高性能轻水堆

【《欧洲核能综览》2000年1～2月刊报道】 市场持续不断地要求提高轻水堆经济性和效率,这导致热力学超临界范围的轻水堆概念的提出。在一种一次循环概念中,水以液态进入反应堆而流出的则是高压水蒸汽,这可能简化反应堆的设计。 由研究院和厂商的高级专家组成的小组将详细研究高性能轻水堆(HPLWR)的优点,HPLWR效率可望达到44%,能量密度很高。研究结果也将有利于现有轻水堆技术的改进。 HPLWR项目总体目标是评估运行在热力学超临界区域的高效轻水堆的优点和经济可行性,以明确HPLWR是否可以作为核电厂的选择。 其它目标有:研究高温环境…     

超临界水堆堆芯轴向一维物理热工耦合稳态分析

为研究超临界水冷堆堆芯可能存在的流动和核热耦合不稳定性问题,本文建立了简化的堆芯轴向一维单通道物理-热工耦合稳态分析模型,并针对文献给出的美国超临界水堆参考设计方案进行了稳态堆芯参数的计算,得出了和文献相一致的结论,为下一步开展超临界水堆核热耦合稳定性研究打下了基础.     

轻水堆核电站堆芯熔化分析

本文阐述了开展轻水堆核电站堆芯熔化事故分析的必要性,介绍了堆芯熔化事故计算程序MARCH,并针对轻水堆核电站三种不同工况利用 MARCH 程序进行了计算,结合计算结果讨论了堆芯熔化事故的物理过程。     

物理-热工耦合对超临界水堆系统特性的影响分析

物理-热工耦合是超临界水堆系统分析的关键问题之一。以日本超临界水冷热堆Super LWR的堆芯设计为例,借助Dragon编制中子截面数据库,建立双群中子扩散方程计算模块,联系同时建立的热工计算模块,得到超临界水堆的物理-热工耦合计算模型。通过对比稳态与瞬态工况下耦合前、后的热工工况,分析物理-热工耦合条件下的超临界水堆系统热工特性。结果表明：在稳态工况下,物理-热工耦合将导致内、外组件堆芯功率峰值沿轴向发生明显偏移,使得部分节点的包壳温度升高,但包壳最高温度降低;在瞬态工况下,物理-热工耦合将导致堆芯包壳最高温度的发生位置有所改变。发生给水加热丧失瞬态后,在某一时刻,外部组件的包壳最高温度将转而超过内部组件的包壳最高温度。可见,物理-热工耦合对包壳最高温度的大小和发生位置均可能产生明显影响。计算分析可为超临界水堆瞬态及安全分析提供相应理论参考。     

SCWR堆芯三维瞬态物理-热工水力耦合程序开发

耦合三维中子时空动力学程序和超临界水堆(SCWR)热工水力计算程序,开发了适用于SCWR堆芯瞬态和事故分析的三维瞬态分析程序STTA。采用第二类边界条件节块格林函数方法 NGFMN_K求解瞬态中子扩散方程,采用串行耦合方法将SCWR子通道程序ATHAS嵌入NGFMN_K程序。通过压水堆基准题NEACRP-L-335和SCWR弹棒问题检验STTA程序,结果表明:STTA针对压水堆问题的计算结果与参考解符合良好,针对SCWR问题的计算结果合理可信,可用于SCWR堆芯的三维瞬态性能分析。     

氢化物燃料在轻水堆中的行为

对于轻水堆，铀氢锆燃料相对于氧化物燃料有许多优点。裂变气体释放量在600℃以下非常小，但初期的辐射肿胀在650℃以上时非常大，可以达到5％。燃料内温度分布不均匀引起的氢的再分配（氢原子向芯块边缘扩散），使燃料径向应力增加，当使用液态金属做包壳间隙填充物时，芯块中心处的总应力可能使燃料产生裂缝，而表面保持原样。轴向氢的再分配使得氢原子由中心向两边迁移。慢化剂迁移造成的中子学效应尚未知。     

多用途一体化轻水堆初步设计方案和安全分析

为满足未来区域性核能供电、核供热、大规模制氢、海水淡化等需求,迫切需要一种结构简单、固有安全性高、经济性高的多用途反应堆.基于此,一种多用途的一体化轻水堆设计概念被提出,包括不同设备的初步设计方案和参数;根据其特点,利用最佳估算程序RELAP5对其中一个设计方案进行了稳压器汽腔破口事故和主泵断电引起的丧失流量事故的确定论安全分析.结果表明,在保守假设条件下,其固有特性和安全系统仍能保证堆芯始终处于被淹没状态,非能动余热排出系统可有效导出停堆后的长期衰变热,从而为进一步研究一体化轻水堆的设计和运行安全特性打下了基础.     

