球床式高温气冷堆旁流三维数值模拟

针对球床式高温气冷堆中散体布置的石墨砖等结构带来的旁流问题,数值模拟了高温气冷堆满功率稳态运行时卸料管、控制棒通道及窄缝中的旁流特征。通过结合华能集团自主研发的HN-750型球床式高温气冷堆的结构特点和流道特征,建立了包含窄缝、顶反射层、堆芯球床、底反射层及底部球腔的反应堆三维几何模型和近真实物理数学模型,生成了网格数为2.6亿的混合网格。结果表明,总旁流占总流量比例为29.25%,窄缝旁流占总流量比例为24.43%,并且呈现出回流特性,卸料管旁流占比3.87%,控制棒通道旁流占比0.95%。该研究考虑了非轴对称的进出口结构,是对现有的球床式高温气冷堆二维轴对称模型的补充和提升;该研究针对球床式高温气冷堆的大规模三维数值计算,为球床式高温气冷堆的热工水力优化和安全分析提供了丰富的数据支撑。

三维球床几何稀疏条数长特征线加速方法

特征线法具有非常强的几何适应性,可用于三维球床高温气冷堆全堆芯求解,但存在迭代次数多、计算速度慢的缺点。本文将长特征线加速方法应用于三维球床高温气冷堆以解决非规则几何数值加速的问题,基于三维模型特征线布置较二维模型稠密的分析,提出了稀疏条数长特征线加速方法,极大地减少了加速方程的计算量,在不降低角度离散精度的前提下,获得了非常好的加速效果。通过基准题对加速参数的选取方式进行了研究,条数稀疏度取3~5、长特征线长度取2.0 cm左右、加速迭代步取20~60步可获得良好的加速效果。小型轻水堆三维基准题和球床堆芯简化模型的计算结果表明,采用稀疏条数长特征线加速可获得7倍左右的时间加速比,此时对应的迭代步加速比为20倍左右。

高温球床辐射换热机理研究

以角系数为切入点研究球床辐射换热机理,在球坐标系下推导出2个单位球之间角系数的解析表达式。对于角系数的数值计算,蒙特卡洛法可以达到很高的计算精度,适合用于大规模并行计算。在球床中由于颗粒球之间的相互阻挡,在球心距超过2倍球径时2个球之间的角系数近似衰减为零。利用voronoi单元体对球床进行空间局部划分,在体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和随机堆积中近似认为所有存在辐射关系的颗粒球均在2层Voronoi单元球内,颗粒球数量为60~80个。在可接受的范围内忽略了大量辐射关系极弱的颗粒球,大幅度简化了球床辐射计算模型。

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。

球床式高温气冷堆初次临界物理计算的蒙特卡罗方法模型分析

对HTR-10初次临界的几何模型进行了对比和分析,运用基于蒙特卡罗方法的MCNP4B和TRIPOLI-4.3程序描述了高温气冷堆的包覆燃料颗粒在燃料球内的随机分布以及燃料球和石墨球在堆芯的随机混合分布。应用TRIPOLI-4.3对HTR-10进行了初次临界物理计算,并且与已有的MCNP4B的计算结果进行了比较。结果表明:基于蒙特卡罗方法的MCNP4B和TRIPOLI-4.3程序,采用适当的几何描述方式可以用于球床式高温气冷堆的初次临界堆芯物理计算。

球床高温气冷堆卸料燃耗阈值对平均卸料燃耗的影响

基于蒙特卡罗方法开发了球床高温气冷堆燃料球运行历史模拟程序,分析不同卸料燃耗阈值对平均卸料燃耗、卸料燃耗分布的影响,并分析了不同球流速度模型下的差别。结果表明,卸料燃耗阈值对于平均卸料燃耗、卸料燃耗分布很大程度上受到各流道燃料增量的特性的影响。

高温气冷球床堆有效导热系数模型的改进

有效导热系数是高温气冷球床堆热工设计和安全分析程序中的基本参数,ZBS模型广泛应用于球床结构有效导热系数的预测。本文针对ZBS模型中的关键经验型参数——接触面积系数φ进行了分析,通过对不同堆积结构球床有效导热系数的数值分析,获得了12组接触直径比和配位数及其对应的φ值,然后通过多元线性分析获得φ的计算公式。与德国SANA实验结果进行比较,发现改进后的ZBS模型预测能力优于其他模型。改进后的ZBS模型的计算结果与先前实验测量的球床主体区域的有效导热系数吻合也很好。本文研究结果可为高温气冷球床堆的设计和安全分析提供理论支持。

