熔盐堆单参数扰动瞬态特性分析

熔盐堆（MSR）作为一种新型的反应堆,其热工水力特性与其他堆型有很大差异,扰动瞬态分析有助于从根本上了解其安全特性和运行状态。为了研究MSR的运行瞬态特性,本研究以液态燃料MSR为研究对象,利用经过修改的RELAP5/ MOD4.0程序进行了稳态运行工况下的扰动瞬态分析。干扰变量包括反应性引入、一回路熔盐质量流量、二回路质量流量、空气散热器质量流量、空气散热器入口空气温度。分析了主要运行参数,如功率、堆芯进出口温度、二回路进出口温度、特征时间等。结果表明MSR在各种扰动瞬态下的最终状态都趋于稳定,而不存在严重的瞬态变化,这是对其固有稳定性特性的直观表征。根据功率和温度等变量在扰动下的变化,提出了功率和不同回路温度的控制方法。      

10MWt固态燃料熔盐堆控制棒失控抽出事故分析

钍基熔盐堆核能系统项目是中科院先导科技专项之一,其战略性目标是研发第四代熔盐冷却裂变反应堆核能系统。基于10 MWt固态燃料熔盐堆的系统设计,开发了适用于球床式反应堆系统的安全分析软件,并以高温气冷堆为对象对程序计算结果的准确性进行了验证。基于该软件程序,对固态燃料球床堆(Thorium Molten Salt Reactor-Solid Fuel,TMSR-SF)控制棒失控抽出事故进行了分析计算,研究了不同停堆限值及各停堆信号对事故的影响。计算结果表明,超功率停堆限值越高,出口温度限值越大,信号延迟时间越长,反应堆停堆越晚,堆芯功率和燃料最高温度越高。在TMSR-SF控制棒失控抽出事故下,燃料最高温度不超过860°C,远低于1 600°C的熔化温度限值。     

RELAP5应用于液态燃料熔盐堆的扩展及验证

为将RELAP5程序应用于液态燃料熔盐堆的建模分析,需要对RELAP5的模型进行扩展。基于RELAP5原有的点堆模型和热工水力模型,新增了液态燃料熔盐堆点堆模型和相应的带有内热源的热工水力模型,并通过熔盐实验堆(MSRE)实验数据进行验证。结果表明,扩展后的RELAP5程序能够适用于液态燃料熔盐堆系统建模分析。     

固态燃料熔盐堆自适应功率控制器设计及分析

钍基熔盐堆核能系统(Thorium-based Molten Salt Reactor,TMSR)是中国科学院首批启动实施的战略性先导科技专项,旨在研发第四代反应堆核能系统。固态燃料钍基熔盐实验堆(The Solid Fuel Thorium-based Molten Salt Experimental Reactor,TMSR-SF1)是一个10 MW热功率的氟盐冷却球床堆,目前已经完成方案设计和初步工程设计。功率控制系统是反应堆一个关键控制系统,实现反应堆正常启动、功率运行和正常停堆功能,对保证反应堆安全和稳定运行起着极其重要的作用。根据TMSR-SF1运行控制要求,结合自适应控制理论,基于Lyapunov稳定性理论设计了一种TMSR-SF1模型参考自适应功率控制器。基于TMSR仿真平台,使用MATLAB/Simulink建立了自适应功率控制系统模型,并开展了控制器特性分析。结果表明,自适应功率控制器具备良好的负荷跟随能力,抗干扰能力强、稳定性好、可靠性高,能够满足TMSR-SF1功率控制的要求,确保堆芯的输出功率与功率设定值相匹配。     

基于RELAP5/FLUENT耦合程序的熔盐堆反应性引入瞬态分析

熔盐堆具有良好的中子经济性、固有安全性和可在线换料等特点.以石墨慢化通道式熔盐堆(Molten Salt Reactor,MSR)为研究对象,基于RELAP5/FLUENT耦合程序,建立了熔盐堆一回路模型,并在熔盐堆堆芯分别引入0.0001、0.0002和0.0005反应性的情况下进行瞬态分析.结果 表明:在堆芯反应性...     

