摇摆对自然循环核热耦合平均功率的影响

通过对摇摆条件下单相自然循环核热耦合的模拟计算,分析研究了摇摆条件下自然循环核热耦合系统平均功率的影响因素。分析结果表明：摇摆条件下,考虑核反馈后的系统平均功率与系统的平均质量流量、系统的平均传热系数成正比,与慢化剂与燃料的温度反馈系数比成反比。摇摆参数对系统平均功率的影响和慢化剂与燃料的温度反馈系数比有关。当系统平均传热系数的变化对反应性的影响起主导作用时,摇摆越剧烈,系统平均功率越大;当平均阻力系数的变化对反应性的影响起主导作用时,摇摆越剧烈,系统平均功率越小。     

摇摆下自然循环矩形双通道系统核热耦合不稳定性研究

将海洋条件热工水力分析程序RELAP5/MC与三维物理瞬态输运程序TDOT-T采用并行方式耦合,对摇摆条件下自然循环矩形双通道系统核热耦合不稳定性进行计算分析。结果表明,系统存在同相和异相2种振荡模式,分别由摇摆运动和密度波振荡(DWO)引起。核反馈对第1类DWO和两相区的同相振荡有抑制作用,但对第2类DWO和单相区的同相振荡几乎没有影响。基于非线性理论对计算结果进行分析,发现耦合核反馈后系统非线性增强,由于摇摆导致系统流量波动与DWO叠加,其现象非常复杂,摇摆条件下的核热耦合不稳定性会出现非线性振子耦合中的同步化与混沌现象。     

简谐海洋条件下自然循环运行特性

基于两相漂移流模型建立简谐海洋条件下核动力装置自然循环理论分析模型;采用两群三维时空中子动力学模型描述堆芯中子的物理行为及控制棒调节系统的响应;利用研制的程序对核动力装置在摇摆条件下的自然循环运行特性及强迫循环向自然循环转换的过渡过程进行研究.结果表明:摇摆周期越小,影响越大;摇摆振幅越大,影响越大;相同摇摆周期与摇摆振幅条件下,纵摇对自然循环运行影响大;纵摇时,参数波动周期与摇摆周期相符,横摇时,参数波动周期为摇摆周期的一半;海洋条件引起过大的堆芯自然循环流量波动可造成功率自动调节控制棒的频繁动作,无法平稳实现强迫循环向自然循环的转换.     

基于格子Boltzmann方法的反应堆核-热-流耦合模拟

反应堆堆芯内部存在多种不同物理场之间的相互作用和反馈,对其准确模拟需要考虑这些物理过程之间的耦合。为了降低堆芯核 热 流耦合模拟的实现难度,消除不同物理场之间的外部插值过程,本文构建了核 热 流耦合模拟的格子Boltzmann方法（LBM）,将中子输运（包括SN方程、SP3方程以及扩散方程）、考虑燃料流动效应的缓发中子先驱核守恒方程以及流动传热方程统一到相似的LBM格式下,采用统一的LBM碰撞 迁移过程进行求解,有效降低了堆芯多物理耦合模拟的实现难度。计算结果表明：本文建立的核 热 流耦合LBM模型对不同雷诺数下的流动效应均能准确模拟,同时温度反馈在高温熔盐堆低速流动条件下有较为明显的影响,不能忽略;提高堆芯熔盐流速能够有效地展平功率及温度分布。     

海洋条件下核动力装置自然循环流动特性的无量纲分析

利用无量纲分析法推导出海洋条件下核动力装置的自然循环流量表达式,导出了稳态自然循环流量方程,结果与实验值吻合.以自然循环流量的波动不引起功率调节系统动作为限制条件,采用无量纲分析法推导出此条件下摇摆振幅与摇摆周期的关系式;两者呈二次函数关系,理论计算结果与大型分析程序的计算结果吻合.功率调节系统动作与否取决于最大摇摆角加速度的大小,而与最大摇摆角速度无关.     

热管冷却反应堆核热力耦合研究

热管冷却反应堆（简称“热管堆”）高温运行下的结构热膨胀效应会显著影响反应堆的传热和中子物理输运过程。本文提出了一种考虑固体堆芯显著膨胀的几何更新和反应性反馈方法,并构建了基于动态几何的中子物理/热工/力学3场核热力耦合分析程序。在核热力耦合中主要考虑温度引起微观截面的变化、材料密度的变化以及热膨胀引起堆芯尺寸的变化。基于提出的核热力耦合方法,对MegaPower热管堆进行了核热力耦合分析,分析了不同松弛因子下,堆芯功率分布和径向功率因子的收敛性。核热力计算表明,热膨胀造成堆芯边通道的中子泄漏增加,从而产生负反应性反馈;同时,边通道中子泄漏增加加剧了功率分布的不均匀性,传热恶化,考虑核热力耦合后,径向功率因子从非耦合情形的1.20提升到1.23,燃料峰值温度增加11 K。      

