快中子反应堆堆芯物理分析方法的研究现状与发展建议

快中子反应堆在核能可持续发展中扮演着重要角色,是各核强国都在致力发展的重点堆型。快堆物理计算是快堆核设计的基础,其计算方法的研究和相应计算程序的开发是快堆理论研究和数值模拟技术发展中极其重要的环节。本文对国内外快堆物理计算方法,特别是近20年来的发展变化进行了系统梳理,以对国内外专用和通用快堆物理计算程序的总结为线索,介绍了快堆物理分析理论体系的发展情况,对其中体现出的一致性特点和最近几年发展的趋势进行了分析,并对我国快堆堆芯物理分析方法的发展给出了建议,为我国快堆物理计算理论的进步和自主化的物理分析软件研发提供参考。

钠冷快堆丧失蒸汽发生器模块后的不对称运行工况设计方法研究

本文针对典型钠冷快堆,采用钠冷快堆系统分析程序FR-Sdaso对其丧失蒸汽发生器模块后的不对称运行工况进行了分析计算,基于两种流量分配方式及稳态非对称模型,计算得到不同功率水平下的工况特征参数,包括不同环路的功率分配、主热传输系统节点温度等。通过对比分析,从可接受的最高功率水平、环路的对称性等多方面,对两种流量分配方式的优缺点进行对比总结。研究成果可为钠冷快堆丧失蒸汽发生器模块后的目标运行工况设计方法提供参考。

上钠腔设计对大型MOX燃料快堆冷却剂沸腾瞬态的影响研究

钠空泡反应性效应是钠冷快堆核设计和安全分析的重要内容。本文基于多群节块扩散法,采用微扰理论对1000 MWe钠冷快堆具有上钠腔结构的MOX燃料堆芯的总钠空泡反应性、空间分布、物理分项进行计算。基于钠空泡反应性的计算结果,利用中国原子能科学研究院自主开发的钠冷快堆堆芯瞬态分析程序对1000 MWe钠冷快堆进行了无保护失流事故的瞬态分析,分别对具有上钠腔设计的堆芯和无上钠腔结构的堆芯安全性进行了评价。分析结果表明,上钠腔设计大大缓解了钠冷快堆冷却剂沸腾瞬态的事故后果,为钠冷快堆堆芯的安全设计提供了重要参考。

池式钠冷快堆熔融物堆内滞留初步分析研究

为防止堆芯熔毁后熔融物熔穿反应堆容器,造成大量放射性释放,三、四代反应堆设计中普遍考虑了熔融物滞留方案。池式钠冷快堆在主容器底部安装堆芯熔化收集器,对熔融物进行有效收集和长时冷却。利用中国原子能科学研究院自主开发的FRTAC程序,计算堆芯熔毁后主容器内的自然循环,分析熔融物长时冷却过程,研究钠冷快堆的熔融物堆内滞留方案。结果表明:熔融物掉落至堆芯熔化收集器上后,主容器内的自然循环可以有效冷却熔融物,并由事故余热排出系统将余热导出至大气环境中。

大型池式钠冷快堆热功率的计算和不确定度分析

反应堆的核功率无法直接测量,通过测量中子注量率的大小来表征核功率的大小,因此核电厂通常采用热功率刻度反应堆的核功率。池式钠冷快堆冷却剂系统采用钠-钠-水3个回路的布置形式,与压水堆存在较大差异,由于系统配置的不同,热功率的计算方法与压水堆也存在一定差异。该文分析了大型池式钠冷快堆热功率的计算和不确定度分析方法,用于反应堆核功率测量仪表的标定。计算结果表明,对于大型池式钠冷快堆,热功率计算的不确定度在事故分析初始功率的保守假设之内。堆芯热功率的计算结果主要取决于蒸汽发生器的功率计算,其余各项对最终计算结果的影响小于1%。

钠冷快堆棒束核-热耦合精细化计算研究

钠冷快堆在提高铀资源利用率、实现高放废物最小化等方面优势明显。反应堆内部物理热工存在强烈的反馈机制。本研究基于蒙特卡罗程序RMC和子通道分析程序VERSA开展核-热耦合计算,采用外耦合方式,建立了一套编码体系实现不同物理场之间的网格对应。通过C++语言开发了数据接口进行程序间数据传递。通过对217棒束的燃料组件进行精细化建模,轴向上分为20层,计算得出了精确的三维pin-by-pin功率分布和温度分布信息。计算结果表明,精细化核-热耦合研究可以更加准确地分析功率分布导致的出口温度差异,能够为流量分配方案提供验证,进一步优化堆芯核设计。