固态熔盐堆全厂断电ATWS事故工况下的堆芯安全探讨

利用修改后的适用于固态熔盐堆的RELAP5/MOD4.0系统分析程序,对固态熔盐堆全厂断电ATWS(Anticipated Transient Without Scram)事故进行了分析。主回路系统进行了合理简化建模,模拟系统在全厂断电ATWS事故时非能动余热排出系统有效与否两种情况下的瞬态响应过程。分析结果表明:非能动余热排出系统在全厂断电ATWS事故初期作用不明显,但长期作用较明显,投入使用后最终将使堆芯温度和主冷却剂温度达到稳定;对于固态熔盐堆来说,即使非能动余热排出系统失效,燃料元件温度上升也很缓慢,给人员干预采取必要措施提供了超过20天的宽限时间。分析结果表明了固态熔盐堆在应对极端事件时具有高的安全性。     

基于KNN方法的熔盐堆系统瞬态识别模型开发及分析

熔盐堆作为第四代先进核能系统之一,在安全性、经济性、防核扩散和可持续性等方面具有独特的优势。为了保障熔盐堆运行安全,需要快速、准确地识别瞬态工况,目前的瞬态识别方法主要依赖于操作员人工识别,这会引入较大的人为因素,严重影响核电安全。为了减少熔盐堆系统瞬态识别过程中引入的人为因素,提高熔盐堆运行安全,使用RELAP5-TMSR程序对美国橡树岭国家实验室建造运行的熔盐实验堆（Molten Salt Reactor Experiment,MSRE）的瞬态工况进行建模与仿真,产生数据集,基于K近邻（K-Nearest Neighbor,KNN）机器学习方法,建立了熔盐堆系统瞬态识别模型,并对识别模型在噪声下的鲁棒性进行了分析和优化。结果显示：基于KNN方法建立的熔盐堆系统瞬态识别模型在测试集上的F1分数达到99.99%;在噪声下的识别F1分数达到94.32%,具有较高的鲁棒性;进一步优化后的熔盐堆系统瞬态识别模型在噪声下的F1分数达到99.73%,能较为准确地识别MSRE的瞬态工况,满足熔盐堆系统瞬态识别需求。基于KNN方法的熔盐堆系统瞬态识别模型能够有效识别系统瞬态工况,可应用于熔盐堆智能运...     

固态燃料熔盐堆稳态核热耦合程序开发

基于中子物理计算程序包SRAC与计算流体力学软件CFX,开发了稳态情况下固态燃料熔盐堆的核热耦合程序SCBAT,解决了一般稳态3D物理-3D热工耦合程序因网格类型不同难以耦合的问题,程序具有普适性。SCBAT通过SRAC和CFX之间的数据交换实现稳态核热耦合,可将SRAC计算的功率场加载到CFX的求解文件中,将CFX计算的温度场加载到SRAC的输入卡中,此外具备带控制棒临界搜索的燃耗计算功能。分模块验证了SCBAT的有效性,并用SCBAT对10 MW固态燃料熔盐堆进行了稳态核热耦合计算,验证了核热耦合方法的有效性。     

核电厂汽轮机详细数值建模研究及其瞬态分析

以岭澳一期核电厂汽轮机部件为原型,利用系统程序RELAP5对其进行详细数值建模研究。通过在100%功率稳态工况下的计算证明,详细的汽轮机数值建模弥补了简化建模中焓值计算误差较大的缺陷。将详细的汽轮机数值建模整合到全范围核电厂热力系统模型中进行瞬态分析,并与岭澳一期核电厂原始实验报告中汽轮机负荷从97%功率水平阶跃变化至87%功率水平瞬态运行工况的数据曲线进行对比。结果表明,稳态模型的焓计算值与电厂实际值误差在2%以内,瞬态模型的分析参数趋势符合电厂实际情况。     

次临界能源堆瞬态安全分析

参考压水堆回路模型,基于次临界能源堆(SER)概念设计建立其系统模型,利用RELAP5/MOD3.3程序进行初始稳态运行验证,并对功率突升事故、冷却剂失流事故和热阱丧失事故进行瞬态安全分析。初步给出次临界能源堆在事故工况下的限值。     

一体化小型氟盐冷却高温堆瞬态特性分析

根据下一代核能系统的发展目标,提出了采用自然循环的一体化小型氟盐冷却高温堆的概念。利用修改后的RELAR5-MS系统分析程序,建立了一体化小型氟盐冷却高温堆模型,并得到其稳态特性参数。在此基础上,对其在满功率运行状态下的反应性引入事故和失热阱事故进行了分析。分析计算表明,在反应性事故工况下,由于自然循环的存在,堆芯冷却剂流量随着堆芯温度发生动态变化,最终达到新的稳态,燃料棒和冷却剂温度均处于安全限值范围内。在失热阱事故下,反应堆负反馈的特性使得堆芯功率逐渐降低并实现自动停堆,即使不考虑余热排出系统的作用,燃料组件和冷却剂温度上升缓慢,在140 h内,燃料棒和冷却剂温度均处于全限值范围内。结果表明,一回路采用自然循环冷却的一体化小型氟盐冷却高温堆具有良好的固有安全性。     

