铅基快堆自然循环实验台架比例分析方法研究

铅基快堆具有良好的自然循环能力,研究其自然循环特性对提高反应堆固有安全性具有重要价值,而比例分析方法是建立合理可行铅基快堆自然循环实验台架的理论基础。本文通过无量纲化典型自然循环铅基快堆一回路系统的流体控制方程,确定主要的无量纲相似准则群;基于所构建的无量纲相似准则数对小型自然循环铅基快堆SNCLFR-10开展比例分析,获得双环路单相自然循环实验台架的几何和热工水力设计参数;对比分析额定工况下SNCLFR-10和缩比实验台架的关键热工水力参数,开展铅基快堆自然循环实验台架比例分析方法验证。研究结果表明,SNCLFR-10和缩比台架的关键热工参数模拟结果比值与理论推导比例关系吻合良好,建立的铅基快堆自然循环实验台架比例分析方法合理可行。     

一种适用于小型长寿命自然循环铅基快堆的冷却剂研究

以小型化、长寿命、自然循环为铅基快堆的设计目标,构建100 MWt铅基快堆堆芯模型并开展冷却剂选型研究,选取Pb同位素/混合物及Pb-Bi混合物,分析比较了采用不同冷却剂堆芯的物理特性与自然循环特性。结果表明：得益于²⁰⁸Pb在高能区小的非弹性散射截面与中低能区极小的中子俘获截面,加之Bi较小的中子俘获截面,采用²⁰⁸Pb-Bi冷却的铅基快堆堆芯在30满功率年运行周期内的燃耗反应性损失最小,增殖性能最佳,且具备负值较大的空泡系数、冷却剂温度系数和较大的有效缓发中子份额,可装载较低富集度或较少量燃料,有利于堆芯小型化、长寿命和固有安全性;²⁰⁸Pb-Bi相比Pb冷却的铅基快堆具备更强的自然循环能力、更弱的材料腐蚀、更宽的运行温度区间,有利于反应堆安全运行与维护。高²⁰⁸Pb丰度的铅可以从钍矿石及钍铀矿石中提取,极大降低了²⁰⁸Pb的分离提取难度。     

小型自然循环铅基快堆内部始发事件选取研究

始发事件是铅基反应堆确定论安全分析和概率安全评价的起点和基础,对反应堆优化设计和安全运行具有重要指导作用。本文基于小型自然循环铅基快堆SNCLFR-100当前的设计方案,参考其他先进快堆始发事件选取经验,以广义“堆芯熔化”作为顶层目标事件,采用主逻辑图（MLD）方法推导其内部始发事件,最后得到一组较完整的内部始发事件清单。本文研究可为自然循环铅基快堆安全分析工作的开展提供理论依据。      

铅基快堆自然循环实验台架比例分析方法研究

Lead-based fast reactors have good natural circulation capabilities, and its natural circulation characteristics is of great value to improve the inherent safety of the reactor, and the scaling analysis method is the theoretical basis for establishing a reasonable and feasible lead-based fast reactor natural circulation test facility. In this paper, the main similarity groups could be determined by using dimensionless fluid governing equations of typical natural circulation lead-based fast reactor primary cooling system. Based on the constructed dimensionless similarity groups, the scaling analysis of small natural circulation lead-based fast reactor named SNCLFR-10 was carried out to obtain the geometric and thermal hydraulic design parameters of the dual-loop single-phase natural circulation experimental facility. The scaling method of the lead-based fast reactor natural circulation test facility was verified by comparing and analyzing the key thermal and hydraulic parameters of SNCLFR-10 and the scaled-down test facility under rated conditions. The research results show that the key thermal-hydraulic parameter ratios of SNCLFR-10 and the scaled-down facility are in good agreement with the theoretically deduced ratio, and the established lead-based fast reactor natural circulation experimental facility scaling analysis method is reasonable and feasible.     

长寿命小型自然循环铅基快堆燃料选型

针对铅基快堆长寿命、小型化、自然循环的设计目标,构建铅基快堆堆芯模型并开展燃料选型研究,选取U-Pu、Th-U循环燃料及氧化物、氮化物、碳化物、金属燃料,分析比较了不同燃料的物性参数、在不同能谱条件下的堆芯物理特性。结果表明：在偏软能谱中,Th基燃料堆芯增殖能力更强,反应性系数负值更大,热工安全裕量更大、裂变产物容留能力更强;PuN-ThN燃料堆芯燃耗特性最佳,可在较疏松栅格条件下获得较强增殖能力,减少燃料装载量,确保固有安全性,兼顾堆芯长寿命、小型化、自然循环设计要求;但堆芯有效缓发中子份额较小,不利于反应性控制。     

