国外铅铋堆发展及军事应用

正铅铋堆具有固有安全、易小型化、可持续性好等显著优势,是先进核能系统的重要研究方向,在世界范围内积累了大量的研究经验和成果。铅铋堆军事应用前景广阔,具有作为小型高功率电源为偏远军事基地供电、供热的潜力。1国外铅铋堆研发与应用1.1俄罗斯SVBR-75/100反应堆研发进展SVBR-75/100反应堆是俄罗斯开发的小型模块化液态铅铋合金冷却快堆。它以核潜艇液态铅铋合金冷却反应堆技术为依据,建立在经实践证实的技术规范基础上,是第四代核能论     

轴流铅铋泵流场分析及优化

铅铋泵作为铅铋冷却快堆一回路的关键输送设备,其安全运行对铅铋冷却快堆的安全至关重要。液态铅铋合金在泵内流动特性对泵的长期安全运行有重要影响,为了研究轴流铅铋泵泵内流场,通过Workbench/BladeGen软件建立了主泵叶轮模型,在ANSYS CFX软件中数值模拟泵内流场,并根据数值模拟结果改进了导叶片厚度,优化了动叶片翼型出口角,从而改善泵内流场。研究结果表明,铅铋泵叶片型线出口附近角度变化过快会导致叶片压力分布不均匀,产生局部高压的现象,进而可能造成更严重的冲蚀。优化导叶片厚度以及动叶片出口液流角后,泵内流场整体迹线较为平稳,导叶片出口处铅铋合金流速可以维持在1.8 m/s左右。      

RELAP5铅铋快堆模型拓展及验证

为研究铅铋快堆瞬态热工水力特性,对RELAP5程序进行二次开发,添加铅铋合金（LBE）物性模型和液态金属流动换热模型,并与NACIE-UP和CIRCE-ICE台架的实验结果进行对比。计算结果表明：NACIE-UP台架稳态流量和温度相对误差在2%以内,瞬态相对误差不超过5%,与其他系统程序CATHARE、ATHLET、RELAP5-3D、RELAP5/MOD3.3(modified)相比,本文程序的相对偏差不超过10%;CIRCE-ICE台架稳态流量和温度相对误差在2%以内,瞬态相对误差不超过10%。本文程序满足反应堆系统热工水力分析程序精度要求,可作为铅铋快堆安全分析的有效工具。     

铁素体/马氏体钢和奥氏体不锈钢的液态铅铋腐蚀行为与机理

液态铅铋共晶合金[liquid lead-bismuth eutectic,LBE,Pb44.5Bi55.5,%(质量分数)]具有优异的热工水力和中子学性能,是第四代液态金属冷却快堆最重要的冷却工质之一。但是,液态铅铋冷却快堆的主要候选材料包括铁素体/马氏体钢(如T91)和奥氏体不锈钢(如316L和15-15Ti)存在液态金属腐蚀问题,一定程度上阻碍了液态铅铋快堆工程化应用进度。本文综述了液态铅铋腐蚀的基本机制以及铁素体/马氏体钢和奥氏体不锈钢的液态铅铋腐蚀行为,总结了抑制液态铅铋腐蚀的主要方法,并展望了未来研究方向。     

小型自然循环铅基快堆固有安全性分析研究

自然循环反应堆一回路运行不需要设置驱动泵,具有结构简单、经济性好、固有安全性高等特点,是开发高安全性反应堆的重要发展方向。铅基冷却剂(铅或铅铋合金)的密度是水10倍以上,在相同温差下,铅基冷却剂的密度差比水更大,具有更好的自然循环能力,是设计自然循环反应堆的理想冷却剂。目前,国内外学者关于小型自然循环铅基快堆的研究主要集中于概念设计研究,关于该堆型的固有安全性研究较少,相关事故演化机理尚未明晰。本文在系统介绍小型自然循环铅基快堆的技术特点和研究现状的基础上,开展100 MW_(th)级小型自然循环铅基快堆无保护事故分析,深入探讨在极端假设事故工况下小型自然循环铅基快堆的固有安全性,为相关设计研究提供参考。     

