反应堆热工水力子通道分析程序ATHAS的研发

介绍了具有自主知识产权的反应堆热工水力子通道分析程序ATHAS的物理模型和数值解法。利用ATHAS对西屋四环路压水堆进行全堆芯热工水力子通道分析,并与COBRA-EN和THERMIT-2的预测值进行对比,结果表明:ATHAS能够准确预测大型压水堆堆芯内的热工水力参数分布。本文对ATHAS研发的思路和方法,对我国核电站热工水力软件自主化的设计开发具有借鉴意义。     

一维冷却剂通道海洋条件附加力模型研究

海洋条件对冷却剂流动的影响可归结为动量方程中海洋条件附加力的改变,因此考虑海洋条件也即在动量方程中添加海洋条件附加力。本文从非惯性系动量方程出发,针对一维冷却剂通道,推导得到6种典型海洋条件及相关耦合海洋条件附加力模型。     

基于RELAP5的海洋条件下反应堆热工水力系统分析程序开发

研究了倾斜、起伏和摇摆等海洋条件的数学模型.通过修改控制方程,开发了国内首个基于先进的、自由节点划分的RELAP5程序,并且适用于海洋条件的反应堆热工水力系统分析程序RELAP5/MC.用RELAP5/MC对海洋条件下简单两环路系统的自然循环特性进行了计算,其结果都能得到合理解释,由此表明程序开发是初步成功的.     

海洋条件下舰船反应堆热工水力特性研究现状

海洋条件下舰船反应堆的热工水力特性对于舰船航行的安全性和可靠性有十分重要的影响,各国研究者为此开展了大量的研究工作.本文基于亚洲各国公开发表的海洋条件下舰船反应堆热工水力特性研究的文献资料,回顾和概括这一研究领域在研究方法、研究内容和典型研究结果诸方面的现状,通过掌握已有研究成果,分析其不足之处,提出开展相关研究的建议...     

数值反应堆堆芯通道级三维热工水力程序CorTAF开发及初步验证

堆芯是核动力系统的核心部件,其完整性是反应堆安全运行的重要前提。传统核反应堆堆芯热工水力分析方法无法满足未来先进核动力系统的高精度模拟需求。本文依托开源CFD平台OpenFOAM,针对压水堆堆芯棒束结构特点建立了冷却剂流动换热模型、燃料棒导热模型和耦合换热模型,开发了一套基于有限体积法的压水堆全堆芯通道级热工水力特性分析程序CorTAF。选取GE3×3、Weiss和PNL2×6燃料组件流动换热实验开展模型验证,计算结果与实验数据基本符合,表明该程序适用于棒束燃料组件内冷却剂流动换热特性预测。本工作对压水堆堆芯安全分析工具开发具有参考和借鉴意义。     

铅铋冷却快堆子通道热工水力初步数值分析

为探索铅铋冷却快堆子通道的热工水力特性,自主研发了SACOS-PB子通道程序。本工作以矩形通道9根棒束组件为例,使用SACOS-PB程序对铅铋冷却快堆子通道的温度场进行了模拟分析,并用CFX软件进行验证。结果显示,SACOS-PB程序计算结果与文献值比较符合,与CFX软件计算结果符合度也较高。使用SACOS-PB程序分析比较了3种组件结构,表明在铅铋冷却快堆中更适宜使用六边形通道,为进一步对铅铋冷却快堆子通道进行热工水力特性分析奠定了基础。     

热工水力子通道分析程序ATHAS的稳态验证

利用具有自主知识产权的子通道程序ATHAS对GE3×3组件进行稳态计算,并将ATHAS的预测值与实验测量值及其他子通道程序的预测值进行了对比分析,结果表明:ATHAS能够准确预测GE3×3组件内的热工水力参数分布,展示了ATHAS可靠的物理模型。本文对ATHAS进行稳态验证的思路和方法,对我国核电站热工水力软件自主化的设计开发具有借鉴意义。     

