高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器热工水力特性研究

高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器结构复杂,运行工况严苛,为实现对高温气冷堆蒸汽发生器运行特性的快速预测,获得其正常运行及典型瞬态工况下的热工水力特性,本文建立了一套完善准确的螺旋管蒸汽发生器管壳两侧流动换热模型,开发了适用范围较广的蒸汽发生器系统热工水力分析程序STAGS;基于THTR-300反应堆蒸汽发生器验证了STAGS程序准确性和可靠性;以球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)为对象,开展了螺旋管蒸汽发生器满负荷工况下系统运行特性分析,获得了关键热工水力参数沿螺旋管分布以及管壳侧流体流量对蒸汽发生器运行影响规律,进而研究了管壳侧入口参数受扰动时蒸汽发生器关键热工参数响应特性。结果表明：管侧换热系数最大值受管侧流体流量影响较大,管侧流量增加10%时,管侧对流换热系数最大值增加约5 149.3 W/(m²·K);壳侧入口氦气热工水力参数的变化对蒸汽发生器的换热功率影响较为剧烈,壳侧流量突降10%以及入口温度突增20 K时分别导致蒸汽发生器换热功率降低968 kW和上升664 kW。     

螺旋管蒸汽发生器三维热工水力程序HeTAF开发

针对核动力系统螺旋管蒸汽发生器,本文采用多孔介质方法对具有复杂换热组件区域多层螺旋套管结构进行简化,构建了壳侧工质流动换热特性数学物理模型,并基于均相流假设建立了管侧水-水蒸气两相流动沸腾换热特性分析模型,采用网格-节点映射方法实现了管壳两侧耦合传热计算,基于开源OpenFOAM平台开发了适用于螺旋管蒸汽发生器的三维全尺寸热工水力特性分析程序HeTAF。基于螺旋管两相流动沸腾换热实验开展了模型验证,并以高温气冷堆示范工程中螺旋管直流式蒸汽发生器为分析对象开展了单换热组件模拟,获得的氦气和蒸汽出口温度计算结果与设计值符合较好,表明HeTAF能有效预测换热组件内管壳两侧流动换热特性。本文的研究对螺旋管蒸汽发生器的设计和安全分析具有参考意义。     

高温气冷堆启动过程的模拟与分析

本文利用工程模拟机可实时计算、多系统耦合求解的技术优势,对球床模块式高温气冷堆核电站(HTR-PM)的启动过程进行模拟。分析并掌握了HTR-PM主要运行参数的变化规律和调节手段,研究了模块式高温气冷堆在启动过程中的运行特性,特别是不同模块间所体现出的耦合效应对整个系统运行特性的影响,为电厂运行方式的确定和具体运行规程的制定提供了重要参考。     

高温气冷堆螺旋管式直流蒸汽发生器热工水力学

高温气冷堆蒸汽发生器具有一次侧氦气工质、二次侧直流、螺旋管结构、工作温度高等特点,其热工水力特性与传统压水堆自然循环蒸汽发生器存在很大区别。针对高温气冷堆蒸汽发生器的特点,对其基础热工水力及特有热工水力学问题进行了阐述,主要包括螺旋管内单相及两相流阻及换热计算、横掠螺旋管束流阻及换热计算、温度均匀性及两相流不稳定性等。同时介绍了清华大学核能与新能源技术研究院针对高温气冷堆蒸汽发生器热工设计、温度均匀性及两相流不稳定性等热工水力学问题所开发的一维稳态程序、一维瞬态程序、二维分析程序和方法,并对分析结果和结论进行了讨论。相关研究方法、程序和结论对其他相似参数螺旋管和直管式直流蒸汽发生器具有参考和借鉴意义。     