球床高温气冷堆吸收体价值计算的验证

VSOP程序广泛用于球床高温气冷堆的工程设计。对于被布置在堆芯侧反射层孔道中、用于反应性控制的吸收体,由于物理计算方法的限制,VSOP程序不具备计算其价值的功能,必须借助其他确定论程序进行外部耦合计算,涉及到几何的近似处理、截面的归并和转换,可能引入额外的误差。为此,本文采用蒙特卡罗程序建立了精细的堆芯模型,真实描述了堆芯活性区的球床结构、侧反射层的孔道结构、吸收体的形状和位置,在同样的堆芯状态下,比较了确定论耦合程序和MCNP程序计算得到的吸收体价值。结果表明:确定论耦合程序的计算结果是准确的,从设计角度上是偏保守的。

球床模块式高温气冷堆在线燃耗测量系统准直器性能的Monte-Carlo分析

针对球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)燃耗测量系统的设计特点,利用Monte-Carlo模拟方法,分析球形体源测量中不同形式的限制束流的准直器的性能及其对燃耗测量的影响。结果表明,对HTR-PM在线燃耗测量,选择双锥孔准直器更为适宜。

球床高温气冷堆初装堆芯建立过程模拟

针对球床高温气冷堆HTR-PM的初始临界和启动运行问题,提出了一个初装堆芯建立过程的完整方案,并采用VSOP和蒙卡程序进行了模拟,计算了初装堆建立过程关键时刻的Keff、堆芯临界高度和最大单球功率等物理参数。计算结果表明:在冷态、空气气氛下堆芯达到首次临界时,混合区高度为2. 819 3 m;依靠吸收球分组下落,可以将混合区装载到设定值7. 7 m;在进行气氛切换的过程中,堆芯始终处于次临界状态;在功率提升阶段,单球功率的峰值为2. 42 k W/FS,燃料温度的峰值为1 035℃,依靠22组吸收球可以实现冷停堆。计算结果均满足设计要求,证明了所设计的初装堆建立过程方案的安全可行性,可以为HTR-PM初始临界和启动运行提供参考。

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。

超级均匀化方法用于球床氟盐冷却高温堆扩散计算

球床氟盐冷却高温堆的控制棒位于侧反应射层内,存在无裂变中子源且受堆芯泄漏谱强烈影响的强吸收体区域扩散计算难题。超级均匀化方法(Super Homogenization,SPH)被用于对氟盐球冷却床堆侧反射层中控制棒区域的强吸收体进行等效均匀化处理,同时堆芯除控制棒区域外采用谱修正方法(Spectra Modification,SM),将输运计算的结果作为基准进行验算。结果表明,SM-SPH模型能有效地计算球床氟盐冷却高温堆反射层控制棒价值及通量分布,并且较常规的SPH方法能更好地处理棒间干涉效应。

球床式高温气冷堆的余热不确定性分析

反应堆在停堆后相当长时间内仍具有较高的剩余发热是核电站的重要特性,也是核电站安全分析的关键。因此,对反应堆余热及其不确定性进行分析,对于合理设计余热排出系统、研究论证燃料元件在事故后的安全特性等均具有重要意义。本工作结合德国针对球床式高温气冷堆制定的余热计算标准,介绍了球床式高温气冷堆剩余发热及其不确定性的计算方法,并结合200 MWe球床模块式高温气冷堆示范工程(HTR-PM)的初步物理设计,对长期运行在满功率平衡堆芯状态下的反应堆停堆后的余热及其不确定性进行了计算分析,为进一步的事故分析提供依据。

球床式高温气冷堆球流CT探测器辐照光输出稳定性研究

针对长时间实验过程中CsI(Tl)闪烁体探测器的辐照光输出会不断变化的问题,在实现探测器输出暗场的稳定性控制后,对按实际堆芯5∶1比例缩小设计的球流检测系统进行了长达48h的空载γ射线辐照,并记录了暗场稳定性的控制结果及探测器的辐照光输出。结果表明:各闪烁体探测单元受γ辐照后,辐照光输出先不断上升,达到最大值后再线性下降。分析探测器辐照光输出发现,几何尺寸和物理成分相同的各探测单元彼此间的辐照光输出上升幅度比与辐照损伤均存在差异,但辐照光输出达到最大时对应的累计剂量基本相同,且与初始辐照光输出大小无关。最后提出了对系统辐照光输出的上升和下降阶段分别采用指数校正和线性校正的思路,为球床式高温气冷堆球流检测系统图像重建过程中投影数据的校正提供解决方案。

350MW环型球床高温气冷堆失冷失压事故下的热工特性研究

由于环型球床高温气冷堆特殊的堆芯结构,使其在失冷失压事故下堆内最高温度能够明显低于模块式球床高温气冷堆在相同事故下堆内最高温度。当堆芯热功率有较大幅度提高时,环型堆芯仍然能够凭借自身传热机能将衰变热量及时排出,满足失冷失压事故下燃料最高温度的限制。这不仅增大了反应堆的安全性能,同时也能够有效地增加反应堆单堆功率,使环型球床高温气冷堆在经济上更具竞争力。本文研究了环型球床高温气冷堆在提高功率水平时,反应堆在失冷失压事故下堆内的热工特性,并综合分析了几个重要的结构尺寸和热工参数对失冷失压事故下燃料最高温度的影响。

