非对称条件下铅冷双环路自然循环系统抗扰动能力分析

自然循环铅冷快堆热交换器服役在高温、高压差、高密度和高腐蚀的恶劣环境下,易诱发传热管破裂和堵流事故,导致反应堆非对称热负荷或非对称阻力运行,对反应堆的安全稳定运行具有重要影响。本文以铅冷双环路自然循环系统为研究对象,采用无量纲分析方法,推导双环路系统自然循环流量理论解;分别开展不同负荷差或阻力差下自然循环系统扰动特性分析,采用拟合逼近的方法建立表征自然循环抗扰动能力的特征参数,并获得最佳抗扰动区间。研究结果表明,当系统引入一定的热负荷扰动和阻力扰动后,环路流量变化不大,此时系统抗扰动能力较强。      

小型核动力装置自然循环运行特性分析

本文以小型一体化自然循环反应堆为研究对象,用RELAP5/MOD3.2对反应堆系统、中间回路及二回路系统进行建模,对反应堆单双环路切换及偏环路运行时反应堆的自然循环运行特性进行数值模拟研究。计算结果表明:在反应堆自然循环运行工况下,进行单双环路切换及偏环路运行时,堆芯能重新建立稳定的自然循环。双环路切换至单环路后,堆芯出口温度降低,堆芯自然循环平衡流量降低但仍大于初始值的1/2;单环路切换至双环路运行时,堆芯流量、温度均与双环路稳定工况的一致;偏环路运行时故障环路循环流量降低,正常环路自然循环流量升高,堆芯总流量降低的数值为二者之差。     

倾斜与摇摆条件下一体化反应堆自然循环特性研究

通过建立海洋条件下的附加力模型与控制体空间坐标求解模型,开发了基于RELAP5/MOD3.1程序的海洋条件热工水力分析程序。研究了海洋条件下一体化反应堆IP200的自然循环特性,分析倾斜与摇摆条件对自然循环的影响。计算结果表明:倾斜会降低堆芯流量,导致左右侧环路冷却剂流量不一致,影响直流蒸汽发生器的换热特性;摇摆情形下,环路的附加压降主要由切向力贡献;摇摆轴偏离中心位置以及倾斜和摇摆的叠加运动均会打破环路间的热工水力对称性,增大堆芯流量的波动幅度。     

一体化小型自然循环反应堆流动非对称性机理分析

为研究一体化小型自然循环反应堆稳态条件下的流动非对称性机理,通过总结当前国际自然循环反应堆的主要设计特征,建立了自然循环典型三维分析模型,采用计算流体动力学（CFD）方法对竖直稳态下自然循环进行了数值模拟,并针对不同混流截面的速度和温度分布特性进行了分析。结果表明：较大尺度的自然循环系统在理想竖直稳态自然循环条件下,存在周向的流量和温度分布不均匀性,其中流量分配的不均匀性较温度分布情况更突出。竖直稳态自然循环的主流流量和温度均呈现偏心趋势,属于系统层面的偏差,而不只是局部流动分配不均衡问题。     

自然循环系统流动-阻力特性理论和实验研究

通过实验研究发现,自然循环系统中自然循环流量与加热功率以及自然循环流量和系统总阻力之间分别存在关系:G~Q~m和Δp_t~G~q,分别定义m和q为流量-功率特征数和流动-阻力特征数。考虑自然循环系统局部阻力和沿程阻力的作用,采用拟合逼近的方法求解得到自然循环系统热工参数之间的近似解析关系,与实验结果吻合较好。研究表明,流量-功率特征数m与整个系统流动状态和阻力特性密切相关,是系统雷诺数Re和系统局部阻力系数和沿程阻力系数比值R_n的函数,且m随着R_n的增大逐渐减小。自然循环系统流动-阻力特征数与流量-功率特征数存在关系q=(1-m)/m,并得到实验验证。     

一体化小型自然循环反应堆流动非对称性机理分析

为研究一体化小型自然循环反应堆稳态条件下的流动非对称性机理,通过总结当前国际自然循环反应堆的主要设计特征,建立了自然循环典型三维分析模型,采用计算流体动力学(CFD)方法对竖直稳态下自然循环进行了数值模拟,并针对不同混流截面的速度和温度分布特性进行了分析。结果表明:较大尺度的自然循环系统在理想竖直稳态自然循环条件下,存在周向的流量和温度分布不均匀性,其中流量分配的不均匀性较温度分布情况更突出。竖直稳态自然循环的主流流量和温度均呈现偏心趋势,属于系统层面的偏差,而不只是局部流动分配不均衡问题。     

