高温熔盐试验回路系统设计及验证研究

钍基熔盐堆核能系统(TMSR)计划建设热功率2 MW的液态燃料熔盐堆。在熔盐泵、换热器、冷冻阀等设备原理样机研制基础上,需要设计并建造高温氟盐回路对上述设备进行运行考验。首先设定熔盐-空气换热器换热功率为200 kW,根据经典热量方程及预定流速法确定系统流量为15 m3/h、管径为DN50(公称直径为50 mm)。采用Fluent数值计算确定系统压损为155 kPa,考虑一定裕量后熔盐泵扬程确定为20 m。为解决管道在高温工况下热应力集中问题,除熔盐泵固定安装外,加热器及换热器设计采用了万向球移动支承结构以增加系统柔性。自建成以来,回路累计运行超过4000 h,相关设备及系统结构设计得到验证。系统实际压损为110～120 kPa,仍需采用差压计进行实测验证。熔盐杂质含量分析表明,系统运行后Cr、Mo等杂质元素含量提高了2个数量级,说明存在材料腐蚀。回路内水氧含量控制水平需要在100μL/L设计限值基础上进一步提高。     

板式换热器在堆内试验回路中的应用

在同样设计条件下，将板式换热器同管壳式换热器进行了全面比较，由于板式换热器具有传热系数高、价格便宜、结构紧凑等明显优点，而被用于堆内试验回路中。     

高温钠热对流试验回路

为评价CEFR-回路承压边界材料及焊缝（储钠罐、主容器等部件材料）在高温钠中的腐蚀性能,需在部件工况条件下对其进行验证实验。高温钠热对流实验回路能有效模拟该类部件所处的工况条件。为此,设计和建造高温钠热对流实验回路,进行快堆材料的腐蚀性能考验,以期获得国产材料的高温钠腐蚀性能数据。1 回路设计特点 1）主要部件（高、低温段）和管道均采用同批号的0CR18Ni9国产管材制造,其成分与所验证的材料尽量相近,以避免和减少因系统材质不同对实验造成的影响。 2）回路采用指状扩散冷阱以维持回路中钠的氧含量在一定值。 3）回路样品和取放装置采用取放箱过渡,样品操作在氩气保护下的取样箱内进行,既     

研究堆考验回路工艺系统布置设计研究

以PDMS为设计平台,对研究堆考验回路工艺系统进行三维数字化布置设计。针对单体大空间类型考验回路工艺间内设备实行系统分区化布置和模块化建模,高效实现了设备与工艺间空间合理匹配;管道系统分区及单元化的量化定性,从设备角度划分了整条回路各区域管道布置的优先级,使系统管道布置工作清晰明了且具有逻辑性;同时,结合系统间管廊化布置,使整条回路系统管道布局在满足工艺功能的前提下高度集约化。最后,通过PDMS自身的模型校验功能,保证了布置设计工作的优质高效。     

熔盐冷却球床堆分流板结构优化设计

固体熔盐堆中燃料球按照一定的方式排列,入口处的分流板结构对燃料球起到支撑作用,同时对冷却剂有分流的作用,分流板结构直接影响到堆芯内的流场分布和压降。研究分流板结构对堆芯热工特性的影响,对于堆芯的设计具有重要的意义。本文针对熔盐冷却球床堆,设计了四种可能的分流板结构,研究了分流结构对堆芯流场、温度场和压降的影响。结果表明固体熔盐堆中燃料球对冷却剂具有显著的二次分流作用,分流板结构对堆芯局部流场分布有一定影响,但是整体影响较小。带有半球形凸起的分流板结构在流场分布和燃料球规则堆放方面具有一定的优势。     

高温钠腐蚀回路

一、回路的设计要求和参数1.设计要求(1)回路气密性要求好,真空度小于10~(-3)乇。(2)回路及设备材料必须耐600℃高温,要易加工,与钠相容性较好。选用奥氏体不锈钢为基本材料。     

