HTS熔盐高温试验回路电磁感应加热的球床内热源数值分析与验证

HTS(Heat Transfer Salt)熔盐高温试验回路中球床传热实验装置旨在研究熔盐与燃料球的传热特性，其中的石墨球床区域采用中频感应加热提供内部热源，模拟燃料球在堆芯内的释热。为了得到更好的加热效果，采用有限元方法对实验装置的电磁感应加热进行了数值模拟，通过分析实验装置不同石墨球数量和线圈参数情况下涡流功率的分布，得到不同设计参数对电磁感应加热性能的影响规律，并与实验结果进行了对比。模拟结果表明，线圈边缘附近的石墨球涡流功率明显偏小，加热器感应线圈导线截面积为40 mm2、绕制匝数为31匝时加热效果可以满足实验需求，当前实验金属密封结构与线圈的距离较近容易产生涡流功率，造成功率损失。与实验数据对比分析表明，在考虑实验中装置漏热的情况下，数值模拟能够较好地预测实验工况内的结果，并对当前实验装置的优化提出了意见。研究结果为使用电磁感应加热相关的实验研究提供了设计参考。     

基于球床密实实验装置的熔盐堆分流板设计

在熔盐球床堆设计中,为实现堆芯内部燃料球堆积结构的稳定性,需保证堆芯内部的流场均匀分布。研究基于模拟熔盐球床堆堆芯水力特性的球床密实实验装置(Pebble bed dense experiment facility,PBDE),通过设计不同形状和不同孔道分布的分流板,运用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法使用FLUENT软件对其堆芯内部的流场分布进行数值模拟,目的是保证实验中堆芯的流场分布均匀稳定。模拟结果表明,平板形分流板较锥形分流板能更好地使堆芯内流场均匀分布;且增加分流板的孔道数目或减小孔径能使堆芯内部的流场更加均匀稳定;比较设计的6种分流板模拟结果,最终给出满足PBDE堆芯流场均匀分布的分流板,为PBDE实验提供了基础,也为熔盐球床堆的堆芯流量分配设计提供技术方案与选型参考。     

球床高温气冷堆使用可燃毒物的方案探讨

为改善球床高温气冷堆在特定情况下功率分布的形状和峰值,可在燃料球内添加可燃毒物。本文分析两种可燃毒物的添加方式,燃料球石墨基体均匀添加可燃毒物和燃料球内添加可燃毒物颗粒。由于¹⁰B的强吸收性能,均匀添加可燃毒物的消耗速度过快,不易控制,而通过添加不同尺寸的可燃毒物颗粒可优化燃耗速度,有效改善堆芯功率分布的形状和峰值。     

TMSR-SF球床随机堆积结构的离散元模拟

中国科学院上海应用物理研究所设计的10 MW固态燃料钍基熔盐实验堆(Thorium-based Molten Salt experimental Reactor with Solid Fuel,TMSR-SF)是一种球床型氟盐冷却高温堆,其三维球床随机堆积结构对于堆芯反应性变化和换料分区方案以及热工水力分析中的流动传热都具有重要的影响。为了研究TMSR-SF堆芯球床随机堆积规律,基于PFC3D(Particle Flow Code 3 Dimensional)程序,分别计算并分析了填充颗粒球大小、颗粒间摩擦系数以及填充颗粒球数对球床稳态堆积结构的影响。结果表明:填充直径小的颗粒球,可使球床孔隙率振荡减弱,有利于堆芯功率密度分布的展平;通过减小颗粒间摩擦系数能较好地模拟振动压实效果,压实过程中颗粒间摩擦系数与稳态堆积球床孔隙率和配位数满足负指数关系。当填充颗粒球数超过约8 000个后,球床平均孔隙率和配位数变化趋于恒定,分别稳定在0.43和5.6左右;此时颗粒球数量对球床稳态堆积结构的影响降至最低,可被用来代替满装堆时的球床用于TMSR-SF自然循环的热工水力数值分析,达到节省计算资源的目的。本研究对理解TMSR-SF堆芯球床结构特性与堆积规律具有参考价值。     

