CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
长寿命氯盐冷却快堆物理-热工耦合程序开发及应用
林铭
Subtype博士
Thesis Advisor戴志敏
2020-08-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword长寿命氯盐冷却快堆 三维时空动力 燃耗 子通道 物理-热工耦合
Abstract小型长寿命氯盐冷却快堆是一种新型的先进核能系统,目前关键技术也处于探索攻关阶段。与其相关的物理热工现象是发展小型氯盐冷却快堆的亟待探索和研究的关键问题之一。国际上目前对氯盐冷却快堆开展大量的设计和研究工作,但能够应用在氯盐冷却快堆的核设计及安全分析的工具仍处于研发阶段,尚不成熟。本文以一种新型长寿命氯盐冷却快堆的核设计、热工水力设计及安全分析需求为出发点,开展以程序开发—程序验证—程序应用为主要技术路线的长寿命氯盐冷却快堆物理-热工耦合研究。首先根据氯盐快堆的快谱特性进行堆芯中子物理程序的开发:将带有燃耗计算功能的两群三维时空动力学程序ThorCORE3D扩展为多群,对修改后的ThorCORE3D进行两类基准题验证,对ThorCORE3D的燃耗计算模块采用BN600基准题进行验证,证明程序的可靠性和快堆适用性;针对长寿命氯盐快堆“长寿命”的特性,开发堆芯长期运行反应性控制模块和材料辐照损伤计算模块。其次,根据单相流子通道理论方法,开发氯盐冷却快堆子通道分析程序ThorSUBTH。程序利用质量守恒方程、能量守恒方程、轴向动量以及横向动量守恒方程,并给定相应的边界条件或初始条件迭代求解方程组。利用高保真的CFD软件和MIT开发的Subchan子通道程序进行code-to-code的验证,同时评估氯盐冷却快堆中所采用的压降模型和湍流交混模型,为后续氯盐快堆的热工水力研究奠定基础。再者,研究物理-热工耦合方法,以模块化耦合的方式实现中子物理(三维时空动力学程序、堆芯燃耗计算模块及其扩展模块)、堆芯热工水力程序(子通道程序)和回路热工水力模块的耦合。在各耦合模块的网格对应上,采用体积或质量权重的方法实现物理和热工网格的一一对应,在时间步进的方案上采取时间隐式迭代的方法,在截面反馈模型的处理上,采用一阶微扰展开的方法来处理快堆的膨胀效应。采用欧洲钠冷快堆(ESFR)的冷却剂失流事故基准题对三维物理-热工耦合程序(TSC-H)进行正确性和可靠性的初步验证。最后,使用TSC-H耦合程序对一种新型的长寿命小型氯盐冷却快堆(MCCFR)开展物理、热工稳态设计及瞬态安全分析。通过稳态分析结果表明:MCCFR能够实现不添料不换料稳定运行30年的高燃耗目标;负反馈效应从寿期初贯穿到堆芯末期,表明堆芯具有固有安全性;通过有效的提棒方案保证堆芯不同寿期内剩余反应性低于1$;压力容器以及燃料棒包壳的累积最大原子离位数(DPA)都在在设计限值内;各个寿期内最热冷却剂通道出口温度、燃料棒包壳和燃料棒中心线温度都满足设计要求。通过瞬态安全分析表明:在寿期初有保护超功率事故工况下,MCCFR能够实现快速停堆,在寿期初无保护超功率的工况下,堆芯能够依靠自身的负反馈效应重新进入稳定状态,并且主要的热工参数都满足事故工况安全限值;在寿期初和寿期末有保护冷却剂失流事故工况下,MCCFR都能够迅速停堆最后建立自然循环将堆芯衰变热量导出,在寿期初和寿期末的无保护冷却剂失流事故工况下,MCCFR也都能够通过自身负反馈效重新进入稳定状态,最后建立自然循环将堆芯热量导出;通过超功率事故和冷却剂失流事故的分析,表明MCCFR具有较强的内在安全性。本文相关研究成果有助于我国自主掌握小型氯盐冷却快堆的物理热工设计与安全分析关键技术,提升我国在氯盐冷却快堆领域的自主创新能力。对于后续的各类的氯盐冷却快堆的设计开发提供经验累积和技术支持有着重要的意义。
Pages140
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32439
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
林铭. 长寿命氯盐冷却快堆物理-热工耦合程序开发及应用[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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