池式快堆一回路系统冷却剂自然循环行为研究

为进一步认识池式快堆事故余热导出工况下冷却剂自然循环行为,建立了可视化平板水模型模拟反应堆一回路系统主要部件来开展自然循环试验,获得了堆芯、钠池以及各热交换器出口和入口的的温度响应和流场等数据。结果表明,在自然循环建立的最初阶段,堆芯出口温度受冷池的影响会有一个上升较慢的过程。试验中直接观测到了通过中间热交换器和堆芯组件盒间空间的自然循环流动。同时,热池内冷流体和堆芯出口热流体的相互作用,形成了热池内局部的冷却剂流动以及能够深入到组件内部的冷热交混作用;在堆芯出口较高温度流体和独立热交换器出口较冷流体的影响下,热池内形成了温度分层界面在堆芯出口高度附近的热分层。

池式钠冷快堆堆内自然循环余热排出设计研究

基于装量功率比约为1 t/MW的较典型池式钠冷大功率快堆的堆内自然循环设计,采用ERAC程序,对两组4种不同事故余热排出系统(DHRS)输入条件下,反应堆在紧急停堆后堆内的自然循环余热排出特性进行分析。结果表明,从DHRS启用到其对堆芯产生显著冷却效应,需要较长时间,在千秒量级。在该段时间内,堆芯余热的排出依靠反应堆固有的热工流体安全特性。随后,在堆内关键温度上升到限值之前启用DHRS带出池内热量,使堆内关键温度处于下降趋势即可满足安全要求;相比将独立热交换器(DHX)布置在冷池,将其布置在热池时,热池温度及主容器壁温相对要低,这有利于主容器的温度控制,其效果要优于布置于冷池。另外,不同布置会对堆芯盒内、盒间流流量产生影响,但总体上对堆芯的冷却效应影响不大;池式钠冷快堆余热排出设计中,要充分利用固有热工流体安全特性,降低对DHRS的时效性要求。可以考虑将全部的DHX都布置在热池,并缩小设备体积、降低散热功率设计值,或在不降低安全性的前提下选用其他更经济便捷的有效方式等,以此大幅降低余热排出设备投入成本,降低反应堆运行成本,提高经济性。本文研究结果可为我国后续的商用快堆、一体化快堆等池式液态金属堆的堆内自然循环设计提供重要参考。

基于“一维系统+三维CFD”耦合方法的快堆非能动余热排出系统自然循环特性的数值模拟

池式快堆采用了新型非能动堆内直接余热排出(DRACS)方式,提升了快堆的安全性。目前针对池式快堆自然循环开展的数值模拟研究中,系统程序难以准确预测池内复杂自然循环路径,难以准确模拟池内三维热工水力现象,如果采用三维CFD计算建模及网格划分难度较高,且所需计算资源较大。为此本文开发了“一维系统+三维CFD”耦合方法,用于快堆非能动余热排出系统自然循环特性计算分析。利用日本大型钠回路实验台架(PLANDTL)DRACS自然循环模式对该耦合方法进行验证,稳态工况关键位置参数相对误差小于3%,瞬态工况关键位置参数与实验值变化趋势吻合较好,相对误差小于10%,验证了该耦合方法的适用性和准确性。利用该耦合方法,开展了中国实验快堆(CEFR)自然循环及余热排出特性计算分析,识别了池内自然循环流动路径,揭示了池内温度分层以及盒间流现象。本文方法可为大型钠冷快堆自然循环三维瞬态特性分析提供重要数值方法。

一回路自然循环优化研究

鉴于对提升反应堆的运行效率和安全性能的需求,本文建立了反应堆一回路自然循环计算模型,并运用混合多目标遗传算法对其进行优化设计,旨在减少压力容器的高度并提升自然循环冷却剂流量。研究结果显示,在追求压力容器高度最小化的方案中,总高度降低了19.21%,相应的冷却剂流量减少了9.64%;而在最大化冷却剂流量的方案中,压力容器总高度增加了12.25%,冷却剂流量得到了29.26%的显著提升。

摇摆条件下棒束通道自然循环换热特性实验研究

棒束燃料组件是浮动堆的燃料形式之一,浮动堆在运行期间受风浪等影响会发生起伏、摇摆等运动,导致系统流量、压降等热工参数发生周期性波动,影响棒束通道内流动换热特性。针对摇摆条件下自然循环系统棒束通道传热问题,开展了摇摆运动工况下棒束通道换热特性实验研究。结果表明:摇摆运动会增强系统平均换热性能,使得平均换热系数发生周期性波动,功率越高,相对波动幅度越小;对于子通道局部换热特性,其受二次流影响较大,以通道中央为轴,摇摆运动会增强靠近摇摆轴一侧子通道内局部换热性能,降低远离摇摆轴一侧;功率越大,子通道局部换热系数波动越小。