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。     

ADS原理验证装置子通道热工分析

采用COBRA-TF程序对加速驱动次临界洁净核能系统(ADS)原理验证装置的堆芯子通道进行了稳态热工分析,并通过RELAP5程序对COBRA程序的计算结果进行验证,结果显示,二者符合度很好,由此表明COBRA-TF程序对ADS原理验证装置堆芯子通道的稳态热工分析结果正确,可为ADS原理验证装置的设计和安全提供理论支持。     

行波堆TP-1堆芯热工水力单通道与子通道分析方法研究

以泰拉能源公司提出的钠冷行波堆TP-1为研究对象,通过钠冷行波堆瞬态安全分析程序TAST得到堆芯各组件内冷却剂、包壳和燃料棒的平均温度分布。用子通道分析程序SACOS-Na对TAST计算得到的最热组件进行详细分析计算,得到该组件内冷却剂的温度、压力和流速分布,并得到燃料棒和包壳的温度场。结果表明：单通道与子通道的结合使用能有效提高计算效率,提高反应堆设计的安全性。     

简谐海洋条件下堆芯冷却剂系统自然循环能力分析

应用海洋条件下堆芯冷却剂系统运行状态的仿真数学模型 ,使用MathCAD进行编程 ,开展了左右摇摆海洋条件下堆芯冷却剂系统自然循环能力的分析。研究结果表明 :在左右摇摆海洋条件的影响下 ,反应堆中的各种参数均发生了与摇摆相对应的振荡 ,并且在幅值上发生了变化。堆芯流量和堆芯总功率的下降说明 ,左右摇摆的海洋条件对堆芯冷却剂系统自然循环能力有很大影响 ,总趋势是使自然循环能力有所下降     

海洋条件下冷却剂系统自然循环仿真模型

在对核反应堆堆芯冷却剂系统分析的基础上,建立了海洋条件下冷却剂系统自然循环运行状态仿真模拟的数学模型。模型分为稳态计算和动态计算两部分,包括修正的单通道模型、强迫外干扰力模型、两相沸腾计算和动态计算模型等。对于海洋条件,主要是针对左右摇摆的情况进行了计算,并对结果作了简单的分析。计算结果表明模型是可行的。     

铅铋-水直接接触沸水快堆系统子通道耦合热工分析

新概念铅铋-水直接接触沸水快堆（PBWFR）结构紧凑,具有可移动性,在海岛、偏远地区具有很强的应用价值。本文通过将铅铋合金冷却快堆子通道分析程序SUBAS和铅铋合金冷却快堆热工水力系统安全分析程序SACOL耦合,对PBWFR进行分析,重点分析了无保护超功率（UTOP）事故,得到了PBWFR堆芯子通道和系统热工水力特性。结果表明,SACOL程序与耦合程序计算结果的相对误差不超过4%,证明了单向耦合和分步计算的正确性和合理性。采用耦合计算能更加准确地描述事故后组件内各子通道的热工参数变化,弥补了单通道程序分析的不足。在UTOP事故分析中,随着功率上升,包壳温度会迅速升高,热通道内包壳温度最高会达到834 ℃,超过许用限值800 ℃而导致包壳失效。因此包壳温度需在事故开始时具有足够的安全裕量,才能保证事故后反应堆的长期安全运行。     

基于SCWR堆芯结构的子通道程序开发与应用

为能够对超临界水堆（SCWR）堆芯进行子通道分析,开发了新的子通道分析程序SABER。该程序在COBRA程序的基础上改进了网格结构和热传导模型,加入了新的边界条件和水物性模块,以适用于SCWR慢谱燃料组件的子通道分析。为评估程序的适用性,采用该程序对SCWR堆芯概念设计中的慢谱燃料组件进行子通道建模,并进行稳态计算。结果表明,该程序能够用于SCWR堆芯的子通道计算分析,并较好地解决了慢谱组件计算中慢化通道和冷却通道间的热耦合及逆向流动的模拟问题。     