基于折射率匹配方法的球床三维重构

固态钍基熔盐堆(Thorium-based Molten Salt Reactor with Solid Fuel,TMSR-SF)是第四代核反应堆堆型之一,它融合了高温气冷堆的石墨基质包覆颗粒燃料球技术和熔盐堆的高温熔盐冷却剂技术。堆芯的物理设计和几何设计依赖于燃料球在堆芯中的堆积因子,为研究球床堆堆芯模型内燃料球的堆积三维结构,本文提出基于折射率匹配的方法对球床进行三维重构的方案,并通过初步的模拟实验对程序进行验证,旨在探索该方法在球床三维重构中的可行性。针对三维重构中的一系列关键问题进行阐释,并提出相应的解决方案;同时给出了三维重构方案的完整流程,并计算出了衡量三维重构精确度的度量值:直径重叠量。最后,搭建了一个小型规则排布的球床实验装置,通过折射率匹配技术开展球床可视化实验以探索该方案在球床三维重构中的精确度,并说明该方法的可行性。试验结果表明,颗粒间平均重叠量为1.43 mm,重构精度有待提高,重构方法有待改进。     

球床先进高温堆堆芯设计研究

研究发现,排空熔盐、向冷却剂中注入毒物均可作为球床先进高温堆第二套停堆系统的辅助系统,但相比向堆芯注入毒物熔盐,排空熔盐对堆芯影响更小,更利于工程实现;相比一次装料方案,分批次燃料装载方案可保证寿期内堆芯剩余反应性较小,易控制,但使得堆芯运行也较复杂;一次装料方案中,要使第二套停堆系统具有足够的快速停堆裕量,不能通过减小堆芯活性区装料高度实现,但可以通过增加第二套停堆系统控制棒的根数实现。本文提出了球床先进高温堆优选堆芯设计方案,该方案使球床先进高温堆的燃耗寿期可达100等效满功率天,第一套停堆系统、第二套停堆系统的冷停堆深度均满足设计要求。     

先进的规则床模块式高温气冷堆概念

规则床模块堆是燃料球呈规则堆积的一种先进的模块式高温气冷堆设计。燃料球在平面上成正方形排列,四个球的中心是次一层球的位置,形成正四棱锥堆积。当燃料球落入被做成一定几何形状的堆芯空腔时,就自动形成规则堆积。燃料球可以从反应堆顶部装入和卸出,能够在较短的停堆时间内完成换料操作。规则床堆芯是一种密实体,具有很强的结构适应性和稳定性。在模块化设计中,保持非能动冷却和限制最高燃料温度的条件下,它能够提高输出功率和降低堆芯压降,同时还兼有球形燃料堆和柱状燃料堆的主要优点。本文介绍规则堆积床特性和预测规则床模块堆的设计性能。     

熔盐球床堆堆芯入口热工水力特性数值分析

堆芯入口流场设计是小型固态燃料熔盐堆系统项目内容之一,它对反应堆结构的稳定性、堆芯温度和流场分布有着非常重要的影响。研究了熔盐流道流通面积变化对堆芯入口温度、流场分布及压降的影响,优化熔盐流道几何结构。以小型熔盐球床堆模型为研究对象,取符合实际边界条件的输入参数,通过改变熔盐流道流通面积,使用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)通用程序Fluent 16.0对堆芯入口内熔盐的热工水力特性进行数值模拟。在考虑实际下反射层流道的流通面积占比最大为18.14%下,研究了熔盐流道流通面积占比在区间[0,15.00%]变化。结果表明,堆芯活性区熔盐最高局部热点温度随熔盐流道流通面积比的增大而增高;堆芯入口内的压降随下反射层熔盐流道流通面积比的减小而增大;在径向方向上流进孔道的熔盐流速随着孔道远离堆芯位置而增大。本研究可为小型固态燃料球床熔盐堆优化设计提供一定的参考价值。     

球床结构对PB-FHR中子物理特性的影响研究

氟盐冷却高温球床堆（PB-FHR）中燃料球的装卸依靠浮力完成。球床结构受堆芯几何、装卸料速度、熔盐密度、熔盐流动等诸多因素的影响，其不确定性是反应堆物理设计和安全分析中重点考虑的内容。参考装卸料实验台架（PRED）的实验结果，采用蒙特卡罗程序（MCNP）完成了固态燃料钍基熔盐实验堆（TMSR-SF1）球床堆积密度、球床底部形状、冷却剂泄漏导致的液位下降等因素对中子物理关键参数的影响分析。结果表明，堆积密度的增加（50%~64%）导致燃料球装载量的增加、有效增殖因数的增加、温度系数的增加和控制棒价值的减小；相对于平坦型球床底部结构，外锥型结构会随着锥角的增加导致反应性先增加后减小，内锥型和斜面型结构则会引入负反应性；冷却剂泄漏事故引起的堆芯冷却剂液位大幅降低会导致堆积密实并引入负反应性。      