高温气冷堆螺旋管式直流蒸汽发生器热工水力学

高温气冷堆蒸汽发生器具有一次侧氦气工质、二次侧直流、螺旋管结构、工作温度高等特点,其热工水力特性与传统压水堆自然循环蒸汽发生器存在很大区别。针对高温气冷堆蒸汽发生器的特点,对其基础热工水力及特有热工水力学问题进行了阐述,主要包括螺旋管内单相及两相流阻及换热计算、横掠螺旋管束流阻及换热计算、温度均匀性及两相流不稳定性等。同时介绍了清华大学核能与新能源技术研究院针对高温气冷堆蒸汽发生器热工设计、温度均匀性及两相流不稳定性等热工水力学问题所开发的一维稳态程序、一维瞬态程序、二维分析程序和方法,并对分析结果和结论进行了讨论。相关研究方法、程序和结论对其他相似参数螺旋管和直管式直流蒸汽发生器具有参考和借鉴意义。     

基于THERMIX/BLAST和vPower平台的HTR-PM工程模拟机开发

模块式高温气冷堆示范电站（HTR-PM）在山东荣成石岛湾开始兴建,本文通过将THERMIX/BLAST程序嵌入至vPower仿真平台,开发了HTR-PM工程模拟机。其中两个嵌入vPower仿真平台的THERMIX/BLAST程序模块分别模拟2个由堆芯、一回路和蒸汽发生器组成的蒸汽供应系统模块,与利用vPower仿真平台建立的汽轮发电机系统模块相连接,在平台上实现了数据的管理及人机界面。该工程模拟机可用于模拟和分析HTR-PM的稳态工况、瞬态事故工况。     

HTR-PM蒸汽发生器二次侧吹扫技术研究

基于国内高温气冷堆示范工程(HTR-PM)蒸汽发生器(SG)二次侧的清洁问题,提出压缩空气吹扫技术。通过对SG二次侧螺旋管汽-液两相和单向流特性的分析,得到吹管系数的计算方法。根据HTR-PM机组的设计参数进行实例计算,得出压缩空气吹扫可行性方案。     

高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器流量漂移不稳定性研究

建立与氦气对流换热的并联螺旋管蒸汽发生器数值模型,分别采用一维飘移流模型和一维可压缩流动模型描述水侧和氦气侧的流动。在此基础上研究了球床模块式高温气冷堆核电站螺旋管蒸汽发生器内的流量漂移不稳定性。动态计算结果表明,在一定条件下蒸汽发生器内有可能发生流量漂移,不同传热管流量可相差几倍,而出口温度则相差几百度。通过对质量流速-压降曲线的分析,发现热负荷对稳定性起主导作用,热负荷越大越易发生流量漂移,且边界质量流量随热负荷呈线性增长。增大入口节流阻力和过冷度可以在一定程度上避免流量飘移。最后给出了蒸汽发生器流量飘移的稳定边界。     

基于流动与传热网络的HTR-PM堆内热工水力模拟

球床模块式高温气冷堆核电站（HTR-PM）全尺寸模拟机的开发是示范工程的重要组成部分,HTR-PM堆内热工水力过程的模拟是模拟机开发的关键技术之一。本文针对堆内热工水力过程的模拟进行了研究,根据堆内几何结构和热工水力过程的特点,采用组件搭建的方式建立了HTR-PM堆内流动与传热过程的计算模型,基于所建立的流动与传热网络模拟方法,编制了相应的模拟计算程序,实现了HTR-PM堆内热工水力过程的模拟,给出了反应堆50%FP、100%FP稳态工况、控制棒误提升事故工况的模拟结果,通过与设计分析程序THERMIX的比较进行了验证。对比结果表明,模拟方法和基于流动与传热网络的计算模型能够满足模拟机的开发要求,反映了堆内热工水力过程的特点。     

