CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
熔盐堆稳态和瞬态核热耦合模型建立及安全特性研究
何龙
Subtype博士
Thesis Advisor蔡翔舟
2018-10-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Place of Conferral中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword熔盐堆 热工水力学 中子动力学 热耦合
Abstract液态燃料熔盐堆采用溶解了易裂变材料的高温熔融态熔盐作为核燃料,在安全性和中子经济性等方面具有显著优势,并在钍-铀增殖和超铀核废料嬗变等方面有潜在的应用。熔盐堆起源于上世纪50年代美国的橡树林实验室,并于2002年第四代核反应堆国际论坛上被选为六种优先发展的堆型之一。2011年,中国科学院启动国家先导科技专项“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统”,专项致力于研发熔盐堆系统以实现钍资源高效利用。石墨慢化通道式熔盐堆是液态燃料熔盐堆的一种典型设计。该类型反应堆采用石墨作为慢化材料,堆芯由截面为六边形或四边形的石墨组件规则排布构成,燃料盐在各个组件的熔盐通道内流动并发生裂变反应。石墨慢化通道式熔盐堆与传统反应堆在堆芯热工水力学上有很大不同。首先,熔盐堆中的裂变功率主要沉积在液态熔盐中,并由燃料盐的自身流动带出堆芯,因此熔盐堆是一个燃料自冷却反应堆。由于中子和伽马射线的辐照,堆芯内石墨慢化材料中会沉积少量能量,这部分能量依赖熔盐带走,因此会发生慢化剂向燃料传热的现象。其次,由于燃料盐在组件的熔盐通道内沿轴向流动,不同组件内熔盐没有通过横向流动产生的质量、能量和动量交换,组件间热量传递依赖于石墨材料的热传导。考虑到熔盐有较高的沸点和较低的饱和蒸气压,通常情况下熔盐处于液相,因此在堆芯热工水力学分析上通常不需要考虑两相问题。由于缓发中子先驱核有较长的寿命,缓发中子先驱核(尤其是长寿命的)会随燃料的流动而发生迁移,这与固体燃料反应堆有本质区别。燃料盐流动会导致部分缓发中子先驱核流出堆芯,并在堆外衰变,从而导致堆芯内缓发中子的分布及份额发生变化。因此熔盐堆在中子动力学方面需要考虑缓发中子先驱核的流动效应。由于上述特殊性,传统固态燃料反应堆的分析程序已不适用于液态熔盐堆。本工作以石墨慢化通道式熔盐堆为研究对象,为该类型反应堆建立了新型三维热工水力学模型、堆芯稳态核热耦合程序、考虑缓发中子先驱核流动效应的中子动力学模型及瞬态分析模型。本文的主要研究内容包括:1)建立适用于石墨慢化通道式熔盐堆的新型堆芯三维热工水力学模型(3DTH)并验证其正确性。本文基于COMSOL Multiphysics程序和MATLAB程序建立了堆芯热工水力学计算模型3DTH。该模型耦合了固体区域的三维热传导模型和通道内流体的一维模型,解决了并联多通道模型的限制,可以考虑组件间由于热传导产生的热交换,并实现了反射层的温度分布计算。通过对比RELAP5程序的计算结果,验证了3DTH模型的正确性。2)建立稳态核热耦合程序3DTH&SCALE,并用于2MW钍基熔盐堆的稳态分析。采用热工水力学模型3DTH和SCALE程序,基于功率分布、温度及密度分布等数据的交换,在MATLAB平台上实现了稳态核热耦合程序的开发。基于该核热耦合程序,分析了2MW钍基熔盐堆在正常运行和中心通道堵塞两种工况下堆芯内的流量分布、温度分布、k_(eff)及功率密度分布。采用收敛后的功率分布,分析了不同通道堵塞及外围熔盐层堵塞等状态下堆芯内的稳态温度分布和流量分配。3)建立瞬态分析模型3DTH&POINT和3DTH&3N,并用于模拟2MW钍基熔盐堆的瞬态特性。本文建立了考虑缓发中子先驱核流动效应的点堆中子动力学模型(POINT)和三维时空中子动力学模型(基于扩散理论,简称为3N)。通过耦合热工水力学模型3DTH建立了瞬态分析模型3DTH&POINT和3DTH&3N。点堆模型POINT和三维时空中子动力学模型3N均通过基准问题验证了其正确性。通过对MSRE基准问题的验证计算,验证了3DTH&POINT的正确性。通过对比3DTH&POINT和3DTH&3N在相同情况下的计算结果,验证了3DTH&3N模型的可靠性。应用3DTH&POINT,分析了2MW钍基熔盐堆在无保护下反应性引入、堆芯入口流量变化、Cold-slug瞬态和入口温度变化等扰动下的安全特性。由于3DTH&3N实现了三维热工与物理的耦合,模型适用于分析空间效应显著的瞬态,本文采用该模型分析了2MW钍基熔盐堆内不同位置及数目通道堵塞下的瞬态特性。本工作针对石墨慢化通道式熔盐堆建立了一种新型堆芯三维热工水力学模型3DTH。基于该热工水力学模型分别建立了稳态核热耦合程序3DTH&SCALE,和瞬态分析模型3DTH&POINT及3DTH&3N,并对模型的正确性开展了验证。以2MW钍基熔盐堆为研究对象,应用于上述模型分别分析了该堆的稳态及瞬态特性。本文建立的模型能够满足石墨慢化通道式熔盐堆的稳态核热耦合计算及瞬态分析的基本需求,对堆芯的工程设计具有重要的应用价值。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/31202
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Recommended Citation
GB/T 7714
何龙. 熔盐堆稳态和瞬态核热耦合模型建立及安全特性研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2018.
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