熔盐球床堆堆芯入口热工水力特性数值分析

堆芯入口流场设计是小型固态燃料熔盐堆系统项目内容之一,它对反应堆结构的稳定性、堆芯温度和流场分布有着非常重要的影响。研究了熔盐流道流通面积变化对堆芯入口温度、流场分布及压降的影响,优化熔盐流道几何结构。以小型熔盐球床堆模型为研究对象,取符合实际边界条件的输入参数,通过改变熔盐流道流通面积,使用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)通用程序Fluent 16.0对堆芯入口内熔盐的热工水力特性进行数值模拟。在考虑实际下反射层流道的流通面积占比最大为18.14%下,研究了熔盐流道流通面积占比在区间[0,15.00%]变化。结果表明,堆芯活性区熔盐最高局部热点温度随熔盐流道流通面积比的增大而增高;堆芯入口内的压降随下反射层熔盐流道流通面积比的减小而增大;在径向方向上流进孔道的熔盐流速随着孔道远离堆芯位置而增大。本研究可为小型固态燃料球床熔盐堆优化设计提供一定的参考价值。     

熔盐冷却球床实验堆内流动与传热特性数值研究

采用计算流体动力学（CFD）的方法，对熔盐冷却球床堆（FHR）的堆芯中可能产生热点的位置进行局部数值模拟，从而获得燃料球表面及其内部的温度分布和燃料球附近的流场分布情况，并与所开发的FRAC分析程序结果进行对比，其最大误差为2.9%，可以初步说明FRAC程序的正确性。本文的研究结果对FHR相关实验以及机理的研究具有一定的参考价值。      

球床先进高温堆堆芯设计研究

研究发现,排空熔盐、向冷却剂中注入毒物均可作为球床先进高温堆第二套停堆系统的辅助系统,但相比向堆芯注入毒物熔盐,排空熔盐对堆芯影响更小,更利于工程实现;相比一次装料方案,分批次燃料装载方案可保证寿期内堆芯剩余反应性较小,易控制,但使得堆芯运行也较复杂;一次装料方案中,要使第二套停堆系统具有足够的快速停堆裕量,不能通过减小堆芯活性区装料高度实现,但可以通过增加第二套停堆系统控制棒的根数实现。本文提出了球床先进高温堆优选堆芯设计方案,该方案使球床先进高温堆的燃耗寿期可达100等效满功率天,第一套停堆系统、第二套停堆系统的冷停堆深度均满足设计要求。     

FLiNaK熔盐高温试验回路电磁感应加热的数值模拟

FLiNaK熔盐高温试验回路中的球床实验区旨在研究FLiNaK熔盐与燃料球的换热、腐蚀特性。石墨球床实验区采用独特的中频感应加热技术加热石墨球导体,模拟球床先进高温堆(Pebble Bed Advanced HighTemperature Reactor,PB-AHTR)堆芯燃料球的释热。为了研究石墨球堆积方案对感应加热的影响,利用有限元方法对电磁感应加热进行数值模拟,获得石墨球导体的涡流损耗功率,并从涡流功率和功率分布两方面对三种石墨球堆积方案进行对比分析。结果表明:三种堆积方案的相对轴向功率分布几乎一样,每层石墨球不相切堆积方案的径向功率分布比另外两种堆积方案的径向功率分布更均匀;为了均匀加热石墨球,更好地模拟PB-AHTR堆芯燃料球释热,建议采用每层石墨球间不相切的堆积方案。     

HTR-PM堆芯出口热气混合实验相似性分析

球床模块式高温气冷堆核电站（HTR-PM）堆底设有热气混合结构，使堆芯流出的氦气混合均匀。堆芯出口热气混合实验用于测量和分析该混流结构的混合性能及其阻力特性。为使设计的热气混合实验系统及实验工况能反映HTR-PM的混流结构的实际混合性能和阻力特性，在确保实验经济成本的前提下，根据相似性准则，分析确定了堆芯出口热气混合实验系统的设计准则和具体参数，并利用Fluent软件对所设计的实验装置内的流场和温度分布进行了数值模拟。该混合实验系统及其工况与HTR-PM实际堆底混流结构具有相似性，在此实验的基础上，可通过理论分析和数值模拟得到HTR-PM实际堆底混流结构的混合性能和阻力特性。     