摇摆运动下矩形窄通道内摩擦压降特性研究

以水为工质,进行了摇摆运动下矩形窄通道内单相与流动沸腾阻力实验,获得了摇摆运动下瞬态压降波动规律,并对摇摆运动影响压降波动的机理进行了分析。摇摆运动使摩擦压降产生周期性波动,单相流动时,随系统流量、工质温度的升高,摇摆对压降波动的影响越发减弱;流动沸腾时,摇摆运动通过改变系统空间位置使压降呈明显的周期性波动,其波动幅度随出口含气率、系统流量、摇摆周期和角度的增大而增大,随系统压力的增大而减小。     

摇摆引起的波动对单相自然循环换热的影响

对摇摆和不摇摆运动下的单相自然循环换热特性进行了实验研究。根据实验数据,分析了摇摆和非摇摆条件下的换热系数,引入加速度影响的雷诺数拟合了适用于摇摆运动下自然循环流动换热计算关系式。结果表明,摇摆引起的流动波动增加了流动换热系数,换热系数随着摇摆振幅和频率的增加而增加;由于管壁蓄热的作用,流动速度和换热系数的变化不同相。新拟合关系式的计算结果和实验结果符合良好。     

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。     

摇摆对非能动余热排出系统自然循环能力影响的试验研究

在摇摆台架上对摇摆条件下的非能动余热排出系统的自然循环能力及其相关特性进行了试验研究。分析了附加压降和重位压降对流动特性的影响,以及摇摆条件下的重位压降和流动阻力对流速的影响。结果表明:摇摆条件下,非能动余热排出系统自然循环能力下降。摇摆振幅越大,平均凝水流量越小,波动幅度越大;凝水流量最小值随摇摆振幅的增大而下降很多,但凝水流量最大值变化较小。系统参数变化与摇摆周期关系不大。附加压降不会对平均流速产生影响,重位压降对平均流速的影响与周期无关。重位压降对流速的影响比流动阻力的影响小得多。随着摇摆振幅的增加,流动阻力对平均流速的影响略有降低。     

摇摆条件下两环路自然循环回路特性分析

在海上小型堆设计中,需要考虑海洋运动条件对热工水力特性的影响。本文建立了海洋运动条件下的附加惯性力模型,并将该模型应用于RELAP/SCDAP程序中,得到了适用于海洋运动条件下的系统分析程序,利用修改后的RELAP5程序,分析了在摇摆条件下自然循环回路的热工水力特性。分析结果表明,摇摆条件下,自然循环回路的平均流量小于静止条件下的自然循环流量,环路流量波动滞后于横摇运动,冷却水温波动滞后于环路流量波动,摇摆幅值越大,频率越高,流量波动幅值越大。当摇摆较剧烈时,环路上出现倒流现象。增加加热功率或提高冷热源之间高度差可增加系统的自然循环驱动力,减小横摇运动对自然循环的影响。     

Theoretical research for natural circulation operational characteristic of ship nuclear machinery under ocean conditions

Based on the two-phase drift flux model and the multi-pressure nodes matrix solving method, natural circulation thermal hydraulic analysis models for the Nuclear Machinery (NM) under ocean conditions are developed. The neutron physical activities and the responses of the reactivity control systems are described by the two-group, 3-dimensional space and time dependent neutron kinetics model. Reactivity feedback is calculated by coupling the neutron physics and thermal hydraulic codes, and is tested by comparison with experiments. Using the models developed, the natural circulation operating characteristics of NM in rolling and pitching motions and the transitions between forced circulation (FC) to natural circulation (NC) are analyzed. The results show that the influence of the rolling motion increases as the rolling amplitude is increased, and as the rolling period becomes shorter. The results also show that for this NM, with the same rolling period and rolling angle, the influence of pitching motion on natural circulation is greater than that of rolling motion. Furthermore, the oscillation period for pitching motion is the same as the pitching period, while the oscillation period for rolling is one half of the rolling period. In the ocean environment, excessive flow oscillation of the natural circulation may cause the control rods to respond so frequently that the NM would not be able to realize the transition from the FC to NC steadily. However, the influence of ocean environment on the transition from NC to FC is limited.     