中国实验快堆全堆芯流量分配计算与试验

针对中国实验快堆(CEFR)堆芯和一回路的设计特点,开发水力特性计算程序DAEMON,完成不同工况下的全堆芯流量分配计算,给出流量分配不均匀性等参数。在反应堆调试阶段,进行全堆芯流量分配试验。结果表明,程序计算值与试验值符合较好。在此基础上,验证了CEFR堆芯的流体力学设计,并为反应堆调试和运行提供了基础数据。

快堆燃料组件热工流体力学计算研究

对于钠冷快堆,在燃料和包壳最高温度等设计限值下,为获得较高的堆芯出口温度,需深入分析燃料组件内的热工流体力学问题,准确预测组件内的冷却剂温度分布。本文在CRT模型和F.C.Engel等人工作的基础上,提出了ICRT压降关系式,用以计算冷却剂在湍流区、过渡流区和层流区的棒束压降;引入CRT模型和WEST对流传热模型,改进了SUPERENERGY子通道分析程序,并将改进程序与原程序计算结果进行了对比,结果表明:最热子通道出口温度略有降低,液膜温压略有增加;并用计算流体力学软件CFX对中国实验快堆单盒燃料组件活性段进行了三维数值模拟,将计算结果用CRT模型、ICRT压降关系式及改进后的SUPERENERGY子通道分析程序进行了验证,相互符合较好。

MOX燃料堆芯热工特性及设计限值研究

使用MOX燃料的快堆核电站以其线功率高、燃耗高、堆芯出口温度高等特点,对堆芯热工设计提出了新的问题。本文在对MOX燃料热工性能分析的基础上,给出了主要的热工设计限值,并以电功率870 MW电站为参考,初步分析了其堆芯热工特性和设计裕量。结果表明对于MOX燃料,较高的堆芯热工参数合理可行,且具有足够的裕量。

钠冷快堆核电厂设计中的可用性分析建模方法研究

核电厂的连续运行能力对于其经济性至关重要。本文以钠冷快堆核电厂作为研究对象,分析影响导致钠冷快堆计划与非计划停堆/不可用的主要原因,探索对于这些关键因素进行建模的方法,建立钠冷快堆生产可用性的整体建模方法。并基于该方法识别出影响钠冷快堆电厂运行生产能力的关键因素,指导后续工程设计与研发实践活动。

基于一体化三维数值模拟的中国实验快堆冷钠池及其堆内构件热工特性分析

建立中国实验快堆(CEFR)池式堆本体全尺寸三维模型,进行堆本体冷钠池、热钠池、主容器冷却系统等主要部件的一体化、三维数值计算。通过对热钠池进行部分简化,为冷钠池计算提供更接近实堆运行工况的边界条件,获得CEFR在额定功率稳态工况下冷钠池及其堆内构件三维热工参数,为其结构应力评定及部件设计提供关键输入。计算结果表明:冷钠池内液钠的流动较为复杂,上冷池内流动较为明显;由于冷池中板的阻隔作用,下冷池流动较为微弱。此外,冷钠池内会出现较为明显的热分层现象,使得冷钠池内竖向支承肋板及其堆内构件沿高度方向产生约30℃温差,对其结构强度设计提出更高的要求;主容器冷却系统出口被加热的液钠对上冷钠池的温度、流动分布也有一定影响。本研究为钠冷池式快堆事故安全分析、关键堆内构件结构应力评定及设计提供重要热工输入参数。

钠冷快堆直流式蒸汽发生器固定网格与滑移网格模型对比分析

根据钠冷快堆核电厂直流式蒸汽发生器(OTSG)的热工水力特性,基于固定网格模型和滑移网格模型编制了OTSG瞬态分析程序OTAC。对美国能源技术工程中心(ETEC)的OTSG停闭实验进行了模拟,并将计算值与实验值作了对比分析。结果发现,两种模型的计算值与实验值吻合较好,其中固定网格模型只有在网格数目足够多时才能避免计算结果的突跳,而滑移网格模型可在较少网格数目下取得很好的计算效果,提高了数值稳定性,避免了计算结果的不连续。

基于时间常数的核电厂主循环泵惰转模型开发与验证

在核电厂初步设计阶段,针对反应堆进行的工况设计和安全分析均需要泵的惰转模型提供输入。现有泵的惰转模型几乎都需要已知泵的设计参数和管路系统阻力特性,但在电厂初步设计阶段,泵的详细结构设计尚未开展,管路阻力特性也难以获取。针对上述问题,提出了两种基于时间常数的主泵惰转特性曲线计算模型,并采用核电厂主循环泵的惰转试验数据进行了对比验证。分析结果表明,模型A在高转速时与试验值吻合较好,低转速时偏差较大,而模型B在整个惰转过程中与试验值均较接近,可用于核电厂的工况设计和安全分析。