应用于钠冷快堆的超临界二氧化碳动力转换系统研究

超临界二氧化碳（SCO₂）布雷顿循环由于高效、紧凑和可避免钠水反应等特性而成为钠冷快堆的理想动力转换系统。本文以1 200 MWe大型池式钠冷快堆为系统热源,钠回路温度及热负荷为循环系统运行边界,对比研究了不同SCO₂布雷顿循环系统性能和关键设备性能的变化规律。研究发现,级间冷却再压缩循环与钠冷快堆热源特性匹配性最佳,且循环效率最高（40.7%）。进而研究了不同运行参数对级间冷却再压缩循环效率的影响规律,给出了循环系统效率对各关键影响因素的敏感度,发现循环系统效率对冷端参数的敏感度最强,其次为分流比和透平入口参数,对主压缩机级间压比的敏感度最弱。     

直流蒸汽发生器传热管破裂事故分析

通过对直流蒸汽发生器传热管破裂（SGTR）事故的分析,可看出RELAP5瞬态分析程序能较好地模拟一体化反应堆在SGTR事故后的事件响应序列及主要热工水力现象,例如环路的不对称效应、主回路的自然循环等。一体化反应堆在发生SGTR事故后,可通过一系列安全与保护系统的动作得到有效缓解,并最终能应用非能动余热排出系统（PRHRS）的自然循环导出堆芯余热,使反应堆处于安全状态。同时,受事故影响蒸汽发生器压力在PRHRS投入运行后会快速升高,最终与一回路压力相平衡,此后,破口处的泄漏也会终止。此外,本文还研究了破口处临界流量及其积分流量结果不确定性的影响因素,其中主要考虑了采用不同的临界流模型和破口建模方式等两个方面。     

非对称条件下双环路自然循环稳定性分析

为研究非对称条件下双环路自然循环稳定性的变化,以单环路自然循环载热系统为起点,采用无量纲分析方法,将单环路自然循环的无量纲控制方程组中关于位移项进行傅里叶展开,从而得到表征单环路自然循环载热系统的雅克比（Jacobi）矩阵,并进行验证。在此基础上,构建了双环路Jacobi矩阵分析模型,基于所构建的模型,分别开展不同负荷差和阻力差下双环路自然循环稳定性分析,以及回路几何特征对稳定性边界的影响。结果表明,对于某一双环路系统而言,存在2个临界雷诺数,当左、右环路引入负荷差大于这2个临界雷诺数时,系统将会变得不稳定。增大高径比、减少管道直径、增加加热段长度和减少冷却段长度可以增加回路稳定性区域范围,且反应堆回路稳定性边界对环路高径比、加热段长度较为敏感;此外,在自然循环回路形成的允许范围内,增加环路压降可以提高系统稳定性。      

一体化小型堆主回路自然循环稳态特性实验研究

在模拟一体化小型堆主回路的自然循环试验台架上,进行了小型堆主回路自然循环稳态流动特性的实验研究。结果表明:在输入的外部条件保持一致的情况下,实验本体内的自然循环流动保持了很好的对称性;影响自然循环流量的主要因素是加热功率,入口温度、系统压力等参数的影响较小;提出了一个表征系统自然循环能力的综合特征参数k,可当作指标参数来衡量不同的自然循环回路或不同的运行工况下的自然循环能力,对进一步优化一体化自然循环反应堆的参数设计具有重要指导意义。     

喷射泵对自然循环过渡特性影响分析

分析了喷射泵在压水堆－回路自然循环过渡过程中的作用以及在不同流动条件下的阻力特性。分析结果表明：选择结构合理的喷射泵，可以改善压水堆一回路的过渡特性和自然循环能力；强迫循环条件下；压水堆一回路主循环泵有效压的损失随喷射泵阻力系数的增加而增加；自然循环条件下，喷射泵流动阻力系数影响压水堆一回路过度过程时间及自然循环流量的大小。为了改善压水堆一回路过度特性和提高一回路自然循环能力，可以采用无扩散段形式     

