AP1000主回路系统热工水力瞬态计算程序RETAC的开发

针对先进压水堆AP1000的具体结构和运行特点,采用FORTRAN程序设计语言,自主开发了用于AP1000主回路系统热工水力瞬态计算的微机型程序RETAC（REactorTransientAnalysisCode）。利用程序对AP1000失流事故进行分析,得到了堆芯燃料中心最高温度、最小偏离泡核沸腾比(MDNBR)、稳压器压力、水位及蒸汽发生器二次侧压力、水位等主要系统参数的瞬态特性。分析结果表明,在失流事故初期阶段,堆芯热通道燃料中心最高温度和MDNBR不超出规定限值,满足安全准则要求。RETAC完全采用模块化编程,便于移植和二次开发,可为后续开发自主知识产权的大功率压水堆安全分析程序提供借鉴。     

AP1000冷管段小破口失水事故分析

基于压水堆最佳估算程序RELAP5/MOD3.4,对AP1000的冷却剂系统和非能动堆芯冷却系统进行建模分析,得到了系统压力、破口流量、燃料包壳温度等关键参数的瞬态变化,计算结果与西屋公司采用NOTRUMP程序计算的结果基本一致。分析表明：AP1000的非能动专设安全设施能有效地对一回路进行冷却和降压,防止堆芯过热,验证了AP1000发生冷管段小破口失水事故后的安全性。     

AP1000非能动余热排出系统建模与瞬态数值分析

针对AP1000非能动余热排出系统(PRHRS)的具体结构,采用FORTRAN程序设计语言自主开发了瞬态分析程序RETAC-PRHRS(REactorTransientAnalysisCode-PassiveResidualHeatRemovalSystem)。利用编制的程序对PRHRS误开启事故进行分析,得到了堆芯归一化热功率、流量、最小偏离核态沸腾比(MDNBR)、系统压力、PRHRS流量等主要系统参数的响应特性。分析结果表明,在PRHRS误开启事故发生时,主要系统参数未超出规定限值,不会触发反应堆停堆。并将计算结果与热工水力分析软件,包括西屋公司开发的LOFTRAN及GSE公司开发的Topmeret/THEATRe的计算结果进行对比。对比趋势符合良好,从而证明了AP1000PRHRS建模的合理性。     

AP1000核电厂自动泄压系统误启动事故计算

基于最佳估算程序RELAP5/MOD3.3,对AP1000核电厂冷却剂系统和非能动堆芯冷却系统进行了建模分析,得到了自动泄压系统(ADS)阀门误启动事故下,系统压力、破口流量、系统水装量等参数的瞬态变化,计算结果与西屋公司采用NOTRUMP程序的计算结果进行了比较与分析。结果表明:AP1000核电厂的非能动专设安全设施能有效对一回路进行冷却和降压,防止堆芯过热,验证了AP1000发生ADS阀门误启动事故后的安全性。     

AP1000核电厂直接注射管线双端断裂小破口失水事故计算

基于压水堆最佳估算程序RELAP5/MOD3.3,对AP1000核电厂冷却剂系统和非能动堆芯冷却系统进行建模分析,得到在直接注入管线发生双端断裂事故下,系统压力、破口流量、系统水装量等关键参数的瞬态变化,计算结果与西屋公司采用NOTRUMP程序的计算结果基本一致。分析表明:AP1000的非能动专设安全设施能有效对一回路进行冷却和降压,防止堆芯过热,验证了AP1000发生DVI双端断裂事故后的安全性。     

基于PARCS和RELAP5程序的AP1000弹棒事故计算分析

本文主要以AP1000先进装载首炉堆芯为研究对象,基于PARCS和RELAP5程序,建立AP1000三维物理—热工水力耦合模型,并在模型的基础上,进行AP1000弹棒事故计算分析。在热态满功率的情况下,选取4种位置处的单束控制棒分别进行弹棒试验并对比了单通道和多通道两种水力通道划分结果,还进行了两束控制棒同时弹出试验。结果显示单束控制棒弹出时最中心的AO棒弹出后果最严重,引起的核功率峰值最大,但燃料中心和包壳温度都未超规定值。单通道与多通道相比,由于其燃料温度较低,多普勒效应则相对较弱,弹棒位置处归一化温度分布越低弹棒价值则显示越大。选取的两束棒同时弹出时虽然引入的正反应性较大,压力的变化较为剧烈,对一回路系统易产生冲击,但由于棒分布在堆芯外围从而其引起的温度和压力变化峰值仍在可接受范围,但温度和压力结果也都在可接受范围。     

基于蒙特卡罗程序的AP1000反应堆堆芯布置方案的模拟

AP1000是美国西屋公司研发的大型压水反应堆,采用先进的非能动安全系统。AP1000反应堆有两种堆芯燃料布置方案:D19和Adv。结合两种设计方案的优点提出了一种新的堆芯燃料布置方案。利用MCNP6(Monte Carlo N-particle 6)程序对D19堆芯和新方案堆芯的首循环进行建模,并主要计算了新堆芯的核设计参数随燃耗的变化。结果表明,新堆芯在首循环寿期内满足AP1000的主要核设计准则。通过大规模并行计算表明,带燃耗计算功能的蒙特卡罗程序MCNP6能够在堆芯设计工作中发挥很好的参考作用。     