超临界水堆反应堆物理-热工水力耦合程序系统MCATHAS的开发

针对超临界水冷反应堆(SCWR)开发了物理-热工水力耦合计算程序系统(MCATHAS)。该程序充分考虑SCWR轴向材料温度、密度的剧烈变化及和功率分布的相互影响。程序系统采用外耦合的方式;中子学计算采用连续截面库并行版MCNP程序;热工水力计算采用子通道ATHAS程序;燃耗计算采用ORIGEN程序。HPLWR燃料组件计算结果表明,程序计算结果是可靠的。     

熔盐快堆稳态核热耦合程序开发及验证

无慢化罐式堆芯结构的熔盐快堆(Molten Salt Fast Reactor,MSFR)中存在中子物理与热工水力的强耦合。应用耦合蒙特卡罗粒子输运程序OpenMC与计算流体力学软件OpenFOAM,建立了一套适用于熔盐快堆的三维稳态核热耦合计算程序。该程序基于python编程语言实现了OpenMC和OpenFOAM二者间的功率、燃料盐温度和密度分布等数据交互,可以获得堆芯内三维功率分布、中子通量密度分布、三维速度场和温度场分布。采用该耦合程序,建立了熔盐快堆的基准模型,研究了中子学区域划分数目和初始条件对keff、燃料盐速度和温度分布的影响。根据研究结果,推荐了一套合理的中子学区域划分方法与数目,表明了耦合程序设定的不同初始条件对keff结果无影响。最后,通过与熔盐快堆基准结果的对比验证了耦合程序的正确性,表明该程序适用于熔盐快堆的稳态核热耦合分析。     

中国聚变工程试验堆包层的核热耦合效应研究

本文以中国聚变工程试验堆（CFETR）的氦冷固态包层和水冷固态包层为研究对象,基于蒙特卡罗程序MCNP和计算流体力学程序FLUENT,利用3D-1D-2D耦合方法和伪材料方法,分别对200 MW的氦冷固态包层和水冷固态包层及1.5 GW的水冷固态包层方案进行了核热耦合计算分析。研究结果表明,金属铍的热散射效应和轻水密度是聚变包层核热耦合效应的主要来源,核热耦合效应对氦冷固态包层的影响可忽略,对水冷固态包层的氚增殖比和温度分布有一定程度的影响。     

采用FFT方法对横摇条件下堆芯核热耦合流动不稳定性的分析

基于开发的海洋条件下堆芯核热耦合流动不稳定性分析程序,利用快速傅里叶变换（FFT）方法对堆芯通道的流量振荡曲线进行分析,获得了静止和横摇条件下堆芯发生核热耦合流动不稳定性时通道的频谱特性。研究表明,静止条件下堆芯发生流动不稳定性时仅具有1个频率峰值,其对应固有频率;在横摇条件下堆芯发生流动不稳定性时,堆芯所有通道均受到横摇条件和核热耦合效应影响,但只有最高功率通道中固有频率处于支配地位,该类功率通道首先发生流动不稳定性。FFT方法可精确地分析复杂流量振荡曲线的特性,进而判定横摇下堆芯核热耦合系统是否发生流动不稳定性。     

Neutronic analysis of ITER radial x-ray camera

The radial x-ray camera(RXC) is designed to measure the poloidal profile of plasma x-ray emission with high spatial and temporal resolution. The RXC diagnostic system consists of internal camera module and external camera module that view the core region and outer region through the vertical slots of the diagnostic first wall and diagnostics shield module of the equatorial port plug. To ensure the normal performance of the silicon photodiode array detectors of the cameras in the hard neutron irradiation environment in ITER tokamak, it is necessary to calculate neutron flux, radiation damage and the nuclear heating of the silicon photodiode array detectors and simulate the radiation maps of the range of RXC. This work estimated the nuclear environment of RXC based on Monte Carlo N-particle transport code, plasma scenarios of ITER tokamak and the RXC-integrated ITER CLITE model. The neutron flux of silicon photodiode array detectors and the lifetime of the silicon photodiode detector in the camera were calculated. The neutronic analysis results show that the shielding design has achieved the effect as expected and is able to guarantee the normal work of the detector during the ITER deuterium–deuterium phase without replacement, three detectors of the external camera can be operated during the whole deuterium–tritium phase without replacement.     

EAST阻性换热器多物理场耦合模拟计算

阻性换热器是EAST高温超导(HTS)电流引线的重要组成部分,目前有三头螺旋翅片和叠片两种结构形式,为了比较这两种阻性换热器的优劣,对它们的热工水力性能进行了多物理场耦合模拟计算,计算结果表明:两种阻性换热器在换热性能方面基本相当,均可满足快速换热的要求,但叠片换热器的流动阻力远小于三头螺旋翅片换热器的。实际运行过程中,三头螺旋翅片换热器中氮冷却回路的压力控制较为困难,经常需人工调节控制阀阀门,而叠片换热器中氮冷却回路的压力控制则较为简单,不需经常调节。因此,叠片式结构较三头螺旋翅片式结构更适合应用在EAST阻性换热器中。     

