缓发中子计算燃料元件破损方法研究

当燃料元件发生破损时,裂变产物会释放到主冷却剂中,引起主冷却剂放射性水平增加。根据燃料元件破损的监测数据,采用一定的计算方法,计算燃料元件破损数目,可为核电厂处理元件破损事故、确保反应堆和人员安全提供重要依据。本文对缓发中子先驱核产生、释放、迁移和探测器响应等过程进行深入研究,并对每个过程建立了数学计算模型,形成了1套根据缓发中子监测数据来计算燃料元件破损数目的方法。该方法可适用于多数反应堆的燃料元件破损数目计算。     

压水堆燃料辐照性能多物理耦合并行分析程序开发

核燃料元件是反应堆的核心部件,其性能影响反应堆的安全性与经济性,利用燃料元件性能分析程序开展燃料堆内稳态辐照性能分析对于燃料设计及安全评价具有重要意义。通过开发燃料温度分布、变形计算、裂变气体释放及内压等模型,结合燃料元件热工-力学多物理耦合计算分析耦合方案,基于先进并行计算方法构建了高性能并行化燃料性能分析程序Athena。利用典型商用压水堆核电站数据及同类程序计算结果进行了程序初步验证,结果表明Athena程序计算结果合理可靠。通过定义堆芯功率及热工水力边界条件,程序能够并行开展压水堆全堆芯燃料辐照性能分析,提高燃料辐照性能分析效率,是数值反应堆原型系统（CVR1.0）的重要组成。     

中国实验快堆缓发中子探测系统的瞬态模拟与分析

根据中国实验快堆缓发中子探测系统的结构特点和探测原理,构建了缓发中子探测系统的计算模型.基于该模型,开发了计算机模拟程序.针对不同工况和不同燃料元件包壳破损时刻,进行了缓发中子探测信号的模拟计算.计算结果基本反映了计算情况下缓发中子探测信号的发展趋势.同时,还对燃料温度和燃料燃耗对缓发中子探测信号的影响进行了物理分析.     

西安脉冲堆中子价值计算与分析

中子价值是反应堆中的重要参数,其物理意义是中子对反应堆功率的贡献大小。首先采用栅元程序WIMS,计算了西安脉冲堆各栅元的6群群常数,然后采用堆芯扩散程序CITATION,计算西安脉冲堆的中子价值分布。采用连续能量点的蒙特卡罗程序MCNP,对CITATION扩散计算的正确性进行了验证。分析了西安脉冲堆的中子价值随空间和能量的变化,以及中子价值对动态参数缓发中子有效份额和中子代时间的影响。结果表明:在燃料栅元中,中子价值随能量的增加而降低,在控制棒和水栅元中,中子价值随能量的增加而增加。缓发中子有效份额大于缓发中子份额的主要原因是燃料栅元中缓发中子的中子价值较瞬发中子的大。中子代时间小于瞬发中子寿命的主要原因是燃料栅元中的中子价值较其他栅元中的大。     

十字型燃料元件堆芯的计算

十字型燃料元件的制造是反应堆工程领域的一项成就。中能中子高通量反应堆CM使用了这种燃料元件,建设中的研究堆пиK也将使用这种燃料元件。十字型燃料元件可以在非常宽的热流密度范围内工作,热流密度可以达到15．4MW／m^2。可以将这种燃料元件制成各种尺寸,对于不同的反应堆采用各种排列。这种燃料元件是稍微带有扭转度的十字型燃料元件,彼此直接联接。装载这种燃料元件的反应堆堆芯热物理计算出现了一个本质上的矛盾。如果考虑了反应堆参数测量的误差和运行过程中额定功率的偏差,那么在计算放热系数的时候,如果采用传统的用于计算燃料元件表面光滑热通道的公式,这种高热流密度的情况将进入强烈沸腾的范围,而且临界储备小。但是,CM反应堆的大量运行经验证明,受应力条件下十字型燃料元件的工作是可靠的。     

基于在线耦合的球形燃料元件温度场计算

由于三层各向同性(TRISO)颗粒弥散型燃料元件结构复杂且其材料性能随着辐照水平不断变化，不同燃耗下燃料元件的等效热导率不易确定。本研究基于COMSOL软件完成了TRISO颗粒性能分析程序开发，并与BISON程序预测值进行了对比分析。随后，基于COMSOL软件与MATLAB联合仿真建立了球形燃料元件等效热导率的计算方法，实现了球形燃料元件和TRISO颗粒模型间的在线耦合计算。在此基础上，获得了不同边界温度、燃耗条件下燃料元件径向等效热导率分布及温度场分布。计算结果表明，快中子注量达到3×10²⁵m^–2时，TRISO等效导热率下降约20%，燃料等效热导率下降约15 W/(m·K)。为了验证本研究方法的有效性，用微分-有效介质理论模型(D-EMT)计算燃料的等效导热率，得到的球形燃料中心温度预测值相比本研究方法的预测值低约25 K。本文研究方法更能真实反映球形燃料元件在反应堆内的温度场变化。     

温度反馈阶跃反应性输入下的燃料元件温度场分析

对燃料元件的非稳态温度场进行分析计算.结合反应堆物理、堆芯元件传热和与温度耦合的物性参数,给出了物理数学模型.采用稳定的差分格式进行计算,获得了有温度反馈阶跃反应性输入条件下的棒状燃料元件温度分布和变化规律,计算结果的精度较高,对堆芯热工设计与运行安全分析有参考价值,特别对处于经常变工况的核动力反应堆更有现实意义.     