自然循环铅铋冷却快堆失热阱瞬态研究

为考察自然循环铅铋冷却快堆的自然循环与固有安全特性,利用基于中子学与热工水力学耦合方法的安全分析程序NTC-2D,对10 MW自然循环铅铋冷却快堆的无保护失热阱(ULOHS)和有保护失热阱(PLOHS)工况分别进行了模拟与分析。结果表明,对于ULOHS,冷却剂、包壳及燃料芯块温度均远低于安全限值,并且由于反应性温度负反馈,反应堆自动停堆;对于PLOHS,事故后600s内,停堆保护系统的投入使反应堆处于安全状态。瞬态模拟表明该反应堆具有良好的自然循环与固有安全特性。     

中国加速器驱动嬗变研究装置次临界反应堆概念设计

根据中国加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)的建设要求,完成了CiADS中次临界反应堆的概念设计。次临界反应堆为液态铅铋冷却快中子反应堆,采用半池式-半回路式的布置方式,通过主容器的中心管实现了与散裂靶在结构上的耦合。燃料组件及换料方式采用相对成熟的技术方案,设置了铅铋主冷却剂辅助系统,通过多种专设安全设施来保证反应堆的安全。CiADS次临界反应堆充分考虑了堆靶耦合界面的可实现性,利用了液态铅铋冷却剂良好的传热性,结合了池式堆冷却剂自然循环的特性及回路式堆冷却剂装量少的特性,具有良好的可行性、安全性、布置灵活性和技术扩展性。     

评估核石墨在高剂量和高温下的辐射蠕变规律

【美国《核技术》2002年4月刊报道】由于铅或铅合金有良好的物理和化学性质,因此选择它们作为快堆的冷却剂为提高安全性和可靠性提供了可能。为使这类冷却剂更适合于下一代反应堆的核系统,研究者开发了一种具有革新性质的快堆概念,它不再需要蒸汽发生器和主冷却剂泵,从而减少了投资和运行成本。工作蒸汽是由堆芯上部烟囱中的液态金属与水直接接触而蒸发产生的。流体之间直接接触热转换使水迅速蒸发,导致在反应堆烟囱中形成蒸汽。烟囱内的较轻流体大大加强了反应堆池内铅-铋(Pb-Bi)的自然循环,这是因为烟囱和水回流管之间很大的密度差会产生…     

液态金属冷却快堆子通道分析软件SACOS-LMR研发与工程应用

子通道分析方法是反应堆堆芯设计和热工水力分析的重要手段之一,对于我国提出的压水堆-快堆-聚变堆三步走核能发展战略,开发适用于液态金属冷却快堆热工安全分析的子通道分析程序具有重要意义。本文基于西安交通大学热工水力研究室自主开发的压水堆子通道程序SACOS,通过添加液态金属快堆特有的模型,如绕丝模型、盒间流模型、液态金属对流换热模型等,扩展至适用于液态金属快堆的子通道分析程序SACOS-LMR,该程序具备对液态金属快堆组件开展稳态和瞬态热工水力分析的功能。结合卡尔斯鲁厄开展的37棒钠冷瞬态实验,完成了SACOS-LMR程序的瞬态功能验证。基于验证后的SACOS-LMR程序,对欧洲铅冷快堆(ALFRED)堆芯开展了稳态工况和瞬态事故工况下的热工安全特性分析,计算结果合理,且与同类程序保持一致,表明SACOS-LMR程序可用于液态金属快堆的堆芯设计和热工水力分析研究。     

铅铋自然循环热工水力分析程序开发

铅铋堆内冷却剂的自然循环对于反应堆的正常运行以及事故工况下的堆芯热量导出均至关重要,相关热工水力分析工作对于支持设计及安审均有重要意义。通过对铅铋堆内一回路系统内主要部件,包括堆芯、热交换器、管道等建立热工水力物理模型,开发了适用于铅铋自然循环瞬态过程模拟的热工水力分析程序,并利用铅铋自然循环回路内开展的自然循环启动实验、功率台阶影响实验等的结果进行了程序的初步验证。结果表明,程序计算得到的结果与实验结果符合较好,能够较好模拟铅铋自然循环的瞬态过程。该程序可以为铅铋堆研发过程中自然循环热工水力分析工作提供支持。     

