Kilopower空间堆掉落事故临界安全问题研究

美国Kilopower空间堆在掉落事故下的k_eff不满足我国现行空间堆掉落临界安全要求。该反应堆在掉落过程中，若反射层外围的B₄C脱落，则存在瞬发超临界的严重安全隐患。针对此问题，本文对反应堆方案进行调整，提出3种解决方案，各方案均可满足掉落临界安全要求。此外，为研究各方案的优劣，从尺寸、质量、物理和热工运行特性等方面对各方案进行综合比较，提出了最优建议方案。     

空间气冷堆堆芯初步物理特性分析

为满足未来空间探测活动的大功率用电及轻质量载荷需求,以美国、俄罗斯空间气冷反应堆方案为基础,提出一个亚MW级空间气冷堆堆芯初步设计方案,并使用蒙特卡罗程序对该方案进行堆芯物理计算与分析,给出几种典型工况下的堆芯反应性以及中子分布特征。计算结果表明,该设计方案可满足反应堆的安全性要求,能实现紧急停堆,并可保证在堆芯被水淹没等设计基准事故条件下维持反应堆次临界,确保反应堆安全。此外,通过在堆芯局部燃料棒中添加热中子吸收材料,对堆芯径向功率分布进行优化,以展平径向功率分布。     

空间气冷堆堆芯初步物理特性分析

为满足未来空间探测活动的大功率用电及轻质量载荷需求,以美国、俄罗斯空间气冷反应堆方案为基础,提出一个亚MW级空间气冷堆堆芯初步设计方案,并使用蒙特卡罗程序对该方案进行堆芯物理计算与分析,给出几种典型工况下的堆芯反应性以及中子分布特征。计算结果表明,该设计方案可满足反应堆的安全性要求,能实现紧急停堆,并可保证在堆芯被水淹没等设计基准事故条件下维持反应堆次临界,确保反应堆安全。此外,通过在堆芯局部燃料棒中添加热中子吸收材料,对堆芯径向功率分布进行优化,以展平径向功率分布。     

热管冷却空间反应堆事故特性研究

以典型热管冷却空间反应堆(SAIRS)为对象,针对其各个模块进行建模,研制了基于SAIRS的系统瞬态计算程序(TAPIRS),并用该程序分析了反应堆的3种典型瞬态工况。计算结果表明:在控制鼓故障引入极大反应性、碱金属热电转换装置(AMTEC)部分失效和散热板丧失部分散热面积事故工况下,燃料温度控制在安全限值以内,验证了反应堆系统在事故工况下具有应对单一故障和自稳自调的能力。     

中国先进研究堆燃耗反应性系数测量

中国先进研究堆(CARR)燃耗反应性系数测量试验采用控制棒棒栅效率刻度法来获取初装态反应堆满功率运行时的燃耗反应性系数。该试验的目的是通过测量获得反应堆燃耗反应性系数,为将来CARR长期安全运行提供原始基准数据,同时验证设计理论计算结果。试验采用了两种测量方案,两种测量方案获得的燃耗反应性系数均为负值,且二者数值符合度高,测量结果与核设计值有一定偏差,但满足试验验收准则。     

钠冷快堆停堆保护方案研究

在借鉴中国实验快堆(CEFR)热工模型建模经验的基础上,利用Relap5程序建立霞浦示范快堆(CFR)的主要系统模型,并参考快堆安全分析中的预期瞬态无停堆保护(ATWS)的分析方法,对发生反应性意外引入事故时的安全裕度和停堆保护进行仿真研究。仿真结果表明,额定功率下发生反应性引入时,不会触发短周期的报警和停堆;当发生补偿棒失控提升5 s和10 s时的反应性意外引入事故,目前一回路保护参数整定值、信号测量延迟及安全棒落棒时间可以取其他值;当补偿棒失控提升15 s时,在目前的设计下,核功率和功率流量比信号能确保事故下的反应堆状态符合事故验收准则。当其他保护信号失效,堆芯出口钠温所触发的停堆保护若要实现同样的功能,则需保证反应堆在14.85 s之前进入深度次临界。     

用于磁流体发电的超高温反应堆堆芯设计

本文对磁流体反应堆的堆芯方案进行了探索,对石墨基体燃料和金属陶瓷燃料进行了比较,选择了金属陶瓷燃料进行磁流体反应堆的设计,给出了堆芯方案及堆芯物理、热工计算结果,并对发射掉落事故进行了计算和分析。计算结果可满足设计要求。     

49-2游泳池式反应堆全场断电事故与自然循环能力分析

在全场断电事故下,采用RELAP5/MOD3.3程序对49-2游泳池式反应堆系统热工水力参数瞬态特性进行计算分析,验证反应堆利用自然循环和自身负反应性对事故的缓解能力,并简要讨论了堆芯通道和主泵惰转对事故后果及进程的影响。计算结果表明,在49-2反应堆发生全场断电事故且紧急停堆系统失效后,反应堆可依靠自身的负反应性使反应堆处于停堆状态,并能形成稳定的自然循环,导出堆芯余热,验证了49-2反应堆在全场断电超设计基准事故中是安全的。     

