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     

正常运行工况熔盐堆主回路衰变热特性研究

基于Mathematica 7.0建立了熔盐堆（Molten Salt Reactor,MSR）主回路系统衰变热流动模型,并与参考程序ORIGENS在静态燃耗下的计算结果以及熔盐实验堆（Molten Salt Reactor Experiment,MSRE）衰变热结果进行了初步验证,相对偏差分别在±4%和±2.76%的范围内符合较好。对2 MW液态燃料钍基熔盐实验堆（Thorium Molten Salt Reactor-Liquid Fuel 1,TMSR-LF1）正常运行工况下主回路系统管道及设备内的衰变热分布进行了定量分析。结果表明：启堆达到满功率和设定流量后约20 s各区域衰变热快速积累,随后便开始平缓上升并趋平衡。平衡时堆芯活性区衰变热占总衰变热的46.7%,上腔室、热管段#1、主泵、热管段#2、换热器、冷管段及下腔室区域分别占比31.8%、1.21%、14.6%、0.89%、2.21%、1.67%和0.94%。所建立的分析方法及结论可为熔盐堆主回路系统的热工水力安全分析、余热排出系统设计、反应堆功率调节与安全控制提供重要参考。     

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FLiBe熔盐颗粒粒径分布特征研究

BackgroundBeryllium bearing molten salt has strong chemical toxicity, hence needs to be accurately monitored and effectively removed at high temperature.PurposeThis study aims at the characteristics of particle size distribution of high temperature FLiBe molten salt.MethodsBased on the experimental device of low pressure distillation of molten salt and Dekati low pressure impact sampler (DLPI), an experimental device for measuring the particle size of high temperature molten salt particles was set up, and the particle size distribution of FLiBe molten salt under different experimental conditions was studied. The effect of gas purging and different sampling time on the particle size distribution of molten salt particles under high temperature were investigated, and scanning electron microscope (SEM) was employed to examine the experimental measurement results.Results & ConclusionsThe experimental results show that the particle size of the molten salt particles is concentrated above 2.5 μm at room temperature, while at high temperature, it is concentrated at 0.26~2.5 μm. The sampling time has no obvious influence on the particle size distribution of molten salt particles; although the final concentration of molten salt particles is changed by gas purging, it does not significantly affect the particle size distribution. The SEM results of the collected samples verify the accuracy of the particle size scale of the experimental device, and it is observed by SEM that the molten salt particles are in the shape of regular spherical rather than crystalline, which may be caused by the collision and deposition of molten salt particles.     

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。     

熔盐堆水冷却非能动余热排出系统换热器稳态特性研究

在熔盐堆水冷却非能动余热排出系统中,通过自然循环,燃料产生的衰变热可最终由放置在水箱中的换热器导出。在换热器管内发生蒸汽冷凝过程,而管外则先依靠水的自然对流换热,当水温达到饱和后,热量则依靠水的沸腾蒸发被导出。本文通过对换热器进行设计计算,对换热器的稳态换热特性进行研究。根据系统工作过程建立相应数学模型,使用C++语言编程,得到了换热器的传热性能。结果表明,设计的换热器能够满足换热要求,同时具有一定的自调节性。另外得到了换热器压力、水箱内水质量等参数的变化规律。     

外围熔盐层堵塞状态下熔盐堆内部温度分布分析

出于冷却结构材料上的考虑,石墨慢化通道型熔盐堆通常在石墨反射层与反应堆容器间设置了外围熔盐层。针对2 MW液态燃料熔盐堆的概念设计,利用三维稳态热工水力学模型分析了外围熔盐层在不同堵塞情况下对反射层和合金温升造成的影响。熔盐堆内石墨慢化材料等固体区域的温度计算采用三维热传导模型,各个通道内熔盐采用一维单相流体模型描述。外围熔盐层在不同堵塞情况下分别采用一维单相流体模型和三维层流模型。计算结果表明：在外围熔盐层内总流量降低的堵塞情况下,外围熔盐层对反射层的冷却效果受到显著影响,在外围熔盐层的流量降低至堆芯额定流量0.365%时,反应堆容器的最高温度接近730℃,临近合金材料温度上的安全限值;当外围熔盐层内存在直径为4 cm的圆形局部堵塞（接近下熔盐通道半径）区域时,堵塞没有显著改变堆内的温度分布,堵塞区域的最高温度为621.74℃,未超过合金材料的安全限值。     

