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[学位]

通道式熔盐堆物理热工耦合稳态与瞬态分析研究

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Author:

庄坤 (庄坤.)

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学位论文库

Abstract:

熔盐堆(MSR)是第四代先进核能系统中唯一使用液体燃料的反应堆,一方面,燃料盐既充当燃料又充当冷却剂,裂变产生的能量直接释放在燃料中,另一方面,燃料盐在整个一回路中进行循环流动,这些特性使得熔盐堆成为不同于传统固体燃料反应堆的新型反应堆,给中子学和热工水力学的稳态与瞬态计算带来新的挑战。因此开展熔盐堆物理热工计算方法及稳态与瞬态研究,对于熔盐堆的设计及优化具有重要的学术意义和应用价值。
首先,针对通道式熔盐堆的几何特点和燃料流动特性建立了适用于熔盐堆的中子学模型和多通道热工水力学模型,开展了组件均匀化方法、中子扩散方程计算方法、稳态热工水力计算方法及物理热工耦合方法的研究。具体包括:1)针对熔盐实验堆(MSRE)、液体燃料钍基熔盐堆(TMSR-LF)的几何特点建立合适的组件均匀化模型,发现当分别采用14群和7群少群结构时,堆芯计算误差最小。2)考虑到控制棒存在时熔盐堆的各向异性,推导了准扩散近似方程,发现对于非均匀性较强的情况,准扩散比传统扩散具有更高的计算精度,而两者计算效率相当。3)考虑燃料的流动,建立了合适稳态中子学迭代策略,采用并联通道压降相等进行通道流量分配。4)稳态物理热工耦合采用双向显式耦合,截面反馈采用最小二乘拟合方法,发现当燃料、石墨温度变量采用三阶展开时,拟合截面误差最小。基于上述方法研发了通道式熔盐堆物理热工耦合稳态程序。
其次,研究了熔盐堆瞬态中子扩散计算方法,包括中子动力学计算方法、多通道热工水力瞬态计算方法及耦合方法。其中:1)中子扩散动力学方程组采用预估校正改进准静态方法(PCIQS),避免了幅度函数和形状函数间的非线性迭代,从而提高计算效率。2)燃料盐质量和动量守恒方程采用隐式差分离散,基于相同的压降进行耦合,石墨导热方程采用有效传热系数法求解。3)中子学及热工水力学瞬态采用单向显式耦合,以减少计算量。基于上述理论模型及数值方法,自主开发了通道式熔盐堆物理热工耦合程序MOREL,通过动力学基准题及MSRE零功率实验进行验证,表明该程序能够满足熔盐堆分析的要求。
最后,针对TMSR-LF初步堆芯方案,分别进行了稳态和瞬态分析。稳态计算结果表明:1)燃料盐和石墨温度反应性系数分别为-9.89 pcm·K-1, -7.76 pcm·K-1,TMSR-LF具有固有安全性;2)keff随着流量的增大而减小,零流量与额定流量堆芯反应性相差169 pcm;3)随着外部回路运行时间的增加keff减小,大约在80 s后趋于稳定;4)燃料的流动对衰变常数小的缓发中子先驱核分布影响很大而对中子通量分布几乎没有影响;5)石墨热源和对流换热系数对石墨温度分布影响较大。瞬态计算结果表明,1)零功率下燃料泵起动过程中,堆芯功率随时间震荡降低,停泵瞬态中引入正的反应性,由于温度的负反馈功率先上升后降低;2)在相同反应性引入下,流量越大,TMSR-LF功率变化越剧烈,当引入566.5 pcm正反应性时,零流量下为缓发临界而额定流量下发生了瞬发超临界;3)燃料入口温度过热引入负的反应性,堆芯处于安全状态,零功率下燃料入口温度过冷70 K时,TMSR-LF处于瞬发超临界;4)分析了局部参数变化对TMSR-LF瞬态的影响,结果表明,TMSR-LF表现出良好的安全特性。
总之,本文针对通道式熔盐堆开展了堆芯物理热工稳态和瞬态计算方法的研究,自主开发了熔盐堆物理热工耦合稳态与瞬态分析程序MOREL,并利用相关基准例题对程序进行了验证,在此基础上针对我国提出的TMSR-LF堆芯设计方案,分析了它的稳态与瞬态特性,所得出的结论对于揭示熔盐堆物理热工耦合机理、瞬态安全特性及事故演化规律具有重要的参考价值,所开发的程序也可用于熔盐堆的优化设计和安全分析。

Keyword:

熔盐堆 瞬态 物理热工耦合 预估修正改进准静态 中子扩散 准扩散

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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: 曹良志

Year: 2017

Language: Chinese

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30 Days PV: 30

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