基于CFD程序的物理热工耦合计算不确定性分析

基于计算流体力学（CFD）程序FLUENT的用户自定义函数（UDF）,耦合中子动力学计算模型、燃料棒热传导计算模型、不确定性分析程序SIMLAB,开发了物理热工耦合计算不确定性分析平台CFD/PFS,并开展了小型自然循环铅基快堆SNCLFR-10的无保护超功率（UTOP）事故的不确定性量化,最后对计算结果进行不确定性分析和敏感性分析。研究表明,CFD/PFS平台的物理热工耦合计算具有良好的可靠性、精确性;总反应性峰值、功率峰值等瞬态安全参数的名义值均处于95/95双侧容忍限值内,且名义值与限值相对偏差小于3.95%;燃料多普勒系数是主要不确定性来源,对反应堆安全影响最大。     

典型压水堆堆芯物理-热工耦合稳态计算软件的开发与验证

为能更加准确地模拟典型压水堆中强烈的物理-热工耦合现象,研制了压水堆堆芯物理 热工耦合计算软件ARMcc。其中物理计算模块基于四阶节块展开法（NEM）和格林函数节块法（NGFM）,热工计算模块基于一维的单相单通道换热模型和一维圆柱导热计算模型,在程序中采用有限体积法和有限差分法求解一维圆柱导热模型。基于典型压水堆基准题NEACRP-L-335对程序的稳态耦合计算能力进行了验证,程序计算的堆芯关键参数如临界硼浓度、堆芯多普勒温度等参数与参考结果符合良好,临界硼浓度与参考结果的相对偏差均小于0.5%。另外研究4种计算模式对模拟堆芯物理-热工耦合过程的影响,选择PARCS程序计算结果为对比,发现NGFM+DIF模式能更加准确地模拟堆芯燃料多普勒温度和堆芯功率分布;NGFM+VOL模式能更加准确地模拟临界硼浓度;NEM+VOL模式能更加准确地模拟堆芯燃料最高温度。     

ADS铅冷却剂临界装置堆芯物理设计

为研究加速器驱动次临界反应堆系统(ADS)次临界堆芯与靶的耦合特性,以验证设计方法和计算程序,本文构建了ADS特有的快中子谱、较高能量放大系数及负温度系数的铅冷却剂临界装置堆芯,以用于开展不同富集度燃料特性、不同外源能谱与强度条件、不同实验样品的反应性影响、中子源与堆芯耦合特性等实验研究。确定了燃料元件构造、靶区结构、堆芯布置、反射层结构与价值、安全控制及反应性价值等物理参数,为下一步ADS铅冷却剂临界装置研制及实验研究提供了工程实施依据。     

核反馈对并联双通道自然循环系统流动不稳定性的影响

将热工水力系统分析程序RELAP5与三维物理瞬态输运程序TDOT T采用并行方式耦合,对并联双通道自然循环系统内核热耦合不稳定性进行分析,得到系统的不稳定边界。分别以燃料时间常数差异较大的板型元件及棒型元件为对象,讨论了核反馈对系统稳定性的影响。对于板型元件,核反馈作用对低含汽率区的第1类密度波振荡（DWO）有明显的抑制作用,而对高含汽率区的第2类DWO基本无影响。对于棒型元件,计算分析结果表明核反馈对系统稳定性几乎无影响。     

棱柱式高温气冷空间核反应堆初步方案设计与中子物理分析

空间核反应堆电源将核裂变能转换为电能,与太阳能、化学燃料电池等其他形式的电源相比,具有电功率大、系统比功率高、使用寿命长等优点,在太空探索中具有广阔的应用前景。以高温气冷堆技术为基础,提出了以氦氙混合气体作冷却剂,直接布雷顿循环的空间核反应堆电源方案。核反应堆是采用包覆颗粒燃料的小型棱柱式高温气冷堆,热功率为5 MW。采用蒙特卡罗方法进行了中子物理分析。结果表明,设计的反应堆满足10a以上的满功率运行寿期,具有负的反应性温度系数。通过布置B4C安全棒,使反应堆在发射失败引起的堆芯进水事故中能保证次临界。     

反应堆热工物理耦合反馈变量敏感性分析

在反应堆设计计算中,堆芯热工水力和堆芯物理的耦合十分重要。本文以秦山二期核电站反应堆堆芯作为研究对象,使用栅元计算程序CASMO4E对各类型的组件进行均匀化参数的计算;完成热工物理耦合反馈变量的敏感性分析;采用两种方法生成耦合需要的截面库,并对其进行误差分析。     

Analysis of SHE Critical Experiments by Neutronic Design Codes for Experimental Very High Temperature Reactor

Analyses have been performed on various experiments conducted using the Semi-Homogeneous Experimental Assembly (SHE) to examine the accuracy of computer codes employed in the neutronic design of experimental Very High Temperature Reactor (VHTR). The neutronic design codes are DELIGHT-6 to obtain the neutron spectrum of a fuel cell and to produce group constants with burnup utilizing the nuclear data from ENDF-B/IV, CITDEGA to calculate the three-dimensional core performance considering the coupling effect between neutronic and thermohydraulic characteristics, and ANISN-JR and TWOTRAN-II for transport calculation. These codes are examined by the analysis on the integral quantities of effective multiplication factor, neutron flux distribution, burnable poison rod worth and control rod worth. The maximum degrees of disagreement with the relevant experiments are 0.57, 5, 7 and 5%, respectively.