基于微分方程组的液态熔盐堆堆芯出口温度控制

考虑到液态熔盐堆中熔盐燃料在主回路系统中流动,堆芯出口处燃料温度可有效表征堆芯运行状态。因此,为开展对液态熔盐堆堆芯出口温度控制的研究,直接采用堆芯微分方程组,设计一种基于堆芯出口温度控制的运行策略。基于堆芯微分方程模型,设计堆芯出口温度控制器,并基于Matlab/Simulink建立堆芯仿真系统。以MSBR堆芯为对象,开展堆芯反应性扰动、堆芯进口温度扰动、堆芯出口温度跟踪的仿真。分析表明,基于堆芯出口燃料温度控制策略设计的模糊PID控制器可以很好地实现堆芯稳定运行。

V型凹口对液态熔盐堆用核石墨构件应力分析的影响

本文利用了一个根据球床模块堆(Pebble Bed Modular Reactor,PBMR)用核石墨材料辐照性能数据编写的用户自定义材料模型(User defined Material model,UMAT),按照美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)的液态燃料熔盐试验堆(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE)用核石墨构件尺寸,为钍基熔盐堆(Thorium-based Molten Salt Reactor,TMSR)设计了一款方型核石墨构件。利用新编UMAT对该核石墨构件进行了初步的应力分析。分析结果表明,在没有预制裂纹的情况下辐照梯度越大核石墨构件中心区域最大主应力值越大,构件的断裂位置可能出现在构件中心位置处;对于有V型凹口预制裂纹的情况,应力集中部位均出现在预制裂纹尖端附近,这将可能导致裂纹尖端附近出现裂纹扩展,从而引起构件断裂失效。

基于变论域模糊PID的液态熔盐堆堆芯功率控制

液态熔盐堆堆芯系统具有非线性、时变性等特点,模糊比例积分微分(PID)控制技术因初始论域不能跟随误差变化而伸缩,使得系统的控制精度降低,故设计了一种基于变论域模糊PID控制器的堆芯功率控制策略。以熔盐增殖堆MSBR堆芯为例,在堆芯入口温度扰动或堆芯反应性扰动下,使用Matlab/Simulink对PID控制、模糊PID控制与变论域模糊PID控制下的效果进行仿真对比。结果表明,基于变论域模糊PID控制器建立的堆芯功率控制系统响应速度更快,超调量更小,控制效果更佳。

基于堆芯线性化模型的液态熔盐堆功率控制研究

液态熔盐堆中熔盐燃料依托主泵驱动在一回路中流动,在流动过程中造成了反应性损失,直接引起堆芯功率变化。考虑到熔盐燃料流动对堆芯功率控制的影响,建立了堆芯非线性模型,并对模型进行线性化处理。基于堆芯线性化模型,采用线性二次型高斯/回路传输(LQG/LTR)技术设计堆芯功率控制系统。以熔盐实验堆为例,开展堆芯反应性扰动控制研究。结果表明,采用堆芯线性化模型和LQG/LTR技术可以实现对液态熔盐堆堆芯功率的控制。

373 MW液态燃料熔盐堆流量分配设计的优化研究

流量分配设计是熔盐堆热工水力学研究的重点内容之一,流量分布直接决定了堆芯局部热点值和位置,制约着反应堆运行的安全性可靠性。以热功率373MW钍基熔盐堆液态燃料(Thorium Based Molten SaltReactor-Liquid Fuel,TMSR-LF)为研究对象,使用计算流体力学通用程序Fluent15.0对堆芯流场进行了数值模拟。基于相应热工水力参数的分析结果,对原堆上下腔室的结构提出了若干分步式改进方案:下腔室设置折流板、增加上腔室高度、调整下腔室流量支撑板的孔径。优化结果表明:下腔室设置圆柱折流板能有效解决由局部涡流遮蔽部分通道引起的质量流量不均匀的问题;增加上腔室高度可以平衡径向方向内外侧通道出入口的压降,改善流量的均匀性;减小流量较高的内侧通道对应的金属支撑板孔道的半径可有效降低该处流量,使总体分布趋势更加平缓。最终确定的优化方案为在下腔室中央位置设置半径240cm圆柱型折流板,半椭球型上腔室高度调整至45cm,下腔室流量支撑板2~3 排孔径由2.3cm减至2.1cm,4~5排由2.3cm减至2.2cm。以上结果对TMSR-LF2堆芯上下腔室的工程优化设计具有重要的参考价值。

