CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
小型模块化氟盐冷却高温堆的物理设计与研究
刘思佳
Subtype博士
Thesis Advisor徐洪杰
2020-07-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword氟盐冷却高温堆 小型模块化 反应性控制 燃料颗粒失效概率 安全特性
Abstract氟盐冷却高温堆是结合了多种反应堆优势提出的一种第四代反应堆,其技术特点为:使用包覆燃料颗粒作为燃料,熔融氟盐作为冷却剂,更多采用非能动安全设计,借鉴成熟的反应堆常规岛设计和能量转换系统。评估认为,氟盐冷却高温堆具有良好的安全性、经济性、可持续性和防核扩散性,具有很高的商业可行性。小型模块化反应堆是当前反应堆发展的一大热点,因为小型模块化反应堆能满足更广大用户和更灵活的用电需求。小型模块化反应堆通过其固有的和非能动安全特性提高了反应堆的安全性能,也提供了更好的前期资本承受能力,适用于热电联产和非电应用。结合氟盐冷却高温堆的诸多优势和模块化反应堆的技术特点,本文提出了一种小型模块化棱柱型氟盐冷却高温堆设计SM-FHR(Small Modular Fluoride salt cooled High temperature Reactor)。SM-FHR使用Flibe作为反应堆的冷却剂,燃料为TRISO包覆燃料颗粒。燃料元件采用棱柱型燃料元件,反应堆功率150MWth,预期堆芯寿期2年。本文首先从单组件水平,分析碳/重金属比和燃料核尺寸对燃耗深度、寿期、反应性温度系数的影响,确定组件的参数。结果表明,为了保证堆芯寿期可以达到2年的预期目标,同时保证冷却剂温度系数为负,整体温度系数为负,要求碳/重金属比低于500和燃料核直径为350~750μm。SM-FHR参考堆芯选取碳/重金属比为260,燃料核直径425μm。此时,堆芯寿期可达到927天,燃耗深度为99 MWd/kgU,温度系数为负。SM-FHR堆芯初始剩余反应性达到34000 pcm,为了降低控制棒布置的复杂性,首先考虑在堆芯组件内布置可燃毒物,最大化降低堆芯寿期内反应性摆幅。对不同可燃毒物装载量、不同可燃毒物颗粒大小及不同可燃毒物空间分布下的反应性摆幅及换料周期进行了优化,并分析了可燃毒物消耗规律。分析表明,在组件内燃料与可燃毒物的装载体积比为52,可燃毒物颗粒大小200μm,边缘组件内的可燃毒物装载量降低的情况下,可将剩余反应性压低到2500 pcm,燃耗深度有所降低,燃耗天数降到776天,但仍能满足2年的设计预期。可燃毒物布置后堆芯各组件燃耗深度和功率峰因子都有所展平,有利于提高堆芯安全性。进一步采用布置控制棒方式来调节临界并控制SM-FHR的升降功率运行,并最大化降低其对堆芯物理参数的影响。控制棒布置考虑两种方案:堆芯反射层内布置与堆芯中心集中布置。研究发现,反射层内布置控制棒的反应性价值较低,不适合作为控制棒的布置方案;而中心组件交界位置布置6根控制棒可以满足各工况的反应性控制需求。通过CFD对1/12堆芯建模,获取了SM-FHR堆芯流场、温度场分布情况并分析了TRISO颗粒的失效概率。分析表明,堆芯燃料温度未超过运行限值;TRISO包覆燃料颗粒堆芯局部最大失效概率为6.5×10~(-5),平均失效概率为2.0×10~(-7),证明在当前设计下具有较高的安全特性;燃耗深度分布、堆芯TRISO失效概率分布等仍存在较大的不均匀性,主要由控制棒对轴向功率分布的影响造成。通过对SM-FHR建立单通道模型,分析一回路完全采用自然循环驱动的可能性。模型建立了自然循环高度与反应堆功率、冷却剂温度差、冷却剂通道尺寸和换热器压损的关系。在150 MW功率下,若想建立完全自然循环的一回路,需要适当提高冷却剂的温度差和冷却剂通道直径,在保证换热的前提下,尽可能降低换热器的压损。可考虑将功率降到30 MW,实现一回路的全自然循环,换料周期可达10年。
Pages127
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32445
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
刘思佳. 小型模块化氟盐冷却高温堆的物理设计与研究[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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