高温气冷堆蒸汽发生器卸压过程模拟和分析

当高温气冷堆发生假想事故导致停堆后,堆芯热量将通过冷却系统载出。由于系统设计和蒸汽发生器系统材料等要求,需在冷却水注入前将蒸汽发生器二次侧卸压。本文选用清华大学核能与新能源技术研究院设计的200 MW高温气冷示范堆(HTR-PM),利用热工水力瞬态分析系统程序对其蒸汽发生器二回路系统进行建模,并针对事故后蒸汽发生器不同卸压阀门设计下的热工瞬态过程进行数值模拟,计算和分析了蒸汽发生器换热管等部件在瞬态过程中的温度变化,为相关系统的应力分析和设计提供参考。     

基于THERMIX/BLAST和vPower平台的HTR-PM启停堆过程仿真分析

将THERMIX/BLAST程序嵌入至vPower仿真平台,开发球床模块式高温气冷堆示范电厂(HTR-PM)工程模拟机。在该工程模拟机上进行双堆冷启动过程和双堆正常冷停堆过程的模拟仿真,分析2种工况中反应堆功率、氦气流量、蒸汽发生器出入口参数及汽轮机入口蒸汽参数等关键参数的变化趋势,总结双堆冷启动过程和双堆正常冷停堆过程的运行特点。结果表明,2个反应堆在运行过程中互相影响,二回路参数变化是2个反应堆耦合的结果。     

Current status and technical description of Chinese 2 × 250 MWth HTR-PM demonstration plant

After the nuclear accidents of Three Mile Island and Chernobyl the world nuclear community made great efforts to increase research on nuclear reactors and to develop advanced nuclear power plants with much improved safety features. Following the successful construction and a most gratifying operation of the 10 MW_th high-temperature gas-cooled test reactor (HTR-10), the Institute of Nuclear and New Energy Technology (INET) of Tsinghua University has developed and designed an HTR demonstration plant, called the HTR-PM (high-temperature-reactor pebble-bed module). The design, having jointly been carried out with industry partners from China and in collaboration of experts worldwide, closely follows the design principles of the HTR-10.Due to intensive engineering and R&D efforts since 2001, the basic design of the HTR-PM has been finished while all main technical features have been fixed. A Preliminary Safety Analysis Report (PSAR) has been compiled.The HTR-PM plant will consist of two nuclear steam supply system (NSSS), so called modules, each one comprising of a single zone 250 MW_th pebble-bed modular reactor and a steam generator. The two NSSS modules feed one steam turbine and generate an electric power of 210 MW.A pilot fuel production line will be built to fabricate 300,000 pebble fuel elements per year. This line is closely based on the technology of the HTR-10 fuel production line.The main goals of the project are two-fold. Firstly, the economic competitiveness of commercial HTR-PM plants shall be demonstrated. Secondly, it shall be shown that HTR-PM plants do not need accident management procedures and will not require any need for offsite emergency measures.According to the current schedule of the project the completion date of the demonstration plant will be around 2013. The reactor site has been evaluated and approved; the procurement of long-lead components has already been started.After the successful operation of the demonstration plant, commercial HTR-PM plants are expected to be built at the same site. These plants will comprise many NSSS modules and, correspondingly, a larger turbine.     

模块式高温气冷堆核电站的运行特性研究

球床模块式高温气冷堆核电站(HTR-PM)由于具有多个模块，运行特性比单堆电站更复杂。利用集总参数方法建立了HTR-PM的动态模型，并利用该模型对电站的运行过程进行了仿真。升功率运行的仿真结果表明，蒸汽温度严重偏离了正常允许值。设计了1个基于蒸汽温度的简单控制器，仿真结果表明，该控制器能很好地对电站进行运行控制，结果令人满意。     

钠冷快堆丧失蒸汽发生器模块后的最佳工况研究

钠冷快堆通过采用模块式蒸汽发生器的设计方案以提高核电厂的负荷因子。核电厂运行中若发生丧失蒸汽发生器模块事件,核电厂工况将发生变化,应进行适当的调节,调节的目标工况可通过设计与研究给出。本工作对某典型池式钠冷快堆丧失1个蒸汽发生器模块后的最佳工况进行研究,主要研究内容包括对其主热传输系统进行建模,开展主热参数匹配计算,根据相关运行限值来筛选方案并分析关键参数,最终给出较为合适的运行工况。本工作为钠冷快堆在丧失蒸汽发生器模块后的工况设计提供了重要依据。     