圆柱容器内生成单粒径颗粒堆积的两阶段重力落球算法

球床型氟盐冷却高温堆(Pebble-bed Fluoride-salt-cooled High-temperature Reactor,PB-FHR)是下一代核反应堆堆型之一,它融合了高温气冷堆的石墨基质包覆颗粒燃料球技术和熔盐堆的高温熔盐冷却剂技术。堆芯热工水力模拟计算(如在线换料模拟)常需要首先得到不同孔隙率的随机燃料球堆积。为此提出了一种可以高效地在圆柱形容器内部随机生成单一粒径且不同密实度的颗粒堆积的算法。算法分为两个阶段:首先类似传统颗粒自由下落方法来生成柔性颗粒的初始堆积(取颗粒杨氏模量远小于实际值);其次令初始堆积恢复刚性,通过限定时间步的大小和引入能量耗散机制使得堆积缓慢而自由地膨胀,从而逐渐消除初始堆积中的颗粒间重合。模拟结果表明,膨胀算法在计算效率上有较大优势,并且可以覆盖从松散到密实的堆积范围。通过控制自由下落阶段的杨氏模量、摩擦系数、缓慢膨胀阶段的摩擦系数这三个变量来控制堆积的孔隙率和计算效率。     

熔盐冷却球床堆热通道热工水力特性数值分析

基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)通用计算程序Fluent,研究了模块化熔盐冷却球床堆(Pebble Bed Advanced High Temperature Reactor,PB-AHTR)中心热通道稳态热工水力行为。利用已开发的多孔介质流固两相局域非热平衡模型计算了球床堆中的压降、冷却剂的温场分布以及固相球床的温场分布,计算并比较了不同的多孔介质阻力因子(Ergun与KTA)对通道内的冷却剂流动以及温场分布的影响,并对丧失部分冷却剂情况下通道内的冷却剂及燃料温度进行了计算分析。结果表明使用不同的阻力因子对堆芯压降计算结果和流场的分布影响较大;而冷却剂温场及固相球床温场和球心的温度分布在不同的阻力因子下的差别较小,在PB-AHTR的设计参数下堆芯产生的热量能够被有效的输出,设计具有较大的安全裕度。计算结果对于球床堆的优化设计提供了一定的参考价值。     

HTR-10过渡过程的模拟方法

以10MW球床式高温气冷堆(HTR-10)实际运行数据为基础,利用高温气冷堆物理分析程序VSOP,对HTR-10的实际过渡过程进行模拟计算。模拟的思路是精确跟踪堆芯的功率历史和燃料装卸历史;描述不同时刻堆芯内物质组成的空间分布;确定燃料循环的详细模拟方案;根据控制棒位置历史加入适当的等效控制毒物;根据实际的热工水力学初始条件做热工反馈计算。     

球床型氟盐冷却高温堆的初步中子学分析

为分析球床型氟盐冷却高温堆(PB-FHR)堆芯的关键中子学参数,建立了显式随机模型,基于随机填充方法计算了燃料球石墨基质内所有三层各向同性包覆颗粒(TRISO)颗粒的空间坐标,并采用离散元方法计算出堆芯活性区内全部燃料球的空间坐标。最后采用蒙特卡罗程序开展中子输运计算,分析燃料颗粒随机分布对堆芯中子学参数的影响。研究结果表明,TRISO颗粒的随机分布对栅元增殖系数、栅元群截面、活性区燃料球功率的影响较小,本文研究可为简化PB-FHR设计提供理论依据。     

