双面冷却熔盐堆组件热工分析程序开发与验证

新型液态燃料熔盐堆双面冷却组件相比传统熔盐堆组件具有更大的换热面积和更短的石墨导热距离,因而具有更低的石墨温度热点,然而由于其不同的几何结构特征和熔盐自发热特性,组件内存在独特的热量分配和冷却剂流量分配的问题。为准确高效评估新型组件的热安全边界,有必要开发新的计算分析工具。本研究基于MATLAB开发了适用于熔盐堆双面冷却组件的一维稳态热工分析程序THDA-MSR(Thermal-Hydraulic Analysis Code for Dual Cooled Assembly-Molten Salt Reactor),考虑熔盐自发热的特点,建立了组件内外流道内熔盐的一维温度分布模型和熔盐石墨对流换热模型以及石墨导热模型,根据并联通道压损相等原则建立流量分配模型,通过CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟对程序计算结果进行了验证,并初步分析了各结构参数对组件最大熔盐出口温度和石墨温度热点的影响。THDA-MSR的计算结果与CFD结果吻合较好,压损偏差小于4.84%,石墨温度热点偏差小于0.15%,分析结果发现:外通道截面积占总流道截面积比是影响最大熔盐出口温度和石墨温度热点的关键参数。以上研究结果表明,自编程序能很好地预测组件流量分布、组件压损、熔盐温度分布和石墨温度热点。THDA-MSR能够应用于熔盐堆双面冷却组件热工水力性能分析评估,对于组件选型设计有较大工程参考价值。

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。

液体燃料熔盐堆三维稳态分析程序开发

液体燃料熔盐堆的物理热工特性与固体燃料反应堆有很大的不同,在分析计算中必须考虑燃料流动特性的影响,一般分析固体反应堆的程序均不能直接用于分析液体燃料熔盐堆。根据熔盐堆的流动特性,建立了液体燃料熔盐堆的三维中子动力学模型和流动传热模型,开发了针对液体燃料熔盐堆的三维稳态核热耦合程序,并以此分析了稳态情况下MOSART堆的物理热工特性。结果表明,堆芯流速对快中子和热中子影响较小,对堆芯温度和缓发中子分布影响较大。

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。

双流体熔盐快堆概念设计可行性研究

双流体熔盐快堆(DFFR)尚处于概念研发阶段,很多主要设计参数还未确定。本文主要依据DFFR概念进行初步的反应堆设计,并初步评估了这些设计参数与反应堆物理特性的关系,以验证该型反应堆的可行性。评估主要采用2种方法:(1)基于蒙特卡洛理论的堆芯临界计算;(2)基于传热理论的堆芯热工水-力计算。结果显示,DFFR可以在选定的功率下达到临界并且获得与设计值一致的热工参数。通过对DFFR堆芯物理及热工特性的评估,初步验证了该型反应堆概念设计的理论可行性。