超临界水冷混合堆快谱区组件物理——热工分析

提出了超临界水冷混合堆快谱区多层燃料组件设计方案.应用MCNP程序为该组件建立计算模型,并进行了相应的物理计算;同时运用子通道分析程序STAFAS对多层燃料组件子通道进行了初步的稳态热工分析.计算结果表明:超临界水冷混合堆快谱区多层燃料组件燃料转换比超过1.0,并且获得负的冷却剂空泡反应性系数;燃料包壳表面最高温度约为595℃,低于设计准则规定的上限值,同时组件各子通道出口冷却剂温度均匀性较好.通过对燃料棒径敏感性分析可知,较大棒径组件燃料转换比较大,但也会导致热通道包壳表面温度峰值升高.     

混合能谱超临界水堆堆芯热工-物理性能分析

针对一种新型的超临界水堆设计方案——混合能谱超临界水堆（SCWR-M）进行分析。混合能谱超临界水堆包括热谱区和快谱区两部分,分别布置在堆芯的外部与内部。它在继承了热谱与快谱超临界堆芯设计优点的同时,有效地克服了两者的不足。对于热谱区,冷却剂与慢化剂同向流动,大幅降低了燃料包壳的表面温度和组件的机械加工难度;对于快谱区,采用多层燃料组件和较大的栅距棒径比p/d,可得到较高的燃料转换比和较小的冷却剂负反应性系数。本工作采用自主开发的基于子通道分析和三维物理计算的耦合程序,对混合能谱超临界水堆的热工性能和中子物理性能（包括燃耗性能）进行研究。初步的耦合分析结果表明了混合能谱超临界水堆设计方案的可行性。     

混合能谱超临界水堆快谱区组件增殖问题研究

混合能谱超临界水冷堆(SCWR-M)快谱区的中子能谱介于热堆与快堆之间。基于SCWR-M快谱区中子能谱特点,提出一种把钍基和铀基混合作为增殖材料的新增殖方案;然后通过增加(快谱区)燃料棒的分层来增加裂变层中子的泄露,从而达到提高转换比的目的;最后通过增加燃料棒增殖层的厚度,相应的降低其裂变层的厚度,从而使SCWR-M快谱区组件的增殖比达到1.06569。     

混合能谱超临界水堆快谱组件优化设计

本工作从热工水力和中子物理两方面对混合能谱超临界水堆混合谱堆芯的快谱区多层组件进行优化设计。对于轴向以再生区和裂变区交替布置的快谱组件,分别改变其轴向布置方式、燃料芯块直径、栅径比及外围燃料棒距组件盒最小距离,并分析它们对组件热工和物理性能的影响,从而得到较优的参数范围,尽可能提高混合谱超临界水堆的固有安全性和经济性。     

可增殖快谱超临界水冷堆物理初步设计计算

建立改进型快谱超临界水冷堆(SCFR-M)堆芯模型,探讨点火区燃料棒直径和增殖区水棒直径对堆芯转换比的影响,得到合理的燃料组件设计形式。设计并计算6种不同堆芯布置的反应堆增殖特性和空泡反应性,并分析燃料中235U和239Pu成分对堆芯转换比和空泡系数的影响,提高了转换比;研究燃料成分对堆芯转换比的影响。结果表明:减小氢原子数与重金属原子数之比(H/HM),增加堆芯增殖燃料组件数目并采用合理布置可满足堆芯负空泡反应系数,且可以提高堆芯转换比;降低燃料中Pu同位素质量分数可以使堆芯转换比大幅增加,同时使堆芯的空泡反应性系数负值更大;当点火燃料组件采用Pu同位素质量分数为20.8%的MOX燃料,增殖燃料组件采用0.2%富集度235U的贫铀燃料,6号设计方案可以使堆芯的初始转换比达到1.03128,且空泡反应性系数为负,初步达到超临界水冷快堆的增殖要求。进一步对堆芯的缓发中子有效份额、能谱、中子注量率、功率分布进行计算,分析研究增殖堆芯的物理特性。     

事故容错燃料UO2-BeO应用于压水堆燃料组件的中子学分析

本文基于中子学角度对典型压水堆中的事故容错燃料UO₂-BeO设计进行分析。选取西屋公司的2D燃料组件问题,使用组件计算程序ALPHA对不同体积分数BeO的燃料进行计算。临界及燃耗计算结果表明：在燃料中加入BeO,一方面由于中子吸收,导致反应性惩罚;另一方面由于BeO的慢化作用,导致反应性补偿,两个相反影响相互竞争共同决定UO₂-BeO燃料带来的综合效应。由反应性匹配基准可知,适量增加²³⁵U富集度对维持反应堆整个运行循环的反应性平衡十分必要,其中基准1相对于基准2和3需对燃料富集度进行较大调整才可满足寿期末得到的k_inf与参考组件一致。由反应性扰动分析结果可知,当燃料中加入BeO后,燃料温度系数随BeO体积分数的变化基本保持恒定,慢化剂温度系数降低,空泡系数增高。     

