秦山核电站二期反应堆堆芯流量分配数值分析

获得可靠的堆芯入口流量分配数据是改善压水堆堆芯热工水力性能的需要。应用计算流体力学方法研究了反应堆压力壳内复杂的流动现象,得到了秦山核电站二期600 MW反应堆1/4整体水力模型的堆芯入口流量分配状况,并对下腔室几何结构、冷管段入口流量等影响因素进行了敏感性研究。分析结果表明,双环路工况入口流量对堆芯入口流量分配影响较小;与双环路工况相比,单环路运行工况时流动特性显著变化,导致流量分配状况差异较大;堆芯入口流量再分配因子为0.05,与原型设计参数吻合。计算结果证实所采用研究方法有效,可为相关反应堆工程设计验证提供依据。     

非对称条件下双环路自然循环稳定性分析

为研究非对称条件下双环路自然循环稳定性的变化,以单环路自然循环载热系统为起点,采用无量纲分析方法,将单环路自然循环的无量纲控制方程组中关于位移项进行傅里叶展开,从而得到表征单环路自然循环载热系统的雅克比（Jacobi）矩阵,并进行验证。在此基础上,构建了双环路Jacobi矩阵分析模型,基于所构建的模型,分别开展不同负荷差和阻力差下双环路自然循环稳定性分析,以及回路几何特征对稳定性边界的影响。结果表明,对于某一双环路系统而言,存在2个临界雷诺数,当左、右环路引入负荷差大于这2个临界雷诺数时,系统将会变得不稳定。增大高径比、减少管道直径、增加加热段长度和减少冷却段长度可以增加回路稳定性区域范围,且反应堆回路稳定性边界对环路高径比、加热段长度较为敏感;此外,在自然循环回路形成的允许范围内,增加环路压降可以提高系统稳定性。      

CEFR非对称运行工况的研究

为研究中国实验快堆（CEFR）非对称运行工况,通过快堆系统安全分析程序OASIS及堆芯子通道分析程序COBRA对CEFR单环路运行时堆内的温度以及流量进行了计算。结果表明,CEFR在单环路运行,完好环路一、二次钠泵转速为500 r/min,且事故环路一次钠泵逆止阀开启时,堆芯最多开启在14%的功率水平,以确保反应堆处于安全状态。     

池式研究堆自然循环能力试验及数值模拟

自然循环能力是表征反应堆固有安全性能的重要参数,为了分析某池式研究堆非能动安全性,判断自然循环运行工况载热能力,针对堆芯结构特征开发了自然循环能力分析程序,完成了燃料元件出入口水温实测等验证试验。分析结果表明,堆芯自然循环流量计算结果与试验值符合良好,相对偏差小于1.6%;反应堆自然循环能力随堆池水温度升高而降低,当池水温度为40 ℃时,反应堆自然循环能力为710 kW,表明反应堆具有良好的非能动安全性。     

非对称条件下铅冷双环路自然循环系统抗扰动能力分析

自然循环铅冷快堆热交换器服役在高温、高压差、高密度和高腐蚀的恶劣环境下,易诱发传热管破裂和堵流事故,导致反应堆非对称热负荷或非对称阻力运行,对反应堆的安全稳定运行具有重要影响。本文以铅冷双环路自然循环系统为研究对象,采用无量纲分析方法,推导双环路系统自然循环流量理论解;分别开展不同负荷差或阻力差下自然循环系统扰动特性分析,采用拟合逼近的方法建立表征自然循环抗扰动能力的特征参数,并获得最佳抗扰动区间。研究结果表明,当系统引入一定的热负荷扰动和阻力扰动后,环路流量变化不大,此时系统抗扰动能力较强。      

CAP1400反应堆堆芯入口流量分配试验研究

反应堆堆芯入口流量分配是反应堆水力性能研究的重要内容之一,其与堆芯热裕量和燃料组件燃料棒的流致振动密切相关,从而影响反应堆的运行。CAP1400反应堆堆芯入口流量分配试验是验证CAP1400反应堆结构设计与分析的一个重要环节,旨在验证CAP1400反应堆堆芯入口流量分配的均匀程度。本文通过1/6比例模型试验,获得无均流板结构工况和带均流板结构3种工况（均匀流量工况、非均匀流量工况、偏回路流量工况）下CAP1400反应堆堆芯入口流量分配结果,并进行了各工况下流量分配均匀程度的分析。试验结果表明,CAP1400反应堆堆芯入口具有较好的流量分配效果。     