类四边形堆芯子通道内超临界水传热特性研究

基于类四边形堆芯子通道超临界水的传热试验,建立棒径为8 mm、栅距比为1.2的超临界水冷反应堆（SCWR）类四边形堆芯子通道物理模型,采用SSG湍流模型,在p=23～28 MPa超临界压力范围,研究了子通道内超临界水的传热特性,分析了压力、质量流速和热流密度等热工参数对类四边形子通道内超临界水传热特性的影响。研究结果表明：采用SSG湍流模型数值研究计算得到的内壁温度与试验结果变化趋势一致。在拟临界区,随压力的增大,相应的换热系数峰值逐渐降低。质量流速的增加,在整个焓区均能明显加强子通道内传热现象。随热流密度的增加,内壁温度逐渐升高,对应的换热系数峰值降低,同时逐渐向低焓区方向移动。     

脉冲反应堆脉冲运行瞬态的子通道分析

为获得脉冲运行瞬态的堆芯温度场变化情况,本文开发了适用于低温、常压工况的脉冲反应堆瞬态热工分析子通道程序PRC-STAC。利用TRIGA MARKⅡ反应堆的瞬态参数对程序进行了验证,验证结果表明,二者符合较好。利用PRC-STAC程序计算了西安脉冲堆燃料元件和堆芯冷却剂的瞬态热工参数,并讨论了脉冲运行对燃料元件的安全影响。     

海洋条件下压水堆单相自然循环无量纲分析

针对单相单环路自然循环系统,采用Boussinesq近似建立无量纲分析方程,通过对单相动量及能量守恒关系的推导,得到不同外界条件下自然循环流量的影响参数。分析讨论倾斜、起伏与摇摆因素对自然循环流量的影响,并给出单相自然循环运行流量约束的保持条件。研究表明,倾斜时单相自然循环流量随倾斜角度的增加而减少;起伏运动时如果加速度与重力加速度的比值较小,对自然循环的影响可忽略;在不同摇摆条件下,如果引起自然循环流量的振幅相同,则其最大摇摆角加速度必然相同;单相自然循环运行的流量约束数值可由热源过冷度条件获得。     

FCM燃料压水堆弥散可燃毒物中子学分析

为将全陶瓷微胶囊封装（FCM）燃料应用于小型压水堆,对FCM燃料组件开展了可燃毒物中子学设计与分析。通过寿期初引入负反应性、寿期内消耗速率和寿期末残留3个方面,对弥散在SiC基体中的弥散型可燃毒物Gd₂O₃、Er₂O₃、Sm₂O₃、Eu₂O₃、Dy₂O₃及HfO₂进行评价。FCM燃料中TRISO颗粒核芯直径达800 μm,燃料颗粒自屏效应强烈,在RMC程序中引入随机介质计算功能,对FCM燃料进行随机几何建模,保证了反应性计算精度。分析表明：Er₂O₃可作为FCM燃料堆芯的候选可燃毒物,Gd₂O₃和Eu₂O₃需结合堆芯开展进一步研究,Sm₂O₃、Dy₂O₃及HfO₂的反应性惩罚过大,不适合作为FCM燃料可燃毒物。     

海洋核动力平台堆芯子通道分析

针对海洋核动力平台的堆芯结构和组件形式,使用成熟的子通道分析程序COBRA验证了堆芯稳态热工的安全性。通过计算得出,14.8 MPa压力下堆芯稳态最小烧毁比（DNBR）为2.342,燃料棒包壳表面最高温度为342 ℃,芯块中心最高温度为1 545 ℃。计算结果表明,改进后堆芯热工特性能满足当代反应堆安全性要求,并为海洋不利条件的影响留有足够的安全裕量。同时自主开发了计算机子通道分析程序,与COBRA程序的计算结果进行对比验证,两种计算方法的计算结果一致,从一定程度上说明了计算结果的可靠性。通过以上分析过程证明了燃料组件在稳态下的热工特性是安全和可靠的。