液态燃料熔盐堆停堆后主回路自然循环特性研究

液态燃料熔盐堆在停堆后通过建立熔盐自然循环,将堆芯中的衰变余热非能动地传导至环境,但主回路中熔盐的衰变发热将影响回路排热能力。为得到该种非能动系统的热工特性,给出自然循环模型的分析依据,明确熔盐物性、回路结构和设备阻力系数K对自然循环的影响。利用自编Python分析程序,建立液态燃料熔盐堆的非能动余热排出回路自然循环模型,分析回路中熔盐的温度分布;考察反应堆堆芯在余热排出过程中,关键因素对余热排出能力的影响规律。研究结果表明:当系统回路中熔盐存在衰变热时,堆芯熔盐可通过自然循环带走的热量相对减少。根据重要性分析结果,燃料盐密度、比热容和冷热芯高度差等是影响自然循环能力的重要参数,当这三个参数值分别增加15%时,余热排出能力分别提升26.02%、15.00%和18.59%。由此可见,熔盐物性、回路结构和设备阻力系数均会影响自然循环排热能力。

自然循环锅炉深度调峰时水冷壁汽水两相流动不稳定特性计算及安全分析

为对深度调峰时对冲燃烧自然循环锅炉水冷壁管道内的汽液两相流动不稳定特性进行研究,建立了适用于不同工况的频域法数学模型。通过对质量、能量、动量方程进行小扰动线性化,消去高阶无穷小扰动量以及稳态量后经拉普拉斯变换得到了用于描述管道内汽液流体流动稳定性传递函数,通过Nyquist曲线图解的方法判断管内工质流动的稳定性。计算结果表明典型回路在25%BMCR和50%BMCR工况运行时的临界热流密度分别为182.20、240.13k W/m^(2)。同时,利用该模型计算了某350MW自然循环锅炉水冷壁管段的不稳定边界并研究了入口过冷度、质量流速、管长、倾斜角度以及入口节流系数等参数对流动不稳定特性的影响。计算结果表明:入口过冷度对临界热流密度的影响呈非单值性,不稳定边界图表现为“双C”型;增大质量流速使流体的进口和出口密度差减小,有利于流动的稳定;增大热流密度使流体的进口和出口密度差增大,不利于流动的稳定;增大入口节流系数,可以抑制入口处流量的脉动,有利于流动的稳定;增加管道的倾斜角度,会增大重位压降,使其产生的扰动增加,不利于流动的稳定。

基于Modelica的铅铋合金自然循环回路特性仿真分析

为更好地研究铅铋反应堆自然循环特性,采用Modelica语言建立了铅铋合金(lead-bismuth eutectic,LBE)自然循环回路实验装置的热工水力仿真模型。模拟了铅铋合金自然循环回路的稳态工况、变功率工况以及失流工况,将加热段出入口LBE的温度及入口处LBE的质量流量与3种工况下的实验结果进行对比。结果表明,仿真结果与实验结果的温度最大相对偏差为9.96%,质量流量最大相对偏差为10.4%,程序计算的结果与实验较吻合。该模型可为铅铋反应堆设计开发过程中,铅铋合金的热工水力分析提供支持。

超临界水自然循环试验回路流动和传热特性数值研究

针对超临界自然循环试验回路开展了试验工况下超临界水的自然循环流动与传热特性数值模拟。研究得到,循环流量计算值与试验值符合较好,最大相对偏差仅5.7%;内壁温度计算值与试验值也符合较好,随着加热功率的增大开始升高偏缓,当功率大于约8 kW时,温升较陡,对应的传热系数下降剧烈,说明这一位置处于拟临界温度附近。