HFETR辐照石墨材料中子注量验证试验

钍基熔盐堆石墨材料辐照考验目标为:中子注量为5×10~(20)cm~(-2)(±15%)(E>0.1 Me V),堆内辐照试验温度650℃(允许偏差±50℃)。为了满足辐照考验要求,在高通量工程试验反应堆(HFETR)第92-I炉的K07孔道进行辐照验证试验。该验证试验辐照装置采用分段构成的型式,主要由辅助密封段、辐照试验段、气管组件3部分构成,辐照罐外围为去离子水,辐照罐内为惰性气体用于控制辐照试验温度。使用MCNP程序对各样品中子注量进行预示计算,同时在辐照装置阳面和阴面都布置了探测器进行中子注量测量。试验表明:在辐照试验过程中,在辐照装置调气系统最佳导热模式下辐照温度略高于上限700℃;利用MCNP程序预示计算中子注量结果为5.7×10~(20)cm~(-2)(E>0.1 Me V),而中子注量测量结果为4.83×10~(20)cm~(-2)(E>0.1 Me V),基本满足石墨材料辐照考验中子注量要求。     

熔盐实验堆堆芯物理参数研究

熔盐堆(Molten Salt Reactor,MSR)采用熔融的氟化盐混合物作为燃料,由于核燃料的特殊性,MSR在中子物理学方面与传统固体燃料反应堆有着较大区别。本文基于蒙特卡罗程序MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code),以美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)熔盐堆实验(Molten-Salt Reactor Experiment,MSRE)为参考反应堆,系统研究了堆芯尺寸、燃料盐体积比、燃料盐重金属摩尔比、燃料盐渗透等物理参数对堆芯物理特性参数的影响。结果表明:随着堆芯尺寸增加,堆芯临界装载量有最小值;随着燃料盐体积比增加,燃料盐回路系统中重金属临界装载量先减少后增加,燃料温度系数的绝对值同样先减小后增加;燃料盐浸渗对堆芯反应性的影响,与燃料盐体积比增加对堆芯反应性产生的影响一致。本研究为2 MW液态燃料钍基熔盐堆(Thorium Molten Salt Reactor-Liquid Fuel,TMSR-LF1)设计提供理论参考。     

基于TREND程序的石墨通道液态熔盐堆无保护反应性引入事故初步分析

采用自编系统分析程序TREND,基于液态点堆动力学模型,针对10 MW石墨通道液态熔盐堆的设计,研究分析不同反应性在阶跃引入和线性引入情况下10 MW石墨通道液态熔盐堆堆芯功率、石墨温度和堆芯出口熔盐温度的瞬态变化。结果表明,阶跃引入低于570pcm（1pcm=10?5）反应性,堆系统能在无保护的情况下安全运行;当单根控制棒失提引入约800pcm时,反应性引入速率不超过8pcm/s,反应堆能够利用自身的温度、功率负反馈特性有效地控制功率峰值和降低堆芯出口温度,保证反应堆在无保护情况下安全运行。因此,液态熔盐堆具有良好的固有安全性。      

氟盐冷却高温堆主冷却剂放射性源项研究

针对氟盐冷却高温堆(FHR)正常运行时主冷却剂放射性源项进行了研究。对主回路源项主要贡献来源及产生原理进行了分析,基于三维蒙特卡罗输运程序KENOⅥ、燃耗分析模块ORIGEN-S及Mathematica程序,对堆芯中子能谱、堆芯源项及主回路源项扩散及活化进行了分析。应用该方法对FHR的一种设计堆型进行了定量分析,结果表明:主回路氚源项相对其他堆的较高,其产生率为5.16×1014 Bq·GWth~(-1)·d~(-1),应采取有效措施限制其向环境的释放。本文结果可为FHR的工程设计、辐射防护设计、氚源项控制、三废处理系统设计等提供参考。     

液态熔盐堆运行安全特性初步研究

液态燃料反应堆与固态燃料反应堆相比,原理上有较大不同。液态熔盐堆中由于燃料流动带走缓发中子先驱核在堆外衰变导致堆芯反应性降低,且裂变产物在堆外回路中衰变也会引起一回路发热。本文使用熔盐堆中子动力学程序Cinsf1D探讨2 MW熔盐堆的临界动力学特性和安全特性,研究零功率临界下不同熔盐流速启泵和停泵导致的缓发中子先驱核流失所需改变的控制棒棒位。同时还计算了2 MW恒定功率情况下稳态运行及降低流速时一回路温度分布,并模拟了2 MW额定功率下停泵事件。停泵后由于缓发中子损失减少反应堆功率先缓慢增加,然后迅速降低到接近余热水平。停泵后堆芯温度缓慢增加后稳定在安全值以内,说明熔盐堆具有本征安全性。     