混合能谱超临界水堆堆芯设计分析

提出了一种新型的超临界水堆概念设计:混合能谱超临界水堆,它包括慢谱区和快谱区两部分.其慢谱区燃料组件采用双排燃料组件,快谱区采用简单的正方形栅元燃料组件.慢谱区与快谱区的燃料组件都采用同向流动方式来简化堆芯设计.慢谱区的冷却剂出口温度远低于整个堆芯的出口温度,这大大降低了慢谱区包壳的温度峰值.此外,由于快谱区冷却剂密度很小,流速很高,故可采用较大的栅元结构,这有效地降低了包壳周向局部传热不均匀性.所以混合堆在充分继承慢谱、快谱堆芯优点的基础上,弥补两者的不足.     

事故容错燃料UO_2-BeO应用于压水堆燃料组件的中子学分析

本文基于中子学角度对典型压水堆中的事故容错燃料UO2-BeO设计进行分析。选取西屋公司的2D燃料组件问题,使用组件计算程序ALPHA对不同体积分数BeO的燃料进行计算。临界及燃耗计算结果表明:在燃料中加入BeO,一方面由于中子吸收,导致反应性惩罚;另一方面由于BeO的慢化作用,导致反应性补偿,两个相反影响相互竞争共同决定UO2-BeO燃料带来的综合效应。由反应性匹配基准可知,适量增加235 U富集度对维持反应堆整个运行循环的反应性平衡十分必要,其中基准1相对于基准2和3需对燃料富集度进行较大调整才可满足寿期末得到的kinf与参考组件一致。由反应性扰动分析结果可知,当燃料中加入BeO后,燃料温度系数随BeO体积分数的变化基本保持恒定,慢化剂温度系数降低,空泡系数增高。     

超临界水堆铀钍混合燃料组件中子学特性分析

针对超临界水堆的能谱特性及钍燃料的中子特性,提出了一种应用于超临界水堆的新型铀钍混合燃料组件设计方案,并利用组件计算程序Dragon"对该设计在不同工况下的中子学特性进行了分析,包括:无限增殖因数、反应性温度系数、易裂变材料存量比(FIR)等,以及它们随燃耗变化的规律。另外,通过改变混合燃料组件中燃料棒的慢化剂-燃料比,探究了其对燃料组件中子学特性的影响。结果表明:超临界水堆较硬的中子能谱有利于产生易裂变核素,同时该新型燃料组件在提高燃料利用率和减少次锕系元素存量方面具有一定的优势。     

熔盐快堆Th-U燃料循环增殖性能分析

熔盐快堆是当前国际上关注的热点之一,本文基于堆芯结构双流体方案,即裂变熔盐燃料和增殖熔盐介质各自独立冷却循环,利用氟化或氯化熔盐中钍铀重金属盐高温下的高溶解度特性,获得熔盐快堆的高增殖。通过比较钍铀燃料循环熔盐快堆的三种可行性熔盐燃料方案(LiF+ThF_4+UF_4、NaF+ThF_4+UF_4和NaCl+ThCl_3+UCl_3),采用基于反应堆安全分析和设计的综合性模拟程序SCALE(Standardized Computer Analyses for Licensing Evaluation),计算了中子能谱、反应性温度系数,分析了增殖比BR(breeding ratio)受反应堆裂变区、增殖区和ZrC中子反射层的尺寸影响、熔盐中~6Li和~(35)Cl同位素丰度的影响,以及熔盐密度误差对BR计算值的准确性影响、易裂变核素随反应堆运行时间演化等。在钍铀燃料循环熔盐快堆中,通过优化处理得到三种熔盐燃料方案的增殖比BR约为1.2。     

Core and sub-channel analysis of SCWR with mixed spectrum core

The SCWR core concept SCWR-M is proposed based on a mixed spectrum and consists of a thermal zone and a fast zone. This core design combines the merits of both thermal and fast SCWR cores, and minimizes their shortcomings. In the thermal zone co-current flow mode is applied with an exit temperature slightly over the pseudo-critical point. The downward flow in the thermal fuel assembly will provide an effective cooling of the fuel rods. In the forthcoming fast zone, a sufficiently large negative coolant void reactivity coefficient and high conversion ratio can be achieved by the axial multi-layer arrangement of fuel rods. Due to the high coolant inlet temperature over the pseudo-critical point, the heat transfer deterioration phenomenon will be eliminated in this fast spectrum zone. And the low water density in the fast zone enables a hard neutron spectrum, also with a wide lattice structure, which minimizes the effect of non-uniformity of the circumferential heat transfer and reduces the cladding peak temperature.     