深水池式低温供热堆堆芯子通道程序改进与计算分析

核能作为清洁能源,逐渐替代煤炭做为冬季供热的热源,池式常压低温供热堆具有良好的固有安全性,是最可行的方案之一。针对池式常压低温的堆芯结构、组件形式以及反应堆总体运行参数,使用子通道分析程序COBRA进行计算分析,对程序中的部分传热模型和CHF模型进行了修改,使之适用于低温常压状态运行的反应堆热工水力设计计算。使用改进的子通道分析程序COBRA计算分析了反应堆整个寿期内最危险时刻的反应堆热工水力参数,验证了堆芯稳态热工的安全性。通过对计算结果的分析表明,整个寿期内,堆芯稳态最小烧毁比(MDNBR)为3.485,燃料棒包壳表面最高温度为187℃,芯块中心最高温度为1 902℃,堆芯热工能够满足反应堆安全要求,并为反应堆的事故工况留有足够的安全裕量。     

非能动压水堆热工水力多尺度耦合计算分析研究

本文为了更加真实准确的模拟非能动核电机组复杂的热工水力工况,提高事故分析计算精度,开展了非能动压水堆热工水力多尺度耦合计算分析研究。首先应用热工水力系统分析程序RELAP5对AP1000机组进行系统建模,并开展冷却剂强迫流动完全丧失事故(全失流事故)的分析计算,得到堆芯相关热工水力参数。然后将RELAP5程序的计算结果作为边界条件,分别利用子通道程序COBRA-Ⅳ、计算流体力学程序FLUENT以及基于两个程序的耦合程序对AP1000堆芯组件进行建模,并分别开展全失流事故过程中堆芯热工水力分析计算。最终通过三个程序计算结果的对比,表明应用耦合程序开展堆芯热工水力分析的方法可行,建立的堆芯组件模型合理,计算结果更加接近真实情况,有效减少了单一程序计算的过度保守性。     

AP1000全失流事故DNBR计算分析

AP1000反应堆冷却剂强迫流动全部丧失事故(简称全失流事故)可能导致堆芯发生偏离泡核沸腾(DNB)。使用美国核安全管制委员会(NRC)的TRACE程序和法国子通道分析程序FLICAⅢ-F,对AP1000电厂系统和堆芯进行建模,使用TRACE程序给出的全失流事故瞬态参数作为FLICAⅢ-F程序的输入条件,进行全失流事故DNB分析。计算结果表明:在瞬态过程中,堆芯内偏离泡核沸腾比(DNBR)数值始终高于安全分析限值,满足DNB设计基准。通过与安全分析报告中的计算数据进行对比,证明本文用TRACE和FLICAⅢ-F程序建立的DNB分析计算模型是合理的,能够用于AP1000电厂的工程设计。     

Thermal-hydraulic transient analysis of light water reactors using moving boundaries

This paper examines the applicability of a mathematical dynamic model developed here for the simulation of the thermal-hydraulic transient analysis for light water reactors (LWRs). The thermal-hydraulic dynamic modeling of the fuel pin and adjacent coolant channel in LWRs is based on the moving boundary concept. The fuel pin model (FUELPIN) with moving boundaries is developed to accommodate the core thermal-hydraulic model, with detailed thermal conduction in fuel elements. Some results from transient calculations are examined for the first application of the thermal-hydraulic model and the fuel pin model with moving boundaries in a boiling water reactor (BWR). An accurate minimum departure from nucleate boiling ratio (MDNBR) and its axial MDNBR boundary versus time within the fuel channel are predicted during transients. Transient analysis using a known thermal-hydraulic code, COBRA and FUELPIN linked with a PWR systems analysis code show that the thermal margin gains more by a transient MDNBR approach than the traditional quasi-steady methodology for a pressurized water reactor (PWR). The studies of the overall nuclear reactor system show that moving boundary formulation provides an efficient and suitable tool for thermal transient analysis of LWRs.     

Preliminary study of parameter uncertainty influence on Pressurized Water Reactor core design

Sub-channel analysis can improve the accuracy of reactor core thermal design. However, the important initial parameters contain various uncertainties during reactor operation. In this work, the Sub-channel Analysis Code of Supercritical reactor (SACOS) code, which is also applicable for Pressurized Water Reactor (PWR), was used to study the coolant flow characteristic and fuel rod heat transfer characteristic of 1/8 assembly which has the maximum linear power density in 300 MWe PWR core firstly. Then the Wilks' method and Response Surface Method (RSM) were utilized to determine the influence of sub-channel input parameters uncertainties on the highest temperature of reactor core fuel rod and Minimum Departure from Nucleate Boiling Ratio (MDNBR). The results show that in the most conservative conditions, the maximum temperature of the fuel rod and MDNBR were 2167.4 °C and 1.08, respectively. Considering the uncertainties of assembly inlet flow rate, inlet coolant temperature and system pressure, the 95% probability values (with 95% confidence) of fuel rod maximum and MDNBR calculated using response surface methodology were 2144.0 °C and 1.6, while they were 2137 °C and 1.74 calculated by Wilks' approach. Results show that the uncertainty analysis methods can provide larger reactor design criteria margin to improve the economy of reactor. Furthermore, the code was developed to have the capacity to perform the uncertainty study of sub-channel calculation.     