热管反应堆堆芯缩比模块瞬态特性分析

热管堆具有长寿期、高可靠性等优势,是当下空间核反应堆的研究焦点之一。为研究热管堆瞬态过程中的核热耦合现象,本文基于半物理仿真技术,搭建了针对热管反应堆堆芯缩比模块的核热耦合实验平台,通过实验模块测量了堆芯缩比模块的温度分布,在仿真模块中基于点堆模型计算了输出功率随时间的变化情况。通过耦合实验模块和仿真模块,探索了瞬态条件下堆芯缩比模块核热耦合特性,分析了引入不同初始反应性时堆芯温度、加热功率和剩余反应性的瞬态演变过程,揭示了系统热容量造成的温度迟滞变化效应,即热惯性现象。结果表明,堆芯缩比模块的热惯性随引入的初始反应性的增大及初始功率水平的增加而减小,且与基体材料的热扩散率呈反比。     

Flow characteristic of single-phase natural circulation under ocean motions

Natural circulation is widely used in nuclear reactor systems as the passive safety system. With the development of the floating nuclear power plant (FNPP), researchers should pay more attention to flow and heat transfer characteristics for the natural circulation under ocean conditions for the safety of FNPP. In this paper, the flow characteristics in a single-phase natural circulation system were investigated and the effects of heaving, rolling and coupled motions were analyzed. The oscillation amplitude of flow rate increases with the increase of period in a certain range and maximum acceleration under heaving motions. With the increase of oscillation intensity (higher frequency and larger maximum rolling angle), the oscillation amplitude increases and the average flow rate decreases under rolling motions. Moreover, the lateral displacement of rolling center changes the oscillation period and induces larger amplitude oscillations. The flow characteristic becomes more complex when the system is subjected to coupled motions. The oscillation period is the least common multiple of two motions’ periods. The oscillation induced by coupled motions makes the system more unstable than that induced by an individual motion. The potential superposition effect exists under coupled motions and needs to be addressed for the operation safety.     

基于极限学习机模型的流动不稳定性多热工参量联合预测方法

摇摆条件下两相沸腾自然循环系统中存在着多种热工参量耦合作用引起的复杂流动不稳定性现象。为了对摇摆流动不稳定系统中的重要热工参量进行实时预测,提出了基于极限学习机人工神经网络模型的多热工参量联合时间序列预测方法。考虑流量和加热壁面温度两个热工参量,使用实验测量数据训练极限学习机模型,进行了单步和多步联合预测仿真实验,并研究了隐层节点数对预测效果的影响。仿真结果显示,基于极限学习机多参量联合预测方法的预测精度优于单一参量预测,且在较多提前步数的预测中优势更为明显。该方法可被推广至更多种热工参量的情况,是一种有效的流动不稳定系统热工参量实时预测途径。     

物理-热工耦合对超临界水堆系统特性的影响分析

物理-热工耦合是超临界水堆系统分析的关键问题之一。以日本超临界水冷热堆Super LWR的堆芯设计为例,借助Dragon编制中子截面数据库,建立双群中子扩散方程计算模块,联系同时建立的热工计算模块,得到超临界水堆的物理-热工耦合计算模型。通过对比稳态与瞬态工况下耦合前、后的热工工况,分析物理-热工耦合条件下的超临界水堆系统热工特性。结果表明：在稳态工况下,物理-热工耦合将导致内、外组件堆芯功率峰值沿轴向发生明显偏移,使得部分节点的包壳温度升高,但包壳最高温度降低;在瞬态工况下,物理-热工耦合将导致堆芯包壳最高温度的发生位置有所改变。发生给水加热丧失瞬态后,在某一时刻,外部组件的包壳最高温度将转而超过内部组件的包壳最高温度。可见,物理-热工耦合对包壳最高温度的大小和发生位置均可能产生明显影响。计算分析可为超临界水堆瞬态及安全分析提供相应理论参考。     

Research on operational characteristics of passive residual heat removal system under rolling motion

The operational characteristics of passive residual heat removal system under rolling motion were investigated experimentally. The passive residual heat removal system under rolling motion was simulated with the advanced RELAP5 code. The results are consistent with experiments. The relative discrepancy between calculating and experimental results is less than 10%. The modified condensation heat transfer model can also be used to calculate the condensation heat transfer coefficient with droplet carryover precisely. The fluctuation of condensate temperature and steam pressure is not noticeable. As the power becomes larger for the same rolling motion, the oscillation amplitude of condensate flow rate becomes larger. The effect of rolling motion upon heat transfer coefficient and flow resistance was investigated with experimental results. Rolling motion can increase the flow resistance in a great extent. The more serious the rolling is, the more the flow resistance is. Additional pressure drop does not effect on average flow velocity. The decreasing of average flow velocity is due to the decreasing average gravity pressure drop and the increasing of flow resistance. The contribution of gravity pressure drop on the decrement of average flow velocity is less than 20%. The other is due to the increasing flow resistance. In the present paper, the experimental results are listed first, and then the simulation results comparing with the experimental results are listed in the second part. At last, the effect of rolling motion is investigated theoretically.