系统失效概率。分析结果为液态熔盐堆应急排盐系统工程应用研究提供参考。     

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。