CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
一种百兆瓦级小型模块化熔盐堆堆芯流场分配装置的设计研究
李青远
Subtype硕士
Thesis Advisor徐洪杰
2019-06-01
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液态熔盐堆 反应堆热工水力 流量分配 上下腔室结构优化 计算流体力学
Abstract熔盐堆是第四代核能系统的重要堆型之一,在固有安全性、经济效益、燃料在线处理、防核扩散等方面具有显著的优势。2011年中科院上海应用物理研究所承担的科技专项“未来先进裂变核能——钍基熔盐堆核能系统”,第二阶段的重要堆型为小型模块化钍基液态熔盐堆。本文研究的百兆瓦级小型模块化液态熔盐堆采用熔盐作为燃料和冷却剂,堆芯内的熔盐通道是闭式循环通道,通道之间不发生质量和动量的交换,各通道的质量流量依赖上下腔室对熔盐的分配作用。堆芯流量分配是反应堆热工水力设计的重要内容,与功率密度共同决定了堆芯的热点因子,制约着反应堆的安全性与经济性。功率密度随着反应堆运行状态的改变而变化,而堆芯结构一旦确定,流量分配几乎不能改变。当通道的流量相对功率密度过低时,通道出口处会因熔盐温升过大而出现局部热点,削弱瞬态工况的安全裕量,影响堆芯结构材料的稳定性。同时,反应堆运行时下腔室有可能会产生涡流,局部涡流可能会阻碍熔盐顺畅进入一部分熔盐通道,加剧流量分配的不均匀趋势,涡流区域流体层之间的粘性应力做功亦会导致机械能损失。因此有必要预先对该液态燃料熔盐堆堆芯流量的分配性能进行评估和优化,抑制涡旋,展平流量,消除热点,最终确定一种合理的堆芯流量分配装置的优化设计。本文以小型模块化液态钍基熔盐实验堆的流量分配装置为研究对象,先后从“流量展平”和“温度展平”两个角度,分别提出了4个评价流量分配性能的指标。然后采用计算流体力学(CFD)分析软件Fluent15.0数值模拟的方法,通过对相关热工水力参数的分析,分别研究了下腔室有无折流板、折流板的半径R、折流板与金属支撑栅板的距离L、半椭球型上腔室的高度H、下腔室金属支撑栅板的孔径阵列5个因素对流量分配性能评价指标的影响,并从“流量展平”和“温度展平”两个角度分别确定了一种性能优良的堆芯流量分配装置。以“流量展平”为目的的流量分配装置的研究结果表明:下腔室增设折流板可以有效削弱下腔室的局部涡流,消除流动死区,极大展平堆芯流量分配在径向上的均匀性;增加上腔室高度可以平衡径向上不同位置处熔盐通道出入口的压降差异,通过平衡压差力提高流量分配的均匀性;重点减小流量较高的中心区2~4排通道对应的金属支撑栅板的孔道的半径可以有效展平该处的流量峰,使流量的总体分配趋势更加均匀。最终确定的以“流量展平”为目的的流量分配优化方案为:在下腔室中央位置设置半径240cm的圆柱型折流板,半椭球型上腔室高度由35cm调整至45cm,针对性地缩小流量较高的2~4排通道对应的金属支撑栅板的孔径。以“温度展平”为目的的流量分配装置的研究结果表明:下腔室增设折流板可以有效削弱下腔室的局部涡流,解决因为流量的径向不均匀性导致的4~6排通道出口处严重过热的问题;削减上腔室高度几乎没有展平通道出口温度场的作用;减小功率密度较低的9~13排熔盐通道对应的金属支撑栅板的孔径,有利于引导熔盐向功率密度较高的中心区1~6排通道集中,使流量分配趋势与功率密度分布更加契合,从而展平全通道出口位置的温度场。最终确定的以“温度展平”为目的的流量分配优化方案为:在下腔室距离金属支撑栅板7cm处设置半径220cm的圆柱型折流板,半椭球型上腔室高度保持35cm不变,针对性地缩小出口温度较低的9~13通道对应的金属支撑栅板的孔径。由于流量的均匀性指标与消除热点,保证堆芯热裕量的反应堆热工水力设计的基本任务有矛盾,最终选定展平温度场的优化方案作为百兆瓦级液态熔盐堆堆芯流场分配装置的设计方案。以上结论对该液态熔盐堆上下腔室的结构优化设计具有重要的参考价值。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/31214
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Recommended Citation
GB/T 7714
李青远. 一种百兆瓦级小型模块化熔盐堆堆芯流场分配装置的设计研究[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),2019.
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