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[学位]

池式钠冷快堆瞬态热工水力特性及安全分析研究

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Author:

岳倪娜 (岳倪娜.)

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Abstract:

钠冷快堆是第四代先进反应堆中技术最成熟、运行经验最丰富的堆型,具有闭式燃料循环和嬗变长寿命放射性废料的优势,因而在核能可持续发展战略中占有重要地位。目前国内正大力推动钠冷示范快堆的设计和建造,而有关钠冷快堆瞬态热工水力特性及安全分析相关工作还不够成熟,开展相关研究工作不仅对中国示范快堆的设计和安全评审有重要的参考价值,同时对提升我国在先进核能领域的国际地位具有重要意义。
本文根据钠冷快堆结构和运行特点,建立了一套合理的数学物理模型,包括堆芯热工水力模型、堆芯功率模型、盒间流模型、主泵模型、非能动事故余热排出系统模型、蒸汽发生器模型、中间热交换器模型、冷热钠池模型、管道模型、管网模型以及辅助模型等。上述模型可以准确的模拟堆芯功率和流量的径向不均匀性和堆芯轴向的不同结构,考虑多种反应性反馈,有效的模拟事故瞬态工况下自然循环期间钠池的分层现象和复杂的盒间流动和换热。基于以上模型利用Fortran语言开发了钠冷快堆热工水力瞬态分析程序THACS,其中一维部分采用Gear算法,二维部分采用SIMPLE算法,以显式双向方法进行耦合。THACS程序采用面向对象的模块化设计,通用性强便于拓展。
通过EBR-II失流事故基准题和Phenix自然循环实验基准题对THACS程序进行验证。利用THACS程序对EBR-II的有保护失流事故SHRT-17和无保护失流事故SHRT-45R进行模拟计算。对比实验结果显示,THACS程序能够很好的预测强迫循环和自然循环工况下主回路系统的热工水力特性,从而验证了程序中物理和热工水力模型的正确性。利用THACS程序对Phenix的失热阱失流叠加事故进行了模拟计算,进一步验证了THACS程序的可靠性和灵活性,同时表明THACS程序适用于不同结构的钠冷快堆。此外,本文开展了盒间流的验证工作,对比了有、无盒间流模型的THACS程序对EBR-II和Phenix基准题的模拟结果,验证了盒间流模型的合理性;对比结果显示盒间流对堆芯内温度分布和峰值温度均有很大影响,在低流量工况下盒间流可以有效展平堆芯的温度,降低堆芯峰值温度。
利用自主开发的THACS程序对钠冷示范快堆(DSFR)的热工水力和安全特性进行了研究,对钠冷快堆中较具代表性的六种事故进行计算分析,包括有保护反应性引入事故、有保护失热阱事故、有保护失流事故、无保护超功率事故、无保护失热阱事故和无保护失流事故。计算结果表明,有保护瞬态事故发生后DSFR可以安全停堆,冷却剂、包壳和燃料温度均在安全限值以下。此外,开展了钠冷快堆事故余热排出系统方案研究,对全厂断电事故下三种事故余热排出方案进行模拟计算,其中三种方案分别为贯穿式独立余热排出系统、非贯穿式独立余热排出系统和主回路余热排出系统。结果表明,三种方案均能有效地导出堆芯余热,对于大型钠冷快堆,贯穿式独立余热排出系统方案和主回路余热排出系统方案的性能更好,主要原因是来自独立热交换器(DHX)或中间热交换器(IHX)的冷钠可以直接进入组件内部,对堆芯的冷却效果更好。对于无保护超功率事故,当价值最大的调节棒失控抽出时,DSFR可以依靠自身的负反馈效应在新的功率水平下稳定运行,冷却剂、包壳和燃料的最高温度均在安全限值以下;反应性引入敏感性分析表明,当11s内引入的反应性超过620 pcm时,燃料最高温度将会达到熔化温度。无保护停堆失热阱事故发生后,DSFR可以通过自身的负反馈效应停堆,堆芯余热依然可以通过非能动事故余热排出系统有效导出,堆芯处于安全状态。无保护失流事故发生后,由于堆芯功率流量失配,堆芯温度迅速升高,在12 s时包壳温度达到安全限值,在20 s时堆芯冷却剂开始沸腾,堆芯具有熔化的风险;同时计算结果表明,在满足单一故障准则条件下,在DSFR中设置三盒总价值为-1.4% ΔK/K的非能动停堆棒可以在无保护失流事故发生后有效防止堆芯熔化,保证堆芯安全。
本文研究成果可为池式钠冷快堆的设计研发和安全评审提供研究工具和技术支持。

Keyword:

程序开发 盒间流 钠冷快堆 事故分析 中国示范快堆

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  • [ 1 ] 西安交通大学能源与动力工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 秋穗正

Year: 2016

Language: Chinese

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30 Days PV: 60

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