液态熔盐堆堆芯功率模糊PID控制

液态熔盐堆采用熔融氟化盐为燃料,燃料熔盐出口温度是衡量熔盐堆安全的重要指标。通过堆芯功率控制可实现燃料熔盐出口温度控制。将液态熔盐堆堆芯划分成内区和外区,并基于能量守恒原理建立堆芯非线性模型,采用微扰理论对非线性模型进行线性化。基于堆芯线性化模型,采用模糊比例-积分-微分(PID)控制器设计堆芯功率控制系统。以熔盐增殖堆(MSBR)为例,开展堆芯功率控制仿真。结果表明,引入10-3、2×10-3阶跃反应性时,模糊PID控制器可以减小系统响应的上冲幅度和超调量,并且在堆芯功率发生了较大的负荷变化时,模糊PID控制器可以对堆芯功率的变化实现良好跟踪。故所采用的模糊PID控制器具有良好的动态性能,可实现对堆芯功率的良好控制。

基于EPICS架构的熔盐堆实时建模与仿真平台开发及验证

核电仿真技术被广泛地应用于反应堆设计、安全分析、独立安全评价、事故缓解措施、控制与保护系统设计与优化、先进主控室设计验证、操作员培训等方面的研究,有效地提高了核电厂的安全性和经济性。为满足液态燃料熔盐堆实时建模与仿真需求,基于实验物理与工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)的开源、开放式架构,集成了具备实时动态交互功能的液态燃料熔盐堆系统分析程序RELAP5-TMSR和图形化人机交互界面模块,扩展了可视化控制与保护系统模块,开发了适用于液态燃料熔盐堆的开放式实时建模与仿真平台ThorTypography。以熔盐实验堆(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE)的启泵、停泵、自然循环和反应性引入实验作为基准题,对ThorTypography平台开展了正确性验证和实时性测试。验证和测试结果表明:ThorTypography实时建模与仿真平台的计算结果和RELAP5-TMSR独立计算结果基本一致,均与MSRE实验数据符合较好;实时性测试数据显示,平台具有良好的实时性能。ThorTypography适用于液态燃料熔盐堆系统实时建模与仿真,能够为熔盐堆设计、运行和安全分析提供有效的支持。

10 MW级液态燃料熔盐堆堆芯流量分配优化设计研究

液态燃料熔盐堆的堆芯流量分配设计是其热工水力设计中的重要一环,目的是实现堆芯流量分布与功率分布的匹配,消除堆芯内的热点,而堆芯的水力结构设计对堆芯流量分配起着决定性作用。本研究建立了液态燃料熔盐堆的1/12堆芯模型,使用ANSYS FLUENT16.0软件进行了三维流场数值模拟,通过调节上腔室高度、下降环腔宽度、下腔室结构和流量分配装置进行优化,最终实现堆芯流量分布与功率分布的匹配。结果表明:增加上腔室高度可以平衡内外通道的流量分布差异,改善流量分布均匀性;增加下降环腔宽度可以减缓环腔出口处的下腔室涡流,同时展平流量分布,使流量与功率更好的匹配;增设导流围筒的圆柱型下腔室结构可以更好的抑制下腔室涡流,同时使流量分布更趋于平缓。基于上述分析,最终确定了最优的半椭球型上腔室高度、下降环腔宽度、下腔室几何结构与尺寸等参数,并设置倾斜非均匀孔径分布的导流围筒。以上结果对液态燃料熔盐堆的工程优化设计具有参考价值。

液态熔盐热堆燃料管理方法研究与分析

为研究液态熔盐热堆的燃料管理性能,需解决复杂堆芯结构的均匀化、燃料的混合及在线后处理3个问题。本文基于确定论程序DRAGON5与DONJON5,开发了液态熔盐热堆的燃料管理程序LMSR,并进行了验证。使用LMSR对液态熔盐热堆进行计算与分析,结果显示使用235 U与238 U启堆,加入燃料为232 Th与233 U条件下,后处理提取重金属的效率至少需要90%。此外,为维持堆芯有效增殖因数在1.0~1.005之间,加入的燃料中233 U平均等效质量富集度在40%附近。

RELAP5应用于液态燃料熔盐堆的扩展及验证

为将RELAP5程序应用于液态燃料熔盐堆的建模分析,需要对RELAP5的模型进行扩展。基于RELAP5原有的点堆模型和热工水力模型,新增了液态燃料熔盐堆点堆模型和相应的带有内热源的热工水力模型,并通过熔盐实验堆(MSRE)实验数据进行验证。结果表明,扩展后的RELAP5程序能够适用于液态燃料熔盐堆系统建模分析。