钠冷快堆丧失蒸汽发生器模块后的最佳工况研究

钠冷快堆通过采用模块式蒸汽发生器的设计方案以提高核电厂的负荷因子。核电厂运行中若发生丧失蒸汽发生器模块事件,核电厂工况将发生变化,应进行适当的调节,调节的目标工况可通过设计与研究给出。本工作对某典型池式钠冷快堆丧失1个蒸汽发生器模块后的最佳工况进行研究,主要研究内容包括对其主热传输系统进行建模,开展主热参数匹配计算,根据相关运行限值来筛选方案并分析关键参数,最终给出较为合适的运行工况。本工作为钠冷快堆在丧失蒸汽发生器模块后的工况设计提供了重要依据。

钠冷快堆二回路系统热工水力瞬态分析程序SELTAC的开发与应用

针对钠冷快堆二回路系统的具体结构和运行特点,对中间热交换器、直流蒸汽发生器、钠缓冲罐以及泵、管道等设备和部件建立模型,采用FORTRAN语言自主编制了二回路系统热工水力瞬态分析程序SELTAC。利用中国实验快堆的停堆试验数据对所编制程序进行了初步验证。结果表明,程序计算值与试验值趋势一致,最大相对偏差不超过4.34%,吻合程度较好。将验证后的程序与一回路系统程序耦合,分析了某600 MW钠冷快堆在主热传输系统保持排热能力时的紧急停堆工况,得到了二回路系统的瞬态特性,为大型商用快堆电站的设计提供了参考。

CEFR整体冷钠池及其辅助系统温度场三维数值模拟

利用流体力学软件CFX对中国实验快堆(CEFR)整体冷钠池及其辅助系统进行详细稳态模拟计算,并验证运行工况下的热工设计。计算结果表明:冷钠池内存在热分层和热分区现象,确实存在冷钠池上板的高温区,同时泵腔室上部的温度较其他区域的高。本工作为反应堆功率提升及运行提供了技术准备。

钠冷快堆系统程序FR-Sdaso开发

为解决600 MW示范快堆(CFR600)事故分析和工况设计中的实际问题,自主开发了钠冷快堆系统程序FR-Sdaso,其建模范围包括堆芯、一回路、二回路、三回路、四回路和事故余热排出系统,主要物理模型包括点堆模型、单通道堆芯热工模型、多区钠池模型、四区蒸汽发生器模型等核岛设备或部件分析模型,汽轮机、凝汽器、给水加热器、除氧器等常规岛设备采用集总参数模型,泵、阀门、管道及控制体等采用通用模型。对程序进行了初步验证,结果表明,FR-Sdaso程序可用于分析全厂瞬态工况及超功率、失流、失热阱等典型事故过程。目前,FR-Sdaso程序已用于CFR600的设计和安全分析。

一种节能混合无线传感器网络MAC协议

针对无线传感器网络的节能和网络性能流量自适应的需求,在Z-MAC协议的基础上,提出了EHMAC协议。经过分析表明,EHMAC在保持Z-MAC高信道利用率和低延迟的同时,可以减少Z-MAC低功耗侦听机制造成的大量串音能耗以及pream-ble传输所造成的网络开销。此外,EHMAC对Z-MAC在内的TDMA类协议无法应对的非对称隐藏终端问题提出了解决方案,取得了较高的网络吞吐量和较低的端到端延迟。

日本文殊原型快堆堆芯出口腔室热分层现象数值模拟

本文利用商业CFD程序STAR-CCM＋，采用合理的网格生成技术及物理模型，对日本文殊原型快堆堆芯出口腔室建立近似1∶1的模型，模拟分析40％额定功率停堆过程中堆芯出口腔室的瞬态工况，获得腔室内较为完整的热分层进程。结果表明：停堆2 min后腔室内出现稳定热分层现象；10～21 min时热分层通过上升桶桶顶位置；10～140 min热分层处于上升筒顶端位置附近期间，腔室内流型不稳定；140 min后热分层完全处于上升桶顶，桶内流型稳定且接近于停堆前。模拟结果与实验数据对比表明，停堆初期4 min内两者符合较好，表明本文模拟方法适用于停堆工况堆芯出口腔室热分层进程模拟；之后模拟进程明显快于实验，分析其偏差主要来自模拟边界及结构与实际的差异。

快堆燃料组件棒束通道内流动和传热现象分析与研究

利用三维计算流体力学软件CFX 12.0对由7根带螺旋状定位绕丝的燃料棒组成的快堆燃料组件典型棒束通道内的流动和传热现象进行了数值模拟。模拟得到不同Re下的压降系数曲线与Nu曲线,并将计算结果与经验公式的计算结果进行了比较,两者符合较好。研究了组件内3类典型子通道的横向流交混效应,分析了3类典型子通道的横向流分布特点,发现角子通道横向流交混强度沿轴向波动较大,而3类子通道的横向流交混强度均存在周期性。研究了中心燃料棒壁面上3个截面的局部换热效应,发现在燃料棒与绕丝接触处传热效果最差,在事故分析时应重点关注。