Simulink仿真软件在船用堆参数快速计算中的应用

以6组缓发中子点堆模型和堆芯双区集总参数模型为基础,建立Simulink仿真模型,对船用反应堆动态过程进行仿真分析,并与相关文献作比较.结果表明:Simulink仿真软件能以较长的平均步长对反应堆动态过程作高精度仿真,能够在普通微机上实现物理热工参数超时计算,对船用反应堆安全运行有重要意义.     

考虑初始功率有温度反馈的缓发超临界分析

对输入小阶跃反应性(ρ0＜β)有温度反馈时,反应堆缓发超临界过程进行了研究.在功率与温度关系中考虑初始功率的作用,修正了绝热模型,求得了任意初始功率条件下反应堆反应性和功率随时间的变化规律,并进行分析、讨论.结果表明,初始功率对缓发超临界过程反应性与功率变化的影响明显,初始功率越大,反应堆反应性与功率的响应越快,且功率变化幅度也越大.     

燃料元件行为分析程序METEOR1.5的校核

燃料元件性能分析程序对于核燃料研究、设计具有十分重要作用.本工作用国际原子能机构(IAEA)的合作项目--"高燃耗下燃料行为模型研究"(FUMEX-Ⅱ)中得出的燃料元件辐照试验数据对燃料元件行为分析程序METEOR1.5进行验证计算.计算结果表明,METEOR1.5程序在燃耗65GW·d/t(U)以内时,能够对轻水反应堆二氧化铀燃料辐照行为做出很好地预测.     

A coupling methodology for mesoscale-informed nuclear fuel performance codes

This study proposes an approach for capturing the effect of microstructural evolution on reactor fuel performance by coupling a mesoscale irradiated microstructure model with a finite element fuel performance code. To achieve this, the macroscale system is solved in a parallel, fully coupled, fully-implicit manner using the preconditioned Jacobian-free Newton Krylov (JFNK) method. Within the JFNK solution algorithm, microstructure-influenced material parameters are calculated by the mesoscale model and passed back to the macroscale calculation. Due to the stochastic nature of the mesoscale model, a dynamic fitting technique is implemented to smooth roughness in the calculated material parameters. The proposed methodology is demonstrated on a simple model of a reactor fuel pellet. In the model, INL’s BISON fuel performance code calculates the steady-state temperature profile in a fuel pellet and the microstructure-influenced thermal conductivity is determined with a phase field model of irradiated microstructures. This simple multiscale model demonstrates good nonlinear convergence and near ideal parallel scalability. By capturing the formation of large mesoscale voids in the pellet interior, the multiscale model predicted the irradiation-induced reduction in the thermal conductivity commonly observed in reactors.     

ADS次临界系统中子时空动力学计算与瞬态分析

加速器驱动次临界反应堆(ADS)中子时空动力学计算需要考虑外中子源和空间分布的影响,比临界系统中子动力学计算要复杂得多。本文将改进准静态(IQS)近似与蒙特卡罗(MC)方法相结合,对于带外源的ADS次临界系统中子时空动力学过程,形状函数、动力学参数由MCNPX程序计算得到,幅度函数与集总参数热工反馈模型进行耦合计算,并开发了IQS/MC计算程序可视化操作界面。针对CIADS靶堆耦合系统参考方案物理模型,对引入束流瞬变及无保护失流工况过程进行瞬态模拟计算分析,给出了堆芯相对功率、燃料温度及冷却剂出口温度随时间的变化曲线。同时,将中子注量率进行分群计算,得到了堆芯分能群的相对中子注量率网格分布随时间的变化,模拟结果与理论分析一致。     

气冷堆用棱柱型弥散微封装燃料性能分析及优化研究

棱柱型弥散微封装燃料是将三重各向同性包覆（TRISO）燃料颗粒弥散于金属或陶瓷基体形成的颗粒增强复合燃料,具有良好的结构稳定性、裂变产物包容能力和辐照稳定性,是高温气冷堆中较具发展前景的燃料形式之一。本文提出将TRISO燃料颗粒弥散于SiC基体的棱柱型弥散微封装燃料设计方案,并基于有限元分析软件COMSOL建立了该燃料元件三维热流固耦合分析模型,初步实现了该燃料元件性能分析和优化设计。结果表明,棱柱型弥散微封装燃料元件的温度最大值位于燃料元件外侧,应力峰值位于冷却剂通道壁面,边距比为0.76~0.84、孔距比为0.68~0.75时燃料元件热应力最小。本文建立的棱柱型弥散微封装燃料性能分析方法和研究结论,可为后续该型气冷堆燃料元件设计提供指导和参考。      

Locked Rotor Accident Analysis in a Molten Salt Breeder Reactor

An analysis is made of locked rotor accidents in a molten salt breeder reactor (MSBR). The evaluation is performed using a point reactor model for the reactor power and a spatially lumped parameter model of primary system for fuel temperature.