European research on HLM thermal-hydraulics for ADS applications

The objective of the European 6th framework project EUROTRANS is to demonstrate the technical feasibility of transmutation of high level nuclear waste using accelerator driven systems. Within this objective the design of a European experimental ADS should demonstrate the technical feasibilities to transmute a sizeable amount of waste and to operate an ADS safely. This ADS will be a subcritical reactor system having liquid lead-bismuth eutectic as coolant. The liquid lead-bismuth eutectic is also intended to serve as target material for the spallation reaction which forms a crucial part to the subcritical reactor core. Since lead-bismuth eutectic is used as core coolant and spallation material, knowledge of its thermal hydraulic behaviour is essential. Within the DEMETRA domain of the EUROTRANS project, basic thermal hydraulic studies in order to support the design and safety analysis of XT-ADS components and the development of measurement techniques have been started.     

铅铋冷却快堆含绕丝燃料组件子通道程序开发与验证

由于铅铋冷却剂流动传热现象的复杂性,准确计算铅铋冷却含绕丝燃料组件的冷却剂和包壳温度是液态金属冷却快堆燃料组件热工分析的重点。本文基于集总参数法对守恒方程进行求解,开发了适用于铅铋冷却快堆的子通道分析程序,对液态铅铋在棒束燃料组件中的摩擦阻力模型、湍流交混模型和对流换热模型进行了适用性分析,并对7棒束大涡模拟和19棒束含绕丝传热实验进行了对比验证。结果表明：包壳和冷却剂温度的最大相对误差低于5%。程序能较好完成铅铋冷却含绕丝燃料组件的热工水力计算,可为铅铋冷却快堆设计提供支持。     

Design study of PbBi- and NaK-cooled small deep sea fast reactors

The liquid lead-bismuth eutectic (PbBi) has good compatibility with water, which is different from sodium. It is expected that the PbBi could be used as a coolant of the deep sea fast reactor (DSFR). Physics analysis of the PbBi-cooled small reactor cores with and without inner control rods performed using the computer program of a neutronics code system (SRAC95) shows that PbBi is suitable for the coolant of small reactors as well as NaK.     

Inherent Prevention and Mitigation of Severe Accident Consequences in Sodium-Cooled Fast Reactors

Safety challenges for sodium-cooled fast reactors include maintaining core temperatures within design limits and assuring the geometry and integrity of the reactor core. Due to the high power density in the reactor core, heat removal requirements encourage the use of high-heat-transfer coolants such as liquid sodium. The variation of power across the core requires ducted assemblies to control fuel and coolant temperatures, which are also used to constrain core geometry. In a fast reactor, the fuel is not in the most neutronically reactive configuration during normal operation. Accidents leading to fuel melting, fuel pin failure, and fuel relocation can result in positive reactivity, increasing power, and possibly resulting in severe accident consequences including recriticalities that could threaten reactor and containment integrity. Inherent safety concepts, including favorable reactivity feedback, natural circulation cooling, and design choices resulting in favorable dispersive characteristics for failed fuel, can be used to increase the level of safety to the point where it is highly unlikely, or perhaps even not credible, for such severe accident consequences to occur.     

Data acquisition and control system for lead-bismuth loop KYLIN-Ⅱ-M

Among different heavy liquid metals(HLMs), lead-bismuth eutectic(LBE) is considered at present as a potential candidate for the coolant of new generation fast reactors(critical and subcritical) and for liquid spallation neutron sources and accelerator driven systems(ADS). A high temperature liquid LBE loop, KYLIN-II-M,has been built to study the characteristics of corrosion and fluidity of LBE at the Institute of Nuclear Energy Safety Technology. However, due to the sensors and execution components of the loop work at high temperatures and in severely corrosive environments, the reliability and security of the data acquisition and control system(DACS) of KYLIN-II-M face challenges during the loop operation. In order to meet the urgent needs for KYLIN-II-M’s long-term stable operation, a virtualization and redundancy control system has been developed.The onsite operation result shows that the DACS is stable and reliable. In this paper, the experimental results are described in detail.     