Analysis of heat source distribution in internal circulating surface heat transfer molten salt reactor

The Molten Salt Reactor (MSR) is one of the Generation IV nuclear reactor concepts that were selected by the Generation IV International Forum in 2000. The concept is based on liquid fuel instead of solid fuel assemblies. Besides the advantages, there are several aspects of operation that can hinder the realization of this reactor concept. In this paper, the authors investigate the neutronics behaviour of a new sub-concept that offers solutions for many of the technical problems. The analysis was performed using the particle transport code MCNPX 2.7. The paper focuses on the short-term and steady state heat source distribution in the fuel salt and in the graphite moderator. Accordingly, neither burn-up effects nor reactivity transients are considered. The sensitivity of the effective multiplication factor on different geometrical and material parameters was studied. The results obtained indicate that the main region of heat deposition is in the internal and external channels of the graphite moderator. Only a few percent of the total heat power is released in the graphite moderator, where the gamma and neutron related heat deposition is on the same scale. The results also prove that the heat source distribution does not change drastically upon the actuation of the control rods.     

熔盐冷冻壁传热平衡数值模拟及实验研究

在熔盐堆燃料干法处理流程中,处理设备面临着严重的材质腐蚀问题。熔盐冷冻壁技术被视为保护相关设备耐受化学腐蚀的有效方法。熔盐冷冻壁厚度及温度场分布对防护效果及相关干法工艺参数有重要影响,在中心冷却式冷冻壁实验装置上采用FLiNaK熔盐介质开展了冷冻壁维持的实验研究,采用中心冷棒空气冷却的方式得到了不同壁温下冷冻壁的厚度范围及反应釜内温度场分布。结合数值模拟计算了冷冻壁的传热平衡工况,并与实验值进行对比和分析,得到了较为适宜的冷冻壁厚度的调节工况。冷冻壁厚度控制工艺和釜内温度场分布可为冷冻壁工艺容器的设计提供参考。     

熔盐堆中氚的控制和监测

熔盐堆中氚除了从废气中排出,还能经熔盐管道渗透进入环境。氚在管道中的渗透严重影响熔盐堆结构材料的力学性质和使用寿命,同时对环境造成污染。为了减少氚对材料和环境的危害,必须对熔盐堆中的氚进行严格控制。控制氚产生和渗透的主要方法包括提高7Li的浓度、向熔盐中补充Li或Be等。对氚进行监测是氚控制的基础,能及时反映熔盐堆的运行状况。本文讨论了测氚的方法:液体闪烁法、电离室法和正比计数器法。相比于液闪的离线测量,电离室和正比计数器都能达到在线测量的目的,然而液闪的灵敏度高,有更低的探测下限。为了能准确测量熔盐堆中氚的排放情况,可以同时采用液闪和电离室来进行测量。     

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。     

2 MW液态钍基熔盐实验堆主屏蔽温度场分析

反应堆主屏蔽是核反应堆的重要组成部分,用来有效降低反应堆运行时屏蔽体外的辐射剂量水平,以满足反应堆部件材料对辐射限制的要求。温度是影响反应堆主屏蔽性能的重要因素。针对2MWth液态熔盐堆(2-MW liquid-fueled molten salt experimental reactor,TMSR-LF1),采用MCNP软件获得功率分布后,利用Fluent软件对主屏蔽进行温度场计算。计算过程中利用Python语言编写了程序(MCNP to Fluent,MTF)来实现将MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code)计算结果转换为功率密度的空间分布,以用户自定义函数(User-Defined Function,UDF)形式导入到Fluent,解决了MCNP计算结果不能直接导入到Fluent的问题,并分别计算了TMSR-LF1熔盐堆不同环境温度下的主屏蔽温度场分布情况。结果表明,在环境温度为5℃、18℃、25℃、30℃、35℃、40℃情况下,TMSR-LF1熔盐堆主屏蔽普通混凝土墙温度均低于要求限值,达到设计要求。