双环路压水堆非对称入口条件下物理-热工特性研究

双环路压水堆存在反应堆入口流量、温度不对称的非正常运行工况。本文建立了基于CFD方法的反应堆整体三维流场模型,并耦合中子动力学计算程序和RELAP5程序,对这种非对称入口条件下的反应堆物理-热工特性进行了数值模拟。结果表明：反应堆入口流量不对称会加剧堆芯入口流量分配的不均匀性,并进一步导致局部功率变化,对反应堆安全不利;在入口温度不对称的条件下,冷却剂在下腔室的混合非常不充分,并导致堆芯入口温度分布不均匀,引起局部功率变化较大,对反应堆安全不利。     

非能动余热排出系统长期冷却特性实验研究

为了获取ACP100非能动余热排出系统(PRS)长期运行特性,在切除全部堆芯功率这一极限工况下,开展长期冷却特性实验研究。研究发现:在反应堆本体、堆芯及蒸汽发生器储热释放影响下,PRS维持着0.52~0.26 t/h的自然循环流量,系统压力由1.0 MPa持续下降至0.51 MPa,温度堆芯出口温度由178.1℃持续下降至105.0℃;这表明堆芯及系统余热能够安全地排出,ACP100 PRS中的自然循环只会持续地衰减,不会发生停滞后再启动现象。     

摇摆运动下多环路主冷却剂系统自然循环流量的稳定性分析

海洋核动力平台因其突出的安全性已成为当今核能领域热点研究问题之一,但在海洋等非惯性条件下会使一回路系统的热工特性发生变化。针对此问题,本文对几种典型的一回路系统在摇摆条件下的自然循环流量波动特性进行计算分析。分别建立典型的双环路、三环路、四环路的一回路系统模型布置方案,并同时考虑摇摆中心的位置,根据流体动量守恒方程,得到不同状态下一回路系统内的流量变化规律。对于单堆双环路系统,摇摆中心在船上/中/下部位置时,环路流量波动幅度分别为13.2%/11.2%/9.5%,堆芯流量波动幅度分别为0.9%/0.8%/0.6%;对于单堆三环路系统,摇摆中心在船下部时,环路流量和堆芯流量波动幅度分别为9.2%和0.8%;对于单堆四环路系统,摇摆中心在船下部时,布置方案1和方案2的环路流量波动幅度分别为9.5%和9.2%,堆芯流量波动幅度分别为0.9%和0.7%。计算结果表明：采用单堆双环路的设计布置方案是最有利于系统稳定性的。     

摇摆运动下多环路主冷却剂系统自然循环流量的稳定性分析

海洋核动力平台因其突出的安全性已成为当今核能领域热点研究问题之一,但在海洋等非惯性条件下会使一回路系统的热工特性发生变化。针对此问题,本文对几种典型的一回路系统在摇摆条件下的自然循环流量波动特性进行计算分析。分别建立典型的双环路、三环路、四环路的一回路系统模型布置方案,并同时考虑摇摆中心的位置,根据流体动量守恒方程,得到不同状态下一回路系统内的流量变化规律。对于单堆双环路系统,摇摆中心在船上/中/下部位置时,环路流量波动幅度分别为13.2%/11.2%/9.5%,堆芯流量波动幅度分别为0.9%/0.8%/0.6%;对于单堆三环路系统,摇摆中心在船下部时,环路流量和堆芯流量波动幅度分别为9.2%和0.8%;对于单堆四环路系统,摇摆中心在船下部时,布置方案1和方案2的环路流量波动幅度分别为9.5%和9.2%,堆芯流量波动幅度分别为0.9%和0.7%。计算结果表明:采用单堆双环路的设计布置方案是最有利于系统稳定性的。     

海洋核动力平台一回路摇摆状态下自然循环能力研究

针对海洋核动力平台的结构和运行特点,建立了一回路流量瞬态分析计算模型,开发了海洋核动力平台自然循环计算程序。该程序可计算核动力平台横向摇摆对自然循环的影响。计算结果显示,摇摆状态将对自然循环产生不利影响,45°横向摇摆将使自然循环流量下降约5%,对于一回路的布置,提高蒸汽发生器的设备高度和减小泵的阻力系数能有效降低自然循环状态下堆芯温度和提高自然循环流量。     

开式自然循环系统出口排热管内流型演化研究

开式自然循环系统作为新型非能动余排系统最终热阱排放回路，其安全稳定运行对于事故工况下堆芯余热安全导出至关重要，本研究通过可视化实验方法观察了开式自然循环系统出口排热管内流型演化特性，发现随着加热功率增加，开式自然循环逐步建立，该系统出口排热管内依次出现单相流、间歇性汽泡流、弥散泡状流、弹状流和间歇喷射流5种典型流型，分析了出口排热管内流型与系统稳定运行之间的关系，发现了开式自然循环系统剧烈振荡的根源，为提高开式自然循环系统流动稳定性提供了参考。      