小型铅基堆自然转强迫循环热工水力瞬态特性分析

小型铅基堆运行于自然循环工况时为了大幅提升功率输出能力,运行工况需要由自然循环转换到强迫循环。然而在转换过程中,由于主泵的突然开启,流量迅速增加,导致堆芯功率以及反应性等参数剧烈波动,这会威胁到反应堆安全。因此,本文采用RELAP5/MOD4.0程序对10MW小型铅基堆进行仿真建模,分析了铅基堆在自然转强迫循环过渡过程的瞬态特性及其影响因素。计算结果表明,首先,初始功率水平越高,功率峰值越高,反应堆周期越小,这可能威胁反应堆的安全,因此需要依据核功率保护整定值选择出安全转换的最高初始功率水平(54%FP)。其次,采取人为干预措施或者逐次开启主泵措施可以有效减小功率等参数波动,提高了安全转换的最高初始自然循环功率水平,这对提升反应堆在转换过程中的安全性与可靠性具有重要意义。最后,制定了一套优化的运行控制策略能够确保其在较高功率水平下(70%FP)实现自然向强迫循环快速平稳安全地转换。     

超长寿命小型自然循环铅铋快堆堆芯概念设计研究

以提高铅铋快堆的经济性与固有安全性为目标,开展100 MWt超长寿命小型自然循环铅铋快堆SPALLER-100概念设计,在选用PuN-ThN燃料和²⁰⁸Pb-Bi冷却剂的基础上,提出了一种添加固体慢化剂BeO的燃料组件设计方案,开展了堆芯布置研究和控制棒系统设计,分析了堆芯物理特性与稳态自然循环特性。结果表明：在低燃料装载量和小堆芯体积条件下,SPALLER-100堆芯换料周期达32 a,平均卸料燃耗高达210.38 MW·d/kg(HM),整个寿期内的反应性系数均为负值。稳态运行工况下燃料包壳、芯块最大温度均小于安全限值,反应堆具备一回路自然循环能力和一定流量自动分配能力。     

一回路腔室结构对自然循环铅基快堆堆芯流量分配特性影响研究

堆芯流量分配特性是自然循环铅基快堆热工水力设计的重要内容,一回路腔室几何结构是影响堆芯流量分配特性的重要因素之一。利用计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟小型模块化自然循环铅冷快堆(Small Modular Natural Circulation Lead-cooled Fast Reactor-10 MW,SNCLFR-10)一回路流场,分别研究一回路上腔室提升筒高度、中心测量柱半径及长度,下腔室深度、纵横比以及导流结构高度对堆芯流量分配特性的影响特性。研究结果表明:改变提升筒高度、中心测量柱半径及长度对堆芯流量分配特性影响较大;改变反应堆下腔室深度和下腔室纵横比对堆芯整体流量和流量分配特性所造成的影响不显著;在反应堆下腔室加装角状凸起形导流结构可有效改善下腔室流场,但无法有效改变堆芯流量分配特性。     

基于流量功率比恒定的小型铅基快堆运行研究

为开展小型铅基快堆运行策略研究,建立堆芯传递函数模型,利用比例-积分-微分（PID）控制器,结合控制棒驱动机构,分别设计堆芯流量功率比恒定与堆芯稳定核功率的运行方案。分别建立不同运行策略下的控制系统,开展一回路流量阶跃和堆芯反应性扰动仿真。结果表明,在引入一回路流量阶跃下降工况下,稳定核功率运行方案由于堆芯功率恒定而导致堆芯出口温度过高;在流量功率比恒定方案下,堆芯功率跟随一回路流量下降从而保证堆芯出口温度迅速稳定在安全范围内;在阶跃反应性扰动下,2种方案均可迅速调控堆芯功率的上冲幅度和超调量,堆芯出口温度基本维持恒定。      

铅基快堆关键热工水力问题研究综述

铅基快堆是一种极具发展潜力的第4代核能系统,在燃料增殖和嬗变方面具有独特优势,具有良好的非能动安全特性和经济性,且有利于实现小型化,是目前国际核能领域研究的热点。本文总结了国内外主要铅基堆型,指出了小型化是铅基快堆的发展方向,同时也指出了当前铅基快堆发展所面临的主要问题。针对热工水力关键问题的5个方面,即液态铅/铅铋流动换热特性研究、堆芯/组件热工水力分析、铅池内流动换热现象研究、系统热工水力安全分析以及特殊现象的热工水力分析,对国内外研究现状展开了分析,总结了当前研究成果,并分析了研究的发展趋势以及遇到的技术瓶颈。本文可为铅基快堆的设计和热工水力分析提供一定的建议和指导。     

固有安全快堆铅冷却剂及其物理特性

本文简述了用铅作冷却剂的快中子增殖堆的固有安全性，介绍了铅的热力学性质、输运性质等物理特性；给出了铅的饱和蒸汽压、密度、比热容、比熔、热导率、粘度、普朗特数和热扩散率等特性的较新数据以及作者拟合的铅物性函数关系式；同时，还给出了铅的２５群中子截面数据。     