In a reactor with circulating fuel such as an MSBR, the reduction or the stoppage of fuel flow caused by locked rotor of fuel pumps will result not only in adding positive reactivity due to the decrease of the loss of delayed neutron precursors out of the core, but also in loosing heat sink. In this report, locked rotor accidents of one, two, three and four pumps out of four fuel salt pumps are evaluated. It is shown that the transients of the reactor system will be within the safety range in virtue of the excellent nuclear and thermal characteristics of the MSBR.     

SCWR-FQT回路的冷却剂流量丧失事故研究

超临界水冷堆燃料验证实验（SCWR-FQT）将对1个小型燃料组件在超临界水环境下进行堆内性能测试。为了对该实验回路进行系统设计和安全分析,应用修改过的ATHLET程序建立实验回路计算模型,对两种造成燃料组件实验段冷却剂流量部分或全部丧失的设计基准事故进行模拟分析,即由于装载实验段的压力管内部的导向管破裂导致流经实验段的冷却剂旁通和主冷却剂泵卡轴事故。计算结果显示：实验段冷却剂旁通事故中,燃料包壳温度在事故初期出现约920 ℃的峰值;而主泵卡轴事故中,燃料包壳温度未明显升高。计算结果表明,现有的安全系统设计能保证在事故情况下维持燃料组件实验段的有效冷却。     

新概念熔盐堆物理计算方法研究及程序设计

考虑新概念熔盐堆燃料盐的流动特性,从基本的粒子守恒方程出发,推导了熔盐堆的中子动力学模型,并采用数值方法对3种工况下熔盐堆的临界问题进行计算,考察流动对有效增殖系数、快中子分布、热中子分布及缓发中子先驱核分布的影响。结果表明：质量流量对有效增殖系数的影响很小,对热中子分布的影响比对快中子分布的影响大,而质量流量越大,缓发中子先驱核移出堆芯的比率也越大。     

Analysis of RA-3 experiments for the validation of a neutronic model

A 3D neutronic model for the RA-3 reactor was developed on the basis of previous experience and validated with selected experimental data. Control rod calibrations were reproduced in N94 and N136 cores. The calculated values are shown to be dependent on relative position of the rods and the procedure that gives the best estimation of the rod value is the one performed following the experimental method compensating small rod insertions with small extractions. Rod worth calculations differ from the measured values in less than 2%. Rod-drop experiments were used to evaluate rod effectivities. The experimental results showed discrepancies between estimators derived from the point reactor model, and from spatial modal kinetics. Discrepancies are also observed when using different detectors. Even when using the spatial modal kinetics approach, the estimators obtained from different detectors disagree when one of them is located near to the rod, but differences are considerably reduced with respect to point reactor model because in this case only the delayed evolution is considered. We can say that all estimators give fairly similar results when the detector field of view is not influenced by the local perturbation introduced by the falling rod. This indicates the existence of spatial effects which are not completely accounted for in the spatial modal kinetics approach. Also, the importance of verifying the form function behaviour during the delayed evolution. The rod drop experiments were simulated using the improved quasi-static model and static evaluations. The rate of overestimation static/dynamic is constant in both core configurations and varies between 18% and 23% for the analyzed rods. The dynamic model allows comparing also thermal flux ratios at the detector positions. The neutronic model is considered reliable for design and fuel management analysis. The estimations of criticality, control rod calibrations and excess reactivity are satisfactory and simple models representing the core components without any kind of correction factors have been used to achieve these results.     

Approximate solutions of point kinetics equations with one delayed neutron group and temperature feedback during delayed supercritical process

In the present investigation, the delayed supercritical process of a nuclear reactor with temperature feedback while inserting small step reactivity is analyzed. It is found that there exist some problems in the results obtained in the published literatures. The expression of relation between reactivity and time is derived, and the effects of the small inserted step reactivity and initial power on the delayed supercritical process are analyzed and discussed. To test the developed solution and to prove the validity of the method for application purposes, a comparison with other methods indicates the superiority of temperature prompt jump approximation. Some useful new conclusions are drawn, which can provide an important theory for the safety analysis and operating administration of the nuclear reactor.     

基于替代材料的燃料棒熔化实验研究

为获得核反应堆燃料元件熔化以及熔融物扩展和消熔过程中的关键实验数据,本研究将典型压水堆中的燃料棒元件作为研究对象,在堆芯材料严重事故现象可视化研究实验装置FROMA上开展了低温条件下的燃料棒熔化实验。实验采用锌-铝的替代材料燃料棒,开展了单棒的熔化凝固可视化研究,获得了严重事故过程中燃料棒包壳的瞬态轴向温度分布特性以及熔融物扩展、迁移和再定位的动态过程。本研究基于实验数据对熔融物的流动、扩展和凝固、迁移等相关的物理现象和过程进行深入分析,为反应堆严重事故现象分析模型的开发提供了数据支持。