基于流量功率比恒定的小型铅基快堆运行研究

为开展小型铅基快堆运行策略研究,建立堆芯传递函数模型,利用比例-积分-微分（PID）控制器,结合控制棒驱动机构,分别设计堆芯流量功率比恒定与堆芯稳定核功率的运行方案。分别建立不同运行策略下的控制系统,开展一回路流量阶跃和堆芯反应性扰动仿真。结果表明,在引入一回路流量阶跃下降工况下,稳定核功率运行方案由于堆芯功率恒定而导致堆芯出口温度过高;在流量功率比恒定方案下,堆芯功率跟随一回路流量下降从而保证堆芯出口温度迅速稳定在安全范围内;在阶跃反应性扰动下,2种方案均可迅速调控堆芯功率的上冲幅度和超调量,堆芯出口温度基本维持恒定。      

基于修改后RELAP5/MOD3.2的氟盐高温堆实验回路分析

大型热工流体整体效应系统实验(CIET)台架是为模拟氟盐冷却高温堆(FHR)热工水力响应而设计的实验回路,采用DOWTHERM A模拟氟盐作为冷却剂。通过在RELAP5/MOD3.2程序中加入DOWTHERM A物性参数以及传热关系式,计算FHR实验回路CIET在两种工况下的热工水力行为,并与实验结果进行对比,计算工况包括强迫循环条件与自然循环条件。计算结果表明:在强迫循环条件下,堆芯热量主要靠盘管式空气换热器(CTAH)排出,堆芯进出口冷却剂温度及CTAH出口冷却剂温度与实验值符合良好,CTAH进口冷却剂温度与实验值有些微偏差;在自然循环工况中,堆芯热量主要通过DHX与堆芯辅助冷却系统(DRACS)回路的换热带走,DHX及DRACS的流量与实验值接近,相对误差在10%左右,验证了修正后RELAP5/MOD3.2的正确性。     

运动条件下铅铋反应堆热工水力特性研究

为研究运动条件下铅铋反应堆热工水力特性,开发了运动条件铅铋反应堆瞬态分析系统程序,并完成了对设计的5 MW自然循环小型模块化铅铋反应堆的建模,分析了运动条件对反应堆自然循环热工水力特性的影响。计算结果表明,倾斜条件下,堆芯流量减小,堆芯出口温度升高,在计算最大倾斜角度下,流量减小20%,冷却剂堆芯出口温度升高20 ℃。起伏条件下,起伏幅度和起伏周期越大,对反应堆影响越大,由于系统阻力影响,流量变化较起伏加速度有小于1 s的延时。摇摆条件下,摇摆角度越大和摇摆周期越小,对反应堆影响越大,燃料包壳峰值温度较稳态值高20 ℃以内,对反应堆正常运行时安全性影响较小。     

自然循环铅基快堆一回路系统驱动力的关键影响因素研究

为深入研究影响自然循环铅基快堆一回路系统驱动力的关键因素,以自然循环铅基快堆SNCLFR-10为研究对象构建描述反应堆一回路自然循环稳态运行模型;从理论上量化分析冷/热池的热量传递、热源和热阱温度非线性分布、反应堆压力容器壁散热3种因素对自然循环能力的影响,并开展了相关数值模拟验证。结果表明,数值模拟结果与本研究理论计算值吻合较好;3种自然循环能力影响机制耦合作用将降低SNCLFR-10系统自然循环能力,导致自然循环流量与功率之间不再满足理论所得的1/3次方关系。      

自然循环反应堆全寿期流量分配多目标优化研究

堆芯流量分配设计是自然循环反应堆堆芯结构优化的重点内容,对提升堆芯经济性和安全性具有重要意义。基于反应堆闭式并联多通道模型构建了局部最优流量分配计算模型,并对现有的流量分配方案进行分析,针对其局限性,提出了一种基于最佳时区的多目标综合评价法,可实现反应堆全寿期多目标流量分配优化计算;根据所提出的理论,结合TOPSIS综合评价法,以自然循环下最大输出功率、反应堆寿期内出口最大温差以及最大温差随时间变化标准偏差为属性值,开展小型长寿命自然循环铅铋快堆SPALLER-100的堆芯流量分配方案优化研究。研究结果表明,基于运行时间为3182 d功率分布所得SPALLER-100反应堆堆芯流量分配方案最佳,与基于寿期初功率分布所得流量分配方案相比,所得方案堆芯出口最大温差降低30 K,堆芯出口最大温差随时间变化的标准偏差降低41%,反应堆自然循环最大输出功率提高2.35%。      

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。