基于γ测量的球床式高温气冷堆内乏燃料球探测方案的模拟分析

在球床式高温气冷堆中,对排出堆芯的乏燃料球的探测和数量统计是燃料监测的重要内容。按国际原子能机构针对球床式高温气冷堆核安保的要求,对于燃料装卸系统管道内的燃料监测应开发一种独立于现有涡流检测原理的新监测方案。本文提出了一种基于γ测量原理的新探测方案,设计了探测器构型,对其在堆稳态运行时的探测功能进行验证。结合球床式高温气冷堆HTR-10的燃料球放射性核素数据,及对不同球速不同燃耗的燃料球经过探测区域过程的蒙特卡罗模拟分析,验证了此方案对单个燃料球鉴别和计数的可靠性,同时证明了该方案对于燃料球球流探测的可行性,为今后该探测方案的完善和实际装置的制作提供了设计基础。

球床模块式高温气冷堆核电站特点及推广前景研究

结合20万千瓦级球床模块式高温气冷堆核电站示范工程技术特点,从安全性与经济性等角度深入研究高温气冷堆核电站的发展优势和前景。探索球床模块式高温气冷堆核电站潜在商机和未来融资方式。探索未来发展的产业布局和潜在用户。得出结论:球床模块式高温气冷堆核电站采用氦气透平发电技术能充分利用其技术潜力,未来群堆建设的经济性好,在国内和发展中国家大量建设有广阔的市场和重大意义。

球床模块式高温气冷堆中的炭材料(英文)

与人类使用炭材料的悠久历史相比,炭材料在核反应堆的首秀却只是发生在70多年前。凭借其优良的综合性能,炭材料在核反应堆特别是高温气冷堆(HTR)中发挥了重要作用。作为第四代核反应堆候选堆型中最有希望的代表,中国的球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)目前正在建设中。在HTR-PM中,炭材料扮演着堆芯结构材料、反射层、燃料基体、慢化剂、热和中子屏蔽材料等多重角色。由于炭材料的尺寸和性能受高温和中子辐照的影响,因此对于在HTR-PM中使用的炭材料的各项性能都有着严格的要求。本文详细介绍了HTR-PM中各种炭材料的性能及其制造工艺的要求,并简要介绍了HTRPM当前的现状和未来的商业化发展。此外为满足未来高温气冷堆商用核电站的全面国产化需求,对生产核级石墨和石墨粉的主要原材料如焦炭和天然鳞片石墨未来的长期稳定供应进行了展望。最后简要介绍了目前正在美国橡树岭国家实验室入堆进行辐照试验的国产核级石墨的现状和未来的辐照试验计划。本文旨在为有志于研发用于未来商用高温气冷堆核电站中的炭材料的生产厂家提供参考,文中提及的大量信息对于炭材料的科研人员也很有借鉴意义。

GPU加速的球床式氟盐冷却高温堆堆芯热工水力程序研发

球床式氟盐冷却高温堆(Pebble Bed Fluoride-salt Cooled High Temperature Reactor,PB-FHR)是一种先进的第四代反应堆。三维堆芯热工水力程序能够模拟具有复杂空间效应的工况,但计算耗时较高。图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)具有大量计算单元,可有效提高程序的计算速度。本文研发了GPU加速的PB-FHR堆芯热工水力程序(GPU-accelerated Thermal Hydraulic Code,GATH),采用非热平衡多孔介质模型建立堆芯物理模型,研究并实现了GPU高速求解算法。对PB-FHR的堆芯模型进行了热工水力分析,与商用计算流体力学软件ANSYS CFX的计算结果进行了对比,验证了程序的正确性。GPU加速性能分析的结果表明,程序整体的加速比率可达8.39倍,证明所研发的GPU求解算法能有效提升堆芯热工水力分析的计算效率。

多普勒展宽舍弃修正对氟盐冷却球床高温堆中子学的影响分析

超热区中子的弹性散射易受靶核热运动影响,传统的蒙特卡罗程序采用常数散射截面自由气体模型来描述超热区中子的散射过程。研究表明,忽略共振弹性散射效应所引入的误差随温度的升高而增加,而氟盐冷却球床高温堆工作在高温条件下,为减小共振区弹性散射计算误差,有必要在中子学计算中使用多普勒展宽舍弃修正方法以考虑其共振弹性散射效应。本文使用修改源码后的蒙特卡罗程序MCNP5对氟盐冷却球床高温堆栅元开展中子学计算,发现经多普勒展宽舍弃修正后的^(238) U的中子俘获率增加,无限增殖因数减小123~1 182pcm,且无限增殖因数偏差随燃料球栅元填充率及温度的升高而增大。