液体燃料熔盐堆三维稳态分析程序开发

液体燃料熔盐堆的物理热工特性与固体燃料反应堆有很大的不同,在分析计算中必须考虑燃料流动特性的影响,一般分析固体反应堆的程序均不能直接用于分析液体燃料熔盐堆。根据熔盐堆的流动特性,建立了液体燃料熔盐堆的三维中子动力学模型和流动传热模型,开发了针对液体燃料熔盐堆的三维稳态核热耦合程序,并以此分析了稳态情况下MOSART堆的物理热工特性。结果表明,堆芯流速对快中子和热中子影响较小,对堆芯温度和缓发中子分布影响较大。     

全厂断电事故下AP1000非能动余热排出系统分析

利用RELAP5/MOD3.3程序对AP1000反应堆一回路及非能动系统进行建模计算,给出了AP1000非能动余热排出系统（PRHRS）在全厂断电事故下的瞬态响应特性。计算结果表明：情况1,PHRH系统由蒸汽发生器低水位与低启动给水流量符合信号启动,稳压器安全阀的开启导致PRHRS发生倒流现象,并会引起堆芯冷却剂过热沸腾、压力容器进出口温差过大等后果;情况2,由断电信号直接触发PRHRS,触发前安全阀不开启,此时PRHRS正常运行。     

Subchannel analysis of fuel assemblies of a lead–alloy cooled fast reactor

Lead–alloy cooled fast reactor is one of the six Gen-IV reactors. It has many attractive features such as excellent natural circulation performance, better shielding against gamma rays or energetic neutrons and potentially reduced capital costs. A natural circulation lead–alloy cooled fast reactor with 10 MWth is under design in China (hereafter called LFR-10MW). Fuel assemblies thermal hydraulic analysis is of vital importance for a successful design. A subchannel analysis code with flow distribution model was used to carry out the thermal hydraulic analysis. This work briefly gave the thermal-hydraulic design for the LFR-10MW and analyzed the thermal-hydraulic characteristics under steady-state condition using the subchannel analysis code. Whole core analysis was performed to locate the hottest fuel assembly using the code. The hottest fuel assembly was analyzed to obtain the cladding temperature, fuel temperature and coolant velocity. The maximum cladding temperature, the maximum fuel center temperature and the maximum coolant velocity are all below the design constraints. These results imply that the thermal-hydraulic design of LFR-10MW is feasible.     

对NOTRUMP-AP600程序缺少动量通量项的评估与修正

由于NOTRUMP-AP600程序的动量守恒方程缺少动量通量项,在分析用于模拟AP600核电厂的APEX试验台架小破口事故时,安全壳内置换料水箱注射流量和稳压器混合水位等参数的预测值和实验值有较大偏离。本文对此进行评估：1) 采用均相流和分相流模型计算动量通量项对AP600核电厂自动卸压系统（ADS）管路压降的影响;2) 采用FLOAD4程序对需修正的第4级ADS(ADS4)管路的两相流压降进行计算,预测ADS4管路内的压力分布,并用作修正NOTRUMP-AP600程序ADS4管路压降的基准。结果表明,对于AP600核电厂ADS4管路,输入阻力系数需增加60%。     

AP1000核电厂主给水管道断裂事故瞬态特性分析

AP1000是目前国际上典型的“三代”非能动核电厂,基于最佳估算程序RELAP5/MOD3.3,对AP1000核电厂系统进行了详细的建模分析,获得了主给水管道断裂事故下AP1000核电厂关键参数的瞬态特性和非能动系统响应特性。结果表明,事故过程中一、二回路的压力和温度呈现波动变化,一回路压力最大值为17.13 MPa,低于设计压力的91%,主蒸汽系统的压力也低于设计值的91%,满足验收准则的要求。     

双面冷却环形燃料元件的几何尺寸优化

针对双面冷却环形燃料元件,建立了计算元件内流量分配、温度场分布和径向最高温度位置沿元件轴向分布的相关数学物理模型,编制了热工水力计算程序,制定了评估环形燃料元件几何设计优劣性的3个评价指标,获得了双面冷却环形燃料元件的最优尺寸设计范围。计算结果表明,优化后的环形燃料元件具有良好的热工水力特性,优化后的几何尺寸与麻省理工学院选择的尺寸吻合良好,验证了程序的可靠性和正确性。