Coupled thermal-hydraulics and neutron-physics analysis of SCWR with mixed spectrum core

The new SCWR conceptual design (SCWR-M) is proposed on the basis of a mixed spectrum core consisting of a thermal spectrum zone and a fast spectrum zone. This new core design is considered to be the hybrid of the existing thermal SCWR and fast SCWR cores. It combines the merits of both thermal and fast SCWR cores, at the same time minimizes their shortcomings. For the thermal zone, the difficulties in the mechanical design and the maximum cladding temperature can be reduced as far as possible by the co-current flow mode; and for the fast zone, a sufficiently large negative coolant void reactivity coefficient and breeding ratio can be achieved by the multi-layer arrangement of fuel rods.The performance, including the burn-up behavior, of the proposed core is investigated with 3-D coupled neutron-physical and thermal-hydraulic calculations. During the coupling procedure, the thermal-hydraulic behavior is analyzed using a sub-channel analysis code and the neutron-physical performance is computed with a 3-D diffusion code. The results obtained so far have shown that the mixed spectrum SCWR concept (SCWR-M) is feasible and promising.     

六边形套管型燃料堆芯临界质量测量试验结果验证分析

为验证核设计程序对燃料组件、铍组件和铝组件的计算可靠性,对六边形套管型燃料堆芯（HCTFR）临界质量测量试验数据进行了验证计算和偏差分析。通过分析不同位置铝组件的反应性差异,提出了新的近活性区铝组件计算模型,将铝组件近活性区布置方案的计算偏差从2.2%降低至0.1%,为堆芯核设计程序的工程验证奠定了较好的基础。      

ACP1000中MOX燃料组件管理初步研究

使用SCIENCE程序包对MOX燃料组件进行了初步设计和研究。在此基础上,对采用部分MOX燃料组件的ACP1000堆芯开展燃料管理研究,得到由全堆装载UO₂燃料组件向部分MOX燃料组件堆芯过渡的燃料管理方案,并对MOX燃料组件和部分MOX燃料组件堆芯的安全参数及其他重要参数进行分析和比较。分析结果表明,各种安全参数均满足设计要求,证明在ACP1000堆芯应用MOX燃料是可行的,并为进一步研究提供了参考。     

TP2008核数据库验证

TP2008是新研制的用于TPFAP程序的69群核数据库,本文利用IAEA压水堆棒状燃料组件基准问题和零功率临界实验结果对TP2008核数据库进行了验证分析。结果表明,燃料组件无限增殖因数k_∞与机构TUR的符合相对好;棒状燃料组件相对功率分布计算结果与参考程序的符合较好。零功率临界实验的堆芯有效增殖因数k_eff的相对偏差大部分在-0.5%以内,符合较好。     

启明星1#次临界装置热中子能谱区裂变率分布测量

启明星1#是我国专门为开展加速器驱动次临界系统研究而建立的国际上第1个具有快-热耦合结构的次临界反应堆实验装置。采用MCNP程序对堆芯裂变率分布进行指导性计算,并参考计算结果布置探测片,用固体核径迹探测器测量了堆芯热区裂变率分布。测量结果显示:堆芯有反射层一端的裂变率比无反射层一端的高;轴向加装反射层末端的裂变率明显增大。测量结果对确定热区的裂变功率提供了数据。     

钠冷快堆乏燃料组件热工水力分析程序开发

为了对示范快堆乏燃料组件的热工水力特性进行分析,自主研发了钠冷快堆乏燃料组件热工水力分析程序SPATANS。该程序基于子通道分析方法,采用适用于低流量下的流动换热和交混关系式。针对乏燃料组件棒束区进行计算,得到组件不同高度处各子通道的温度、压力等热工参数,并将计算结果与三维计算流体力学FLUENT程序的结果进行对比分析。结果表明：自主研发程序的计算结果与FLUENT程序的计算结果较为吻合,偏差在工程可接受范围内,且其计算效率明显高于FLUENT程序。初步表明SPATANS程序可用于钠冷快堆乏燃料组件热工水力分析,并具有良好的应用前景。