5MW低功率堆事故分析

本文分析了5MW 低功率堆(5MW LPR)两个严重事故——快速反应性引入事故和失水事故。结果表明,只要反应堆能及时停堆,无需采取其它任何措施,就可以保证在这两个严重事故工况下反应堆的安全。     

反应性加入速度和中子源强度对临界事故规模的影响

在没有中子源或中子源强度很弱的核系统中,由于意外发生的临界事故(核闪变)释放的能量远大于反应堆动力学的预估值,为了给反应堆运行启动程序的制定和减小临界事故规模提供参考,本文建立了核闪变能量释放模型.在引发第一个持续裂变链的时间分布的基础上,从理论上推导出核闪变峰内能量释放与中子源强度.反应性加入速度的关系.结果表明:中子源强度越小,反应性加入速度越大,事故规模越大.     

微型堆闭环控制系统设计中的安全考虑

简要介绍了深圳大学改造后的微型堆双计算机联网闭环控制系统的结构以及在功率控制、安全保护等方面设计时所考虑的安全原则和采取的相应措施.这些措施包括:限制反应堆的后备反应性、采用合适的双控制棒运行方式、机控/手控的停堆与紧急停堆保障、设定了运行限值/保护系统整定值/自动停堆的条件、采用双计算机联网实时监测运行参数与数据共享等,并讨论了可能的事件及其对策.由于对关键的运行参数均采用2套独立的系统进行冗余检测,保证了保护系统的冗余与独立性,提高了控制系统的安全可靠性.     

CERMET-SNRE堆芯物理计算分析

核火箭发动机功率高、寿命长、比冲大,在执行深空探测和星际航行任务时具有不可替代的优势。小型化是核火箭发动机的一个重要趋势,基于此提出了一种使用钨基金属陶瓷燃料的小型核火箭发动机（CERMET-SNRE）堆芯方案,并采用蒙特卡罗程序（MCNP）进行了精确建模,计算了相关物理参数。计算分析结果表明：CERMET-SNRE堆芯能谱硬,燃耗浅,后备反应性足够,功率分布合理,控制鼓与安全棒价值足够,发射掉落事故下有效增殖因数小于0.98,堆芯方案合理,满足设计要求。     

Reactivity insertion mechanisms in the gas-cooled fast breeder reactor

This report summarizes an analysis of reactivity insertion mechanisms in the gas-cooled fast breeder reactor (GCFR). Inherent reactivity feedback mechanisms are identified and their effects on reactor start-up, during normal operation, and on anticipated and postulated transients are analyzed. Potential sources of accidental reactivity insertions and the resulting transients are investigated, including potential reactivity effects due to cladding and fuel melting. All nuclear calculations are based on the ENDF-B, Version 3, cross-section file. It is concluded from these analyses that the GCFR is an inherently stable reactor during start-up and normal operation. Potential accidental reactivity insertions are mild, and in each case the reactor can be controlled with a substantial margin for fuel melting or cladding damage. In low-probability accident sequences which lead to core melting, there are potential fuel motion mechanisms which can mitigate reactivity effects and accident consequences.     

Transient Safety Characteristic Analysis of Xi’an Pulsed Reactor during Reactivity Insertion Accident

In order to study the transient safety characteristics of Xi’an Pulsed Reactor (XAPR) when unexpected reactivity insertion accident happened and shutdown system failed, the main mathematical models were established based on the specific core structure and operation conditions of XAPR. Meanwhile, a transient thermal-hydraulic code called TSAC-XAPR was developed to analyze the safety characteristics of XAPR. The TSAC-XAPR code was then used to simulate the reactivity insertion accident of XAPR. The calculation results indicate that when XAPR operating under rated power, reactor can reach a new steady state for reactivity insertion accident, depending on its inherent feedback mechanism. When XAPR operating under high power, especially above the critical power, key thermal-hydraulic parameters of reactor will tend to oscillate and can’t reach a steady state again for reactivity insertion accident. Besides, it is also found that different reactivity insertion modes will only affect the variation trend during the phase of reactivity insertion instead of the final value at steady state.     