小型可运输长寿命铅铋冷却快堆堆芯设计研究

为满足偏远地区供电需求,提出了一种小型可运输长寿命铅铋冷却快堆（STLFR）堆芯设计方案,额定热功率为20 MW,在不换料条件下可运行18 EFPY（有效满功率年）。为减小堆芯体积,堆芯采用蜂窝煤型燃料组件,内设若干冷却剂管道,管外为燃料,实现了较高的堆芯燃料体积占比。为展平堆芯径向功率分布,将堆芯燃料区沿径向划分为三区,分别采用不同的冷却剂管道尺寸。为降低堆芯高度,设计使用含高富集度⁶Li的液态锂作为吸收体的液态吸收体控制系统。为降低初始剩余反应性,在堆芯控制组件与安全组件中布置两组固定式可替换吸收体,分别在堆芯燃耗1/3和2/3寿期时替换为固定式反射体。提出的堆芯设计方案在整个运行寿期内满足热工设计限值,控制系统和安全系统能独立满足堆芯控制和停堆要求。采用准静态反应性平衡方法对5种典型无保护事故工况进行分析,初步证明了堆芯具有固有安全特性。     

Thermal-hydraulic behavior of the NUR nuclear research reactor during a fast loss of flow transient

Nuclear safety analysis remains of crucial importance for both the design and the operation of nuclear reactors. Safety analysis usually entails the simulation of several selected postulated accidents, which can be divided into two main categories, namely reactivity insertion accident (RIA) and loss of flow accident (LOFA). In this paper, thermal-hydraulic simulations of fast LOFA accident were carried out on the new core configuration of the material test research reactor NUR. For this purpose, the nuclear reactor analysis PARET code was used to determine the reactor performance by calculating the reactor power, the reactivity and the temperatures of different components (fuel, clad and coolant) as a function of time. It was observed that during the transient the maximum clad temperature remained well below the critical temperature limit of 110 °C, and the maximum coolant temperature did not exceed the onset of nucleate boiling point of 120 °C. It is concluded that the reactor can be operated at full power level with sufficient safety margins with regard to such kind of transients.     

液态金属反应堆湿式燃料贮存桶内部事件概率安全分析

液态金属冷却剂在给反应堆带来运行安全与热效率优势的同时,也给反应堆带来了复杂的换料系统,其中大型液态金属反应堆采用的湿式乏燃料贮存桶是乏燃料卸料过程的核心设备,临时装载了大量的乏燃料组件,具备一定的安全风险。本文采用概率安全分析（PSA）方法对乏燃料贮存桶进行风险评价,通过运行状态分析、始发事件分析、事故序列分析以及简单的定量化,初步获得其导致乏燃料组件发生损伤的事故序列和最小割集,识别了关键系统与设备。结果表明,相对于反应堆本身的风险,乏燃料贮存桶本身风险虽低但依然不可忽略,且风险评价结果对反应堆的运行方式以及清洗系统的可靠性较为敏感。此外还对该系统的设计改进与安全优化进行了讨论。     

全厂断电事故工况下小型铅铋快堆余热排出能力评价

小型铅铋快堆的非能动余热排出系统（PRHRS）主要是为应对全厂断电（SBO）事故,但目前并不确定该PRHRS能否有效带走堆芯衰变热以保证堆芯安全,因此开展了数值分析研究评价PRHRS的余热排出能力。本文使用RELAP5 4.0程序开展了小型铅铋快堆SBO事故热工水力分析,首先进行稳态计算,之后将稳态结果作为初值进行瞬态计算。研究结果表明：在整个SBO事故中,包壳峰值温度最高为820 K,主容器与保护容器壁面最高温度分别为792 K和769 K,均未超过安全限值,表明此PRHRS可有效应对小型铅铋快堆SBO事故。本文研究可为小型铅铋快堆PRHRS的工程设计奠定技术基础。