小型自然循环铅冷快堆无保护最热组件局部堵流瞬态分析

铅冷快堆内液态重金属的腐蚀作用严重制约铅冷快堆技术发展。基于程序ATHLET建立100?MW小型模块化自然循环铅冷快堆SNCLFR-100一回路主冷却系统模型，对无保护最热组件局部堵流事故开展瞬态热工安全分析。结果显示，当阻塞率β达到0.6时，最热组件内冷却剂流量将降为额定流量的50%左右，而最热棒包壳最高温度将达到650℃。当β达到0.9时，最热组件内冷却剂流量将降为额定流量的12.6%左右，包壳最高温度将超过包壳材料熔点1400℃，此时最热组件内将出现包壳熔化现象。      

自然循环流动阻力系统特性研究

研究了闭式自然循环实验回路单相流动阻力的系统特性。结果表明：在本文的实验参数范围内，以一维充分发展强迫流动关系式为基础的计算结果与实验结果相比有一定的偏离，这与ＲＦＬＡＰ５／ＭＯＤ２程序对ＬＳＴＦ等装置及ＤｏｅｌＰｌａｎｔ的分析结果基本一致。建立了自然循环流动阻力系统特性的归一化分析数学模型对实验数据进行归一化分析，得到了一组新的自然循环系统等效摩擦阻力系数的经验关系式。本文较大地拓宽了该基础研究领域的实验数据范围，从系统的角度确证了自然循环与强制流动存在的差别并分析其机理成因，结论可供先进反应堆的研究和设计参考。     

超临界水自然循环流量信号降噪分析

当自然循环流量的时间序列信号存在噪声时,在计算分析时可能产生错误结论。为了避免错误的产生,在超临界水自然循环流动实验数据信号的基础上,通过选择各种不同的小波基函数,对实验流量信号进行信号去噪分析。通过指标计算对比分析,结果表明,经Dmey小波基函数变换后的自然循环流量去噪信号值,其标准偏差和均方根误差（RMSE）最小、相关系数最大、信噪比较高。因此,Dmey小波基函数适用于超临界水自然循环流量实验数据的信号降噪分析处理。      

细长自然循环系统流动不稳定性实验研究

以水为工质,在常压下对拥有细长回路和较长水平段的自然循环系统进行可视化实验研究,并以典型的实验现象（ P =1.46 kW）为例分析该系统的瞬态运行特性和不稳定性机理。结果表明：阻力系数较大的细长自然循环回路难以产生有效的单相自然循环,只能通过间歇性沸腾和两相流动将热量导出。这是因当回路阻力较大时,过冷沸腾产生的驱动力无法驱动回路产生有效的自然循环,而只有当加热段内流体发生饱和沸腾时才能驱动系统产生循环流动。较大的回路阻力和沸腾过程中产生的系统降压闪蒸是细长自然循环系统难以维持稳定的流动驱动压头从而产生间歇性沸腾和强烈流动不稳定性的根本原因。     

Natural circulation characteristics of lead-based reactor under long-term decay heat removal

The natural circulation of primary coolant plays an important role in removing the decay heat in Station-Black-out (SBO) accident from reactor core to decay heat removal systems, such as RVACS and PHXS cooling, for lead-based reactor. In order to study the natural circulation characteristics of primary coolant under Reactor Vessel Air Cooling System (RVACS) and primary heat exchangers (PHXs) cooling, which are crucial to the safety of lead-based reactors. A three-dimensional CFD model for the China Lead-based Research Reactor (CLEAR-I) has been built to analyze the thermal-hydraulics characteristics of primary coolant system and the cooling capability of the two systems. The abilities of the two cooling systems with different decay heat powers were discussed as well. The results demonstrated that the decay heat could be removed effectively only relying on either of the two systems. However, RVACS appeared the obvious thermal stratification phenomenon in the cold pool. Besides, with the increase in decay heat power, the natural circulation capacity of primary coolant between the two systems had a significant difference. The PHXs cooling system was stronger than the RVACS, with respect to the mass flow of primary coolant and the average temperature difference between cold pool and hot pool.     

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。