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。     

熔盐堆热管式非能动余热排出系统建模及程序开发

热管式非能动余热排出系统（HP-PRHRS）概念设计可有效提升熔盐堆非能动安全特性。基于HP-PRHRS结构和熔盐堆运行特点,建立了一套较为完整的数学物理模型,涵盖了熔盐堆堆芯物理热工耦合、高温热管和HP-PRHRS运行等。采用上述模型开发了HP-PRHRS分析程序PRAC,利用MSRE基准题和瞬态实验数据进行了对比验证。结果表明：PRAC程序计算值与基准题和实验结果吻合良好,证明了模型和程序的准确性。HP-PRHRS模型和PRAC程序能为后续开展HP-PRHRS深入设计提供模型和软件基础。     

无铍钍基熔盐堆堆芯设计与安全研究

为解决传统熔盐堆在核燃料增殖、安全性等方面的不足,提出了采用氧化铍慢化剂、无铍(BeF2)燃料熔盐的新型钍基熔盐堆(TMSR)堆芯设计。在此基础上,利用多物理计算程序开展了TMSR稳态及瞬态初步安全特性分析。通过对反应堆启动、熔盐泵超速及降速、丧失热阱等典型瞬态的计算,分析了各种工况下堆芯功率与温度的变化情况。结果表明,在各种运行瞬态及事故情况下,新型的TMSR设计具有良好的安全特性。     

Modeling and Code Development of HP-PRHRS for Molten Salt Reactor

The conceptual design of heat pipe cooled passive residual heat removal system (HP-PRHRS) was proposed to improve passive safety performance of molten salt reactor (MSR). Based on the structure of HP-PRHRS and the operation performance of MSR, a set of reasonable mathematical physical models were built, mainly including reactor core physical thermal model, high temperature heat pipe model and HP-PRHRS model. Analysis code PRAC for HP-PRHRS was developed for MSR adopting those models. The verification of the code was conducted using MSRE benchmark and the transient experimental data. The results show that the calculated value of PRAC code is in good agreement with the benchmark and experimental results, which proves the accuracy of the model and code. HP-PRHRS model and PRAC code can support and provide foundation for the future research on MSR.     

新概念熔盐堆非能动余热排出系统中钠热管的特性研究

高温钠热管作为一种高效的换热装置,在导热性、等温性以及非能动特性方面具有显著的优点。将高温钠热管应用到新概念熔盐堆非能动余热排出系统中具有重要的研究意义。本工作通过数值方法研究了高温钠热管在熔盐堆事故工况下的瞬态运行特性。钠热管的物理模型主要包括管壁、吸液芯及蒸汽区3个耦合传热区域。通过对上述3个区域建立合理的数学模型并采用有限元的方法,利用 FORTRAN进行编程,最终得到高温钠热管启动过程中的温度、速度、压力分布。结果表明：熔盐堆事故状态下,钠热管从启动到稳态过程中其运行特性良好且具有很高的传热效率。     

基于SCALE的熔盐堆添料与后处理系统分析程序开发及验证

在线添料及在线去除中子毒物是熔盐堆区别于其他固体燃料反应堆的主要特征之一,能够实现较高的燃耗深度和燃料利用率。然而,现有的反应堆物理计算分析软件SCALE不能直接模拟熔盐堆的燃耗计算。因此,本文耦合SCALE中的截面处理模块、临界计算模块以及燃耗计算模块,开发了一套适用于多流体熔盐堆的添料与后处理系统分析程序MSR-RRS,实现熔盐堆的在线添料、裂变产物在线处理或离线批次处理等模拟功能。基于MSR-RRS对现有的单流熔盐增殖堆和双流熔盐快堆的燃耗性能进行了验证。结果表明,MSR-RRS计算结果与基准模型结果符合较好。MSR-RRS适用于多种堆型、多种燃料循环运行模式。