Reactor protection system testing for the solid fuel thorium molten salt reactor

Safety system testing is one of the most rigorous and time-consuming requirements in the verification and validation process for reactor protection systems(RPSs).This paper presents the development of a test system for the fully digital and field-programmable gate array-based RPS of the solid fuel(SF) thorium-breeding molten salt pebble bed fluoride salt-cooled reactor(TMSR),denoted as the TMSR-SF1 project,developed by the Chinese Academy of Sciences.The test system is applied to the RPS to ensure that it fully meets its designed functions and system specifications.We first introduce the testing principles and methods.Then,the hardware component designs and the software program development of the test system are discussed.Finally,the test process and test results are discussed and summarized.     

Improved drift-flux correlation to enhance the prediction of void fraction in nuclear reactor fuel bundles at low flow and elevated pressure conditions

ABSTRACT

The EPRI (1991) and the Clark et al. (2014) drift-flux correlations implemented in RELAP5/MOD3 code were benchmarked against the low-pressure void fraction data collected by Clark et al. (2014) at Purdue University and the high-pressure data collected by Anklam and Miller (1982) at ORNL. The Clark et al. correlation (2014) was found to perform best at low pressures of Clark et al. tests (2014), but the accuracy was deteriorated at higher pressures of Anklam and Miller tests (1982). To account for this effect, a pressure scaling factor has been added to the distribution parameter correlation to reduce the distribution parameter peaking at high pressures. This factor is dependent on the density ratio and it eliminates the distribution parameter enhancement effect for pressures over 0.5 MPa. It was confirmed that the new correlation with the correction improved the void fraction prediction performance at a higher pressure of Anklam and Miller tests (1982). The new correlation provides a transition between the Clark et al. correlation (2014) at low pressures and the correlation of Ozaki et al. (2013) and Ozaki and Hibiki (2015) at high pressures, which is excellent both in physical characteristics and scalability of two-phase flow in rod bundles.     

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。     

一种液态燃料熔盐堆堆芯流量分配设计

在液态燃料熔盐堆(Molten salt reactor,MSR)热工水力设计中,为实现堆芯径向功率展平需对堆芯流量分配进行设计,使得堆芯进口流量分布正比于释热量分布,而下腔室结构和流场分布对堆芯流量分配起决定性作用。利用FLUENT软件对堆芯三维流场进行模拟,通过调节下腔室结构和流量分配装置,对下腔室流场分布进行优化,最终实现堆芯流量合理分配。数值模拟结果表明,喇叭状下腔室比椭球形下腔室熔盐通道流量标准差降低4.2%,设置流量分配板熔盐通道流量标准差降低29.2%;改变下腔室结构和设置流量分配装置能够较好调节流量分配和功率分布匹配性,该结果可为液态熔盐堆堆芯优化设计提供依据。     

10-MWt固态钍基熔盐堆乏燃料贮存系统临界安全影响分析

10-MWt固态钍基熔盐堆(Thorium-based Molten Salt Reactor-Solid Fuel,TMSR-SF)使用TRISO(Tri-structural isotropic)颗粒燃料元件,并采用熔融氟盐作为一回路冷却剂,附着在燃料元件上的熔盐有可能影响系统反应性。因此,需要分析在燃料元件的贮存过程中熔盐附着燃料元件对贮存临界安全的影响。使用SCALE6.1的TRITON(Transport Rigor Implemented with Time-dependent Operation for Neutronic depletion)模块对TMSR-SF堆芯建模并进行燃耗计算,使用MCNP对乏燃料贮存系统进行临界计算。分别考虑熔盐浸渗球形燃料元件和熔盐包覆在球形燃料元件表面两种典型情况下,熔盐附着对贮存系统反应性的影响。针对乏燃料贮存系统,以浸渗最大量,即熔盐体积是石墨体积的13.9%为前提,临界计算结果表明,熔盐浸渗入石墨基体贮存系统的反应性比熔盐包覆在球形燃料元件表面的贮存系统的反应性要大5%;与没有熔盐附着的情况相比,有熔盐附着的情况下贮存系统反应性要大15%。对乏燃料贮存系统的临界安全分析可知,两种典型的熔盐附着模型对贮存系统的反应性存在一定的影响,但无论是熔盐浸渗还是包覆,贮存系统仍处于次临界,意味着贮存系统在正常工况下是安全的。