铅基快堆RBEC-M燃耗库制作方法研究及验证

      提出了一套新的方法流程,用来处理和生成燃耗计算所需的数据。利用核数据处理程序NJOY处理评价数据库ENDF-B-Ⅶ.1生成33群的MATXS格式库,再根据具体问题中的材料信息,经截面处理程序MGGC处理得到相关核素的微观、宏观截面,经自编写的处理模块Triso对其进行格式转化、合并,最终得到提供给燃耗计算程序使用的ISOTXS库文件,其中一般核素以微观截面的形式表示,裂变产物以类似宏观截面的伪裂变产物形式表示。对铅冷快堆基准题900 MW RBEC-M进行了计算,采用REBUS-3进行燃耗计算,对比了结果中的有效增殖系数k_eff随燃耗的变化趋势、功率分布以及中子能谱,最终结果与参考报告较为符合,初步验证了这一系列燃耗库制作流程的可行性。      

实验快堆自然循环模拟实验装置的模拟原理及其参数计算

研究了池式快堆自然循环模拟实验的模拟准则，根据模拟准则和自然循环守衡方程式，对池式实验快堆自然循环模拟实验装置，在各种模拟准则条件下的几何与热工设计参数进行了计算。研究了模型比例，事故冷却器一次侧进出口温差和阻力系数等对相似准则数的影响，并且确定了模拟实验装置的设计参数范围，从理论上解决了池式实验快堆自然循环模拟实验装置的模拟问题。     

基于CFD的铅基快堆单盒燃料组件堵流事故分析

铅基快堆在运行过程中产生的腐蚀产物有可能会在堆内沉积,导致堵流事故的发生。基于计算流体力学（CFD）软件 Ansys Fluent 分析了不同堵块面积、堵块厚度、堵块类型以及堵块位置对堵流事故中传热以及流场性质的影响规律。结果显示,堵块面积的增加会增加回流区域面积,使得温度回落更慢,传热恶化显著;堵块厚度的增加将导致冷却剂和包壳最高温度上升,极易导致包壳损坏;多孔介质堵块内冷却剂以较低流速通过,缓解了堵块造成的影响,其危害小于实心堵块;堵流发生在组件活性区中部与发生在活性区出、入口相比所造成的局部温升更加明显,危害更大。      

矩形回路铅铋自然循环稳定性研究

为了对矩形回路铅铋自然循环流动稳定性进行分析,得到影响自然循环流动的因素及其作用规律,采用时域法,开发一维系统程序FRTAC对铅铋自然循环进行数值计算,分析处理动态时序判定其稳定特性,获得了铅铋自然循环在相关工况条件下的稳定域与稳定性边界、铅铋自然循环回路的流动稳定性特性,以及影响因素与规律。研究表明,增大回路加热段长度会使系统的稳定性增强,而增大流道直径以及冷热段心位差均会使系统稳定性裕量降低,稳定性减弱。     

基于OpenFOAM的铅基快堆流体通道内两相流研究

为研究铅基快堆中铅/铅铋的特殊热物性导致的在两相流情况下的热工水力特性,模拟流体通道中空泡存在对堆芯的输热能力以及安全性的影响,本文采用开源的CFD计算软件OpenFOAM,应用基于VOF方法的数值模拟,构建了铅基快堆中常见的三角形通道模型,通过与子通道程序的验证和单相条件下实验的校核,检验了所用代码的准确性,并对堆内冷却剂通道的两相流进行了模拟。模拟结果表明：随着两相流流速的增大,冷却剂出口温度降低。气液两相流在内通道流动过程中,气相基本在通道内部流动。随着轴向高度的升高,气泡会在内通道的中心区域聚合;燃料组件的角通道是气泡含量多的区域,会造成局部传热恶化,导致组件烧毁。     

铅基快堆氧化物燃料性能分析程序FUTURE开发与初步验证

为了对铅基快堆氧化物燃料元件稳态工况下的服役性能和行为演化进行模拟计算,本文基于串行的半隐式耦合求解方法开发了铅基快堆氧化物燃料性能分析程序FUTURE。程序采用两步分析法实现了铅基快堆氧化物燃料棒全域热力分析与局部行为模型的多物理场耦合计算。通过各计算模块与模型算例、基准公式和现有程序的对比分析,对FUTURE程序进行了各分离效应的初步验证。结果表明,FUTURE程序能准确模拟铅基快堆稳态工况条件下氧化物燃料元件内部的温度演化、结构变形、应力分布和相互作用,并实现对燃料重构、氧和钚元素的迁移、裂变气体释放和服役期内液态铅铋腐蚀等内容的计算模拟。     

铅基快堆氧化物燃料性能分析程序FUTURE开发与初步验证

为了对铅基快堆氧化物燃料元件稳态工况下的服役性能和行为演化进行模拟计算,本文基于串行的半隐式耦合求解方法开发了铅基快堆氧化物燃料性能分析程序FUTURE。程序采用两步分析法实现了铅基快堆氧化物燃料棒全域热力分析与局部行为模型的多物理场耦合计算。通过各计算模块与模型算例、基准公式和现有程序的对比分析,对FUTURE程序进行了各分离效应的初步验证。结果表明,FUTURE程序能准确模拟铅基快堆稳态工况条件下氧化物燃料元件内部的温度演化、结构变形、应力分布和相互作用,并实现对燃料重构、氧和钚元素的迁移、裂变气体释放和服役期内液态铅铋腐蚀等内容的计算模拟。