摇摆条件下棒束通道自然循环核热耦合特性实验研究

为研究海洋条件下核热耦合对棒束通道自然循环热工参数波动特性的影响,在机械摇摆台上设计并搭建了5×5棒束通道自然循环实验回路。基于单群点堆中子动力学模型,通过实时采集热工参数并计算实时核功率,实现了运动-热工-物理的耦合。对棒束通道单相自然循环核热耦合的瞬态特性进行了实验研究,研究结果显示:在静态工况下,核热耦合使得系统功率发生小幅度波动,当温度反馈系数低于-5×10^(-4)℃^(-1)时,燃料温度反馈对功率的影响比冷却剂温度反馈更大。核热耦合对热工系统的时均参数无显著影响,增大燃料温度反馈系数会降低系统的稳定性。在摇摆运动工况下,摇摆幅度越小或摇摆周期越短,核热耦合引入的功率波动幅度就越小。此外,在摇摆运动启动的瞬态过程中,核热耦合使得系统重新建立稳定自然循环的时间大幅延长。

湿空气在全尺寸压水堆燃料组件中的自然循环特性试验及理论研究

为开发一种不依赖于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)结果的燃料组件自然循环特性分析模型,以研究乏燃料水池在发生冷却剂丧失事故后的自然循环特性,本研究基于全尺寸压水堆燃料组件压降实验结果对Darcy-Forchheimer模型进行了修正,以预测湿空气流过燃料组件的压降,然后建立了燃料组件自然循环流量和峰值包壳温度的分析预测模型,并考虑了空气的相对湿度对模型计算结果的影响。结果表明:该模型可较为准确地预测不同加热功率下燃料组件的自然循环流量和峰值包壳温度,与实验测量值相比误差分别在25%和20%以内。并利用该模型研究了总加热功率、环境温度和相对湿度对燃料组件自然循环流量和峰值包壳温度的影响。因此,本研究所开发的模型可用于压水堆全尺寸燃料组件的自然循环特性研究。

小型堆中窄矩形通道自然循环临界热流密度实验研究

针对窄矩形通道在换热过程中有较高功率密度的问题,本文为了解决在小型反应堆中的应用,采用所搭建的小型窄矩形自然循环通道,进行实验研究,并结合BP神经网络方法对实验数据进行预测,分析在不同参数工况下临界热流密度随不同参数的变化情况以及不同参数对临界热流密度的影响程度。研究结果表明:质量流量与系统压力对临界热流密度点的影响呈现正相关;出口干度对临界热流密度呈现负相关;且质量流量对临界热流密度的影响程度最大;压力对临界热流密度的影响程度最小。利用相关实验数据,基于影响因素大小,通过BP神经网络方式,建立了适合于自然循环窄通道小堆的模型。BP神经网络算法的预测值与实验值符合良好,误差为10%;Katto模型与实验数据相比误差较大,Zhang公式和拟合公式的误差较小,所建立的临界热流密度模型可作为窄矩形通道自然循环临界热流密度的计算公式。

小型反应堆自然循环流动稳定性分析

以最佳估算程序RELAP5为分析工具,针对某一小型反应堆进行建模和数值计算,在此基础上开展对该小型反应堆自然循环流动稳定性分析。研究表明堆芯功率和慢化剂反应性反馈对一回路自然循环流动稳定性有影响;系统在高功率运行时具有较高稳定性;绝对值较大的慢化剂反应性反馈下,瞬态流量响应出现超调的现象。堆芯出口(上升段)过冷度过低的停堆保护信号,可以有效避免该小型反应堆在设计范围内出现自然循环流动不稳定性。

自然循环工况下蒸汽发生器传热管一、二次侧温差估算

为确保事故后的堆芯冷却,建立数学模型对自然循环工况下蒸汽发生器传热管一、二次侧温差分布情况进行计算,并研究自然循环流量、衰变热水平、二次侧压力等对温差分布的影响。本实验结果可为蒸汽发生器传热管应力分析提供输入,为制定合理的事故处理策略提供依据。

一种新式小型立式自然循环蒸汽发生器水动力特性分析

基于小型锅炉的结构特性,设计了一种新式的嵌套式小型立式自然循环燃油蒸汽发生器。针对新设计的燃油蒸汽发生器,基于传热本质采用MATLAB编程进行热力计算,进而确定合理的结构数值;接着建立蒸汽发生器的水动力学分析模型,分析了不同规格和工况下水动力学特性参数的变化趋势;最后对设计的符合热力计算误差和水动力特性参数的蒸汽发生器进行停滞和倒流验算。研究结果表明,受热最弱水管的停滞和倒流系数均符合安全设计规范。为相关的小型自然循环蒸汽发生器的设计提供了有效的计算方法。