西安脉冲堆反应性引入事故瞬态安全特性分析

为研究西安脉冲堆（XAPR）在意外引入反应性且停堆系统失效事故下的瞬态安全特性,本文基于XAPR的结构和运行特点,建立了适用于XAPR的瞬态热工水力分析模型,并开发了用于XAPR安全特性分析的瞬态热工水力程序TSAC-XAPR。利用TSAC-XAPR程序对反应性引入事故进行模拟计算,结果表明：当XAPR在额定功率范围内运行时,发生反应性引入事故后,堆芯能依靠自身的固有反馈机制使脉冲堆重新达到稳定运行状态;当运行功率过高尤其是超过临界值时,反应性引入事故将导致脉冲堆关键热工水力参数发生振荡,无法再次达到稳态。此外,不同反应性引入方式将影响堆芯参数在反应性引入过程中的变化趋势,但并不影响其最终稳态值。     

Submersion criticality safety of fast spectrum space reactors: Potential spectral shift absorbers

Compact, fast spectrum, nuclear reactors are being considered to support NASA's future space exploration sometime in the next decade. In order to secure launch approval, these reactors should remain sufficiently subcritical when submerged in seawater or wet sand and subsequently flooded, following a launch abort accident. In such an accident, the neutron spectrum in the reactor is thermalized, typically increasing reactivity, and potentially making the reactor supercritical. Incorporating “Spectral Shift Absorbers” (or SSAs), which have significantly higher absorption cross-sections for thermal versus fast neutrons, could offset the reactivity increase. It has always been the assertion that the worst-case submersion accident involves a fully flooded reactor; however, this work shows that, depending on the type and amount of SSA in the reactor, a submerged but unflooded reactor could be more reactive. A screening of the existing nuclear database for potential SSAs yielded 28 elements and nuclides, which are examined in detail as additives to a representative homogenous space reactor core by varying the SSA-to-U²³⁵ atom ratio. The effect of placing a thin coating of different SSA materials on the outside surface of the reactor core is also investigated. Nine SSAs (boron-10, cadmium, cadmium-113, samarium-149, europium-151, gadolinium, gadolinium-155, gadolinium-157, and iridium) are recommended for further consideration in actual space reactor designs.     

兆瓦级热管反应堆堆芯核热特性研究

基于美国MegaPower兆瓦级热管反应堆设计方案,本文利用蒙特卡罗软件OpenMC与有限元分析软件COMSOL开展堆芯核热特性研究。研究表明：堆芯轴向功率分布呈先升高后降低趋势,且下半段功率水平比上半段高。径向功率随径向距离的增大而降低,在靠近径向反射层处出现反弹升高,且这些区域的功率分布明显受转鼓组件的影响。“大小转鼓”的设计方案不利于兆瓦级热管反应堆的反应性控制。边界区域位置热管失效会造成更高程度的基体/燃料温度上升。3根热管失效工况下的燃料棒温升是2根热管失效的32倍。即使3根热管失效的极端事故工况下,堆芯基体及燃料棒峰值温度仍在安全限值内,表明兆瓦级热管反应堆这种固态导热堆芯的优越安全性。     

Comparative study of a boron dilution scenario in VVER reactors

Subsequent studies have identified many scenarios, which can lead to reactivity excursions due to boron dilution. The comparative study, presented in this paper, deals with the so-called “restart of the first reactor coolant pump’’ scenario and its reactor-dynamic consequences for both Russian designed VVER reactor types, VVER-440 and VVER-1000. The transient simulations were performed using the three-dimensional core dynamics code DYN3D. The DYN3D modeling features, including recent developments, as well as the cross-section methodology involved in these calculations, are described. The analyzed accident scenario is outlined together with the assumptions made. The results of core response in this boron dilution accident for both VVER reactors are compared within the ranges, determined by the two reactivity values of interest: the criticality limit and the reactivity initiated accident (RIA) limit.     

混合能谱超临界水冷堆反应性引入事故安全分析

本文研究了混合能谱超临界水冷堆(SCWR-M)在发生控制棒失控提升事故和弹棒事故这两类反应性引入事故后的反应堆系统响应。首先利用修改的可用于超临界条件下的系统程序RELAP5对混合能谱超临界水冷堆进行系统建模,并计算分析在功率运行工况下事故过程中功率、流量及包壳温度等重要参数的变化趋势,最后对反应性参数如控制棒价值、控制棒抽出速率和负反馈系数进行了参数效应分析。结果表明,在设计工况下混合能谱超临界水冷堆系统可有效地将衰变热导出堆芯,保证了燃料棒的完整性。另外,反应性参数对控制棒失控提升事故的安全性影响不大,但对弹棒事故的包壳峰值温度影响很大,过于保守的反应性参数估计会使安全裕量大为减小。     

开发微堆潜力的设想

微堆存在二个潜在资源 ,即附加补偿棒和池水。在确保安全的前提下 ,可将它们挖掘并加以利用。设置附加补偿棒 ,把闲置的顶铍反射层的后备反应性加以利用并逐步释放。微堆为“罐 池”结构 ,运行时堆水与池水存在较大温差 ,2 7t池水可作为一大的冷源 ,通过池水中的螺旋冷却器冷却 1 4t堆水 ,可获得较多的温度效应。采取了这两项措施之后 ,可大大延长微堆的可连续运行时间 ,改善它的运行性能 ,拓宽了微堆的应用 ,提高其寿期内的价值