熔盐球床堆径向流堆芯的热工水力分析

核热泉(NHS)堆是一种新型熔盐球床概念设计堆,其冷却剂径向流过堆芯,具有满功率自然循环特性。基于多孔介质局部非热平衡模型,利用计算流体力学(CFD)通用软件Fluent计算核热泉堆径向流堆芯的热工水力特性,并比较了不同的内、外孔板开孔率的影响。结果表明,内孔板开孔率对冷却剂流量分布影响较大;燃料中心温度具有相当的安全裕量,冷却剂横向流过堆芯的阻力远低于浮升力,能够实现全回路的自然循环。     

氟盐冷却球床高温堆燃料管理程序的开发与分析

基于确定论的中子学分析程序在计算氟盐冷却球床高温堆(PB-FHR)时需解决双重非均匀性的燃料球均匀化、燃料球均匀化时出现的泄漏效应及燃料球在堆芯内连续移动与多次通过堆芯的燃料循环模式问题。本文基于DRAGON5与DONJON5程序开发了PB-FHR的燃料管理程序PBMSR,并进行了验证。使用PBMSR对PB-FHR在不同燃料循环模式下进行计算与初步分析,结果显示在多次通过的燃料管理模式下,燃料球的通过次数对最深卸料燃耗影响较小,但对轴向功率分布影响较大。     

固态钍基熔盐堆堆芯物理参数计算

针对中国科学院设计的2 MW固态钍基熔盐堆(TMSR-SF)堆芯,采用蒙特卡罗程序MCNP精确描述堆芯TRISO包覆燃料颗粒、燃料球排布,建立了包含燃料元件、熔盐冷却剂、石墨反射层、中心石墨通道、控制棒及反射层通道的三维全堆芯模型,计算了TMSR-SF初始有效增殖因数、中子能谱、功率分布、控制系统价值、停堆裕量、反应性系数、中子动力学参数等堆芯物理参数,为TMSR-SF的物理优化及热工安全分析提供必要的参数。     

氟盐冷却球床高温堆燃料管理程序的开发与分析

基于确定论的中子学分析程序在计算氟盐冷却球床高温堆（PB-FHR）时需解决双重非均匀性的燃料球均匀化、燃料球均匀化时出现的泄漏效应及燃料球在堆芯内连续移动与多次通过堆芯的燃料循环模式问题。本文基于DRAGON5与DONJON5程序开发了PB-FHR的燃料管理程序PBMSR，并进行了验证。使用PBMSR对PB-FHR在不同燃料循环模式下进行计算与初步分析，结果显示在多次通过的燃料管理模式下，燃料球的通过次数对最深卸料燃耗影响较小，但对轴向功率分布影响较大。     

球床式高温气冷堆球流混流的影响分析

研究球床式高温气冷堆球流存在的混流对堆芯关键参数的影响。开发了能模拟球流混流过程与效果的MFVSOP程序。选择球床模块式高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)平衡堆芯为研究对象,对比分析不同的混流程度对堆芯功率峰值、功率密度等参数的影响及其不确定性。分析发现,混流对球床式高温气冷堆关键参数的不确定性影响不大,多次通过的燃料循环方式可降低不确定性。     

熔盐球床堆堆芯燃料管理优化初步分析

核热泉高温堆是具有满功率自然循环特性的熔盐球床堆,其特有的冷却剂横向流动特性需要基于径向分区换料的燃料循环方案,以及相应的燃料管理优化分析方法。局部搜索算法和模拟退火算法是普遍应用于轻水堆换料优化问题的随机性优化方法。本文应用这两种方法对核热泉高温堆的换料优化问题进行了分析。分析结果表明,相比于局部搜索算法,模拟退火算法能以较高的概率跳出局部最优陷阱,获得全局最优的优化结果,且优化质量独立于初始解的选取。最终的优化结果给出了较好的堆芯功率展平与压制燃料中心温度的效果。针对核热泉高温堆的一维分区换料方式,模拟退火算法是非常合适的优化分析方法。     

HTR—10石墨球与燃料球均匀混合装料初装堆方案研究

分析了球床式高温气冷堆几种可能的初装堆方案的特点，选取石墨球与燃料球均匀混合作为１０ＭＷ高温气冷实验堆的初装堆方案。利用高温气冷堆物理设计程序ＶＳＯＰ进行计算，分析屯ＨＴＲ－１０从初始装料向平衡态过渡过程中的倒换料方式，最大单球功率及最大燃耗变化情况。