摇摆耦合升功率条件下一体化自然循环反应堆流动特性研究

为研究摇摆耦合升功率条件下一体化自然循环反应堆流动特性,建立自然循环典型三维分析模型,采用计算流体动力学(CFD)方法对摇摆条件下的自然循环进行了数值模拟,并针对不同升功率过程中的的速度和温度分布特性进行分析。结果表明:大幅升功率工况对应的温度和流量存在更为明显的“过冲”现象,摇摆强化了上升传热部件内部壁面换热热通量;在摇摆较为剧烈的条件下,下降段流道存在对于换热器出口冷流体显著的再热作用。

基于膨胀变换的单相自然循环动态比例分析方法研究

为进一步深入了解动态系统比例分析理论,以单相自然循环系统为研究对象,研究了基于膨胀变换的新型动态比例分析方法,获得了固定长度比例下不同膨胀数所对应的相似数组,并利用RELAP5程序计算了简单矩形环路内对应工况时的自然循环特性,分析了对应关键参数及相似准则数的变化规律。结果发现:在大部分工况下,整个动态过程中模型和原型系统的质量流量误差与冷热段温差误差均在较小范围内;当膨胀数由0.5到1.0增大的过程中,缩比工况的归一化质量流量与归一化温差变化趋势与原型工况逐渐接近,同时流量误差与温差误差均逐渐减小。基于单一膨胀数方法所得的自然循环相似准则数组中,热源数是决定性准则数,而理查森数和斯坦顿数均为非决定性准则数。

自然循环铅铋反应堆的堆芯功率最大化方法研究

为了提高自然循环铅铋反应堆的固有安全性和经济性,以南华大学自主设计的反应堆(Small PAssive Long-life LBE-cooled fast Reactor,SPALLER-100)为研究对象,探索其堆芯可输出的最大功率。在满足运输尺寸、材料耐久性、堆芯长时间运行的稳定性以及事故工况下的安全性等条件下,提出了5种稳态安全限制和2种事故安全限制。研究将稳态安全限制处理为多目标复杂多维非线性约束的优化问题,基于拉丁超立方抽样和克里金代理模型搭建了中子学最大功率计算平台;同时,考虑自然循环能力,分别计算不同堆芯高度下的中子学最大功率和自然循环功率,最终获得了满足中子学与热工的最大功率设计方案。基于设计方案与事故安全限制,采用准静态反应性平衡方法,开展了失热阱、超功率和入口冷却剂温度过冷等事故的全寿期安全分析。研究结果表明:堆芯功率由原100 MW提升到120 MW左右,中子学最大功率平台具有一定的准确性,且最大功率方案符合安全、经济的要求。研究结果为其他类型的自然循环反应堆的输出功率最大化设计提供参考思路。

液态铅铋合金自然循环实验与数值模拟

铅铋合金(lead-bismuth eutectic,LBE)自然循环流动与输传热特性的研究,对自然循环铅铋快堆的设计运行、提高反应堆自然安全性能有重要意义。为进一步探究铅铋合金的自然循环流动传热特性,本文基于自然循环理论分析,并结合其他冷却剂介质(钠、水),对比研究了LBE自然循环稳态流动与输传热行为规律与特点;同时基于LBE自然循环瞬稳态实验,对快堆系统分析程序FRTAC模拟LBE瞬、稳态自然循环的适宜性进行了初步验证;基于FRTAC程序计算,量化分析了不同运行工况、回路流道结构参数和回路阻力等因素对LBE自然循环的影响。结果表明,不同因素对LBE自然循环的影响程度不同,不同的回路运行温度水平对自然循环流动特性影响较小,而传热特性受回路不同运行温度水平影响的敏感性相对较大;自然循环高度(冷热心位差)对自然循环质量流量影响较显著。此外,回路整体管径增大将导致循环质量流量增加,加热区内温升与换热温差降低。

摇摆条件下自然循环驱动力和阻力特性研究

本文以典型自然循环回路为对象,建立了摇摆条件下自然循环工况驱动力和阻力模型,与实验数据对比符合很好。利用模型分析发现,摇摆条件下自然循环驱动力和系统流量周期性波动,随着摇摆幅度增大和周期缩短,驱动力和流量的波动幅度增大。驱动力为重位驱动力、向心驱动力及切向驱动力之和,现有工况范围内,向心驱动力可忽略不计,总驱动力受重位驱动力和切向驱动力的耦合作用影响。摇摆条件下自然循环系统两相流动总压降及各分压降周期性波动,系统位差及通道内平均密度的变化引起了两相重位压降、加速压降、摩擦压降发生周期性波动。