超临界水在垂直管内换热及流动不稳定性研究

清华大学核能与新能源技术研究院在建的250 MWt高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)中蒸汽发生器二回路为亚临界水,由于反应堆能提供750℃的高温氦气,二回路水可提高到超临界压力和温度,采用多堆带一机方案可与超临界蒸汽透平机组匹配,因此研究超临界水在管内的流动、传热以及流动不稳定现象非常重要。本文通过使用RNGk-ε模型耦合强化壁面函数,发现模拟结果与Yamagata等的实验数据符合较好。基于此模型,分析了超临界流体流动时换热系数的变化规律,并采用瞬态计算方法,线性增大加热功率,分析了流动不稳定现象,发现流体一旦进入不稳定区,进出口流量的波动非常严重,甚至出现倒流,应尽可能避免此类现象。     

基于微机系统的高温气冷堆工程仿真机

基于微机系统的高温气冷堆工程仿真机（HTRSIMU）由清华大学核能技术设计研究院开发完成HTRSIMU运行于Windows98或Windows2000平台上,采用多进程、多显示器结构,具有人机界面友好、结构紧凑、操作方便、易于扩展等特点。它的模型包括10MW高温气冷堆（HTR－10）的一、二回路主要部件,能够对反应堆堆芯、主回路系统和蒸汽发生器等部件做详细的物理和热工分析计算,可以模拟正常运行和各种事故工况过程,仿真结果和蒸汽发生器等部件做详细的物理和热工分析计算,可以模拟正常运行和各种事故工况过程,仿真结果与HTR－10的设计值和安全分析报告符合得很好。利用HTRSIMU系统不仅可以进行高温气冷堆的工程设计、安全分析和人员培训,而且将来可以对HTR－10主控室的操作人员进行现场支持,给实际运行和各项研究提供帮助。     

基于CFD方法的核动力系统热工安全特性研究进展

西安交通大学核反应堆热工水力团队（XJTU-NuTheL）长期致力于计算流体动力学（CFD）方法的核动力系统高精度热工水力模型开发及应用方面的研究。近些年,团队在单相CFD工程应用、两相CFD模型开发、大涡模拟（LES）及直接数值模拟（DNS）高性能并行计算、跨尺度多物理场耦合等方面取得了系列研究成果。主要包括：构建了核反应堆压力容器、蒸汽发生器、非能动余热排出系统换热器等核动力系统关键设备的三维多孔介质热工水力计算模型,建立了复杂物理现象及运动瞬变工况下的两相CFD数学物理模型,开发了CFD程序与核反应堆系统程序、堆芯子通道程序之间的跨尺度耦合以及与中子物理、力学程序之间的多物理场耦合分析平台。本文将重点阐述XJTU-NuTheL基于CFD方法在核反应堆热工水力研究方面的最新成果及进展,并提出CFD方法在核反应堆工程领域应用的主要挑战及发展方向,旨在促进CFD方法更好地服务于核动力系统设计与运行安全分析。     

HTR-PM二回路图形建模与仿真研究

介绍了在vPower仿真平台上嵌入THERMIX代码来研究紧凑型高温气冷堆仿真机的方法。根据模块式高温气冷堆示范电厂二回路系统的特点和结构,利用vPower仿真平台建立二回路各个系统的组态模型并进行稳态和瞬态仿真结果分析。结果表明,稳态值与设计值的误差均在2%范围内;额定工况下,主调节阀关小和给水流量减少2个典型瞬态响应过程曲线趋势合理,动态响应各项指标及最终稳定值满足要求;循环水泵关闭导致凝汽器循环水中断的事故情况下,因凝汽器真空过低调节主蒸汽阀门迅速关闭,主蒸汽流量减小同时汽轮机跳闸。