包壳材料对SCMR堆芯物理参数的影响研究

建立混合能谱超临界水冷堆（SCMR ： Super-Critical Water-cooled Mixed-Reactor）堆芯物理模型;计算了不同包壳材料时,堆芯有效增殖系数、剩余反应性、缓发中子有效份额和空泡反应性等堆芯参数,并对计算结果进行了分析比较．结果表明：从反应堆物理设计的角度考虑T-91钢作为包壳材料,具有较好的物理响应特性,为混合能谱超临界水冷堆的设计提供了理论基础．     

改进型快谱超临界水冷堆子通道CFD数值模拟

改进型快谱超临界水冷堆(SCFR-M)具有紧凑的堆芯设计,堆芯内采用增殖组件与点火组件混合排布.增殖组件采用内冷式的圆形冷却剂通道,点火组件则采用典型三角形通道.本文基