高温堆堆芯双区球流运动高本体实验

双区堆芯的设计是高温气冷堆技术的发展方向之一,本文设计开展实验研究高温气冷堆球床堆芯的双区形成、交混区和滞留区等球流运动的基本特性。实验结果表明:在实验条件下,能获得稳定的双区分布,双区分界面上存在交混区,通过在加球面安装挡板能有效减小交混区大小;在球床底部存在明显的滞留区;球流运动具有随机性,在运动过程中存在一定的分散性,但在整体上又表现出统计意义上的确定性,这是球床堆球流运动的基本特点。     

熔盐冷却球床堆热通道热工水力特性数值分析

基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)通用计算程序Fluent,研究了模块化熔盐冷却球床堆(Pebble Bed Advanced High Temperature Reactor,PB-AHTR)中心热通道稳态热工水力行为。利用已开发的多孔介质流固两相局域非热平衡模型计算了球床堆中的压降、冷却剂的温场分布以及固相球床的温场分布,计算并比较了不同的多孔介质阻力因子(Ergun与KTA)对通道内的冷却剂流动以及温场分布的影响,并对丧失部分冷却剂情况下通道内的冷却剂及燃料温度进行了计算分析。结果表明使用不同的阻力因子对堆芯压降计算结果和流场的分布影响较大;而冷却剂温场及固相球床温场和球心的温度分布在不同的阻力因子下的差别较小,在PB-AHTR的设计参数下堆芯产生的热量能够被有效的输出,设计具有较大的安全裕度。计算结果对于球床堆的优化设计提供了一定的参考价值。     

一种液态燃料熔盐堆堆芯流量分配设计

在液态燃料熔盐堆(Molten salt reactor,MSR)热工水力设计中,为实现堆芯径向功率展平需对堆芯流量分配进行设计,使得堆芯进口流量分布正比于释热量分布,而下腔室结构和流场分布对堆芯流量分配起决定性作用。利用FLUENT软件对堆芯三维流场进行模拟,通过调节下腔室结构和流量分配装置,对下腔室流场分布进行优化,最终实现堆芯流量合理分配。数值模拟结果表明,喇叭状下腔室比椭球形下腔室熔盐通道流量标准差降低4.2%,设置流量分配板熔盐通道流量标准差降低29.2%;改变下腔室结构和设置流量分配装置能够较好调节流量分配和功率分布匹配性,该结果可为液态熔盐堆堆芯优化设计提供依据。     

热管熔盐堆堆芯倾角对堆芯熔盐自然对流影响研究

热管熔盐堆堆芯倾角对堆芯温度分布和局部热点具有重要影响。为获得堆芯在不同倾角下内部熔盐的自然对流换热特性、优化堆芯设计和提高系统安全性，对堆芯进行三维建模，通过Fluent软件进行数值模拟，对横置和竖置放置2种情况下堆芯内熔盐自然对流的温度场和流场进行了分析，同时讨论了堆芯倾角变化对堆芯温度场及局部热点的影响。研究结果表明：局部热点始终出现在堆芯上部，相对于竖置，横置时堆芯温度场及流场更加不稳定。当倾角在5°～10°范围内，局部热点温度最高，竖置时热点温度最低。模拟结果揭示了堆芯内熔盐的自然对流特性，并为热管熔盐堆热工方面的概念设计提供了一定参考。     

标志球法1m和2m本体二维球流运动特性分析与比较

为研究球床高度对球流运动特性的影响,根据相似准则的原理建立高温气冷堆二维堆芯的球流运动试验系统,利用标志球的实验方法对球流运动规律进行研究。对1 m和2 m本体球流运动的均值流线、内部流场、标志球的平均滞留时间,以及交混区的球流的分布特征和分布区域等进行比较分析。结果表明:二维流动均值流线是光滑对称的流线型,球床边缘和中心的流动相差很大,球床下部的流动不均匀性比上部不均匀性大;增大装球高度球流可以达到更大的分散程度。验证交混区球的高斯分布;标志球的运动区域具有两头小中间大的特点;2 m本体的球床下部的流动均匀性优于1 m本体。     

Molten salt related extensions of the SIMMER-III code and its application for a burner reactor

Molten salt reactors (MSRs) can be used as effective burners of plutonium (Pu) and minor actinides (MAs) from light water reactor (LWR) spent fuel. In this paper a study was made to examine the thermal hydraulic behaviour of the conceptual design of the molten salt advanced reactor transmuter (MOSART) [Ignatiev, V., Feynberg, O., Myasnikov, A., Zakirov, R., 2003a. Neutronic properties and possible fuel cycle of a molten salt transmuter. Proceedings of the 2003 ANS/ENS International Winter Meeting (GLOBAL 2003), Hyatt Regency, New Orleans, LA, USA 16–20 November 2003]. The molten salt fuel is a ternary NaF–LiF–BeF₂ system fuelled with ca. 1 mol% typical compositions of transuranium-trifluorides (PuF₃, etc.) from light water reactor spent fuel. The MOSART reactor core does not contain graphite structure elements to guide the flow, so the neutron spectrum is rather hard in order to improve the burning performance. Without those structure elements in the core, the molten salt in core flows freely and the flow pattern could be potentially complicated and may affect significantly the fuel temperature distribution in the core. Therefore, some optimizations of the salt flow pattern may be needed. Here, the main attention has been paid to the fluid dynamic simulations of the MOSART core with the code SIMMER-III [Kondo, Sa., Morita, K., Tobita, Y., Shirakawa, K., 1992. SIMMER-III: an advanced computer program for LMFBR severe accident analysis. Proceedings of the ANP’ 92, Tokyo, Japan; Kondo, Sa., Tobita, Y., Morita, K., Brear, D.J., Kamiyama, K., Yamano, H., Fujita, S., Maschek, W., Fischer, E.A., Kiefhaber, E., Buckel, G., Hesselschwerdt, E., Flad, M., Costa, P., Pigny, S., 1999. Current status and validation of the SIMMER-III LMFR safety analysis code. Proceedings of the ICONE-7, Tokyo, Japan], which was originally developed for the safety assessment of sodium-cooled fast reactors and recently extended by the authors for the thermo-hydraulic and neutronic models so as to describe the molten salt reactors. For the adaptation to molten salt reactor, a complete equation of state (EOS) for this liquid fuel had to be developed and implemented into the SIMMER-III code. Through those simulations it was concluded that the thermal hydraulic behaviour appeared to be very important in molten salt reactors concerning design, operation and safety. A flow distribution plate design was found effective to optimize the flow pattern in the core region. Further investigations are under way to obtain optimal flow fields without exceeding design limits.     

基于堆芯线性化模型的液态熔盐堆功率控制研究

液态熔盐堆中熔盐燃料依托主泵驱动在一回路中流动，在流动过程中造成了反应性损失，直接引起堆芯功率变化。考虑到熔盐燃料流动对堆芯功率控制的影响，建立了堆芯非线性模型，并对模型进行线性化处理。基于堆芯线性化模型，采用线性二次型高斯/回路传输（LQG/LTR）技术设计堆芯功率控制系统。以熔盐实验堆为例，开展堆芯反应性扰动控制研究。结果表明，采用堆芯线性化模型和LQG/LTR技术可以实现对液态熔盐堆堆芯功率的控制。      

钍基液态燃料熔盐实验堆氙毒分析

熔盐堆作为第四代核能系统堆型之一,液态燃料形态的特点使其可以实现在线处理和在线添料。为了提高中子经济性可以利用在线处理的氦鼓泡法,将氦气通入反应堆一回路,去除堆芯内的裂变气体(如Xe、Kr)。基于钍基熔盐液态堆(Thorium Molten Salt Reactor-Liquid Fuel1,TMSR-LF1)概念设计,结合熔盐实验堆(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE)氙毒模型,分析了鼓泡法去除氙毒中~(135)Xe扩散规律和去除效率对氙毒的影响,并给出了对应的初始有效增殖因子的变化规律。分析结果表明,虽然存在~(135)Xe会大量向石墨扩散的可能性,但是鼓泡法仍然可以有效去除TMSR-LF1堆芯内的~(135)Xe,减小堆芯毒性,提高反应性。     

高温熔盐流量标定平台物理和控制方案的优化

高温熔盐流量计在高温熔盐反应堆、太阳能发电、高温制氢等熔盐集热储能装置中具有良好的应用前景。而目前市场上流量计受材料特性的影响,最高只能在535?C以下使用,并不能满足这些应用场合的高温运行环境要求。研究表明通过改进超声波流量计波导片增加其耐温性能,可满足大于650?C的高温测量要求,然而目前并没有标准的流量计或标定装置能对其进行标定。钍基熔盐堆(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)项目迫切需要建立一个熔盐流量标定平台,提供熔盐的标准流量标定,它的基本参数需满足目标流速1-5 m·s-1、工作温度小于800?C、管径约50 mm、标定误差小于5%、熔盐用量小于200 L等。构建了基于气压控制熔盐流速的物理模型,推导出系统流速的具体表达式,分析控制管道熔盐压差的比例、积分和微分(Proportion-Integration-Differentiation,PID)算法对流速稳定性的影响。通过MATLAB软件仿真,确定了可行性的控制方案参数,并为仪控元件的选型提供了依据。     

液态熔盐堆堆芯功率内模控制器设计与仿真

内模控制是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略，具有结构简单、设计直观、无需精确的数学模型、在线调整参数少等优点。为探索内模控制在反应堆控制领域中的应用，以熔盐实验堆堆芯功率控制为例，通过建立熔盐实验堆一回路系统线性化模型，采用内模控制技术，结合粒子群优化算法设计堆芯功率内模控制器。并基于MATLAB/Simulink建立熔盐实验堆一回路仿真系统，开展熔盐实验堆堆芯阶跃反应性扰动下的功率控制研究。结果表明，所设计的堆芯功率内模控制器可很好地控制堆芯功率，实现系统的快速稳定。     

石墨慢化通道式熔盐堆有效缓发中子份额计算方法研究

有效缓发中子份额(βeff)是研究反应堆动力学特性的关键参数。在液态燃料熔盐堆(MSR)中,燃料流动引起缓发中子先驱核(DNP)在堆内的再分布,并使部分DNP在堆外回路衰变,从而导致βeff的计算方法与固态燃料反应堆不同。为评估石墨慢化通道式熔盐堆内燃料流动引起的反应性损失,研究缓发中子随燃料的流动行为,同时为堆设计和安全分析提供依据,分别基于解析方法和数值方法推导了计算βeff的数学模型,计算了熔盐实验堆(MSRE)在额定工况下的DNP损失份额和堆内DNP浓度分布,并分析了燃料在堆外流动时间和入口流量对βeff的影响。结果表明：两种方法均可对DNP行为提供合理描述;固定燃料在堆外流动时间,βeff随入口流量的增加而减小;固定入口流量,βeff随燃料在堆外流动时间的增加而减小,80 s后趋于稳定。     

熔盐实验堆MSRE堆芯罐和反应堆容器辐照损伤计算与分析

本文采用蒙特卡罗程序MCNP5对熔盐实验堆MSRE的堆芯罐和反应堆容器的中子辐照损伤量--原子离位数率(DPA rate)进行计算与分析。确定了堆芯罐和反应堆容器上的中子注量率分布,对其中中子注量率最大的区域进行详细的原子离位数率计算。计算显示堆芯罐和反应堆容器最大的原子离位数率均发生在内表面、堆中心平面处、θ角度在22°~34°之间的区域,最大原子离位数率可达3.90×10^-9s^-1,且快中子对原子离位数率贡献要大于热中子。研究结论对新概念熔盐堆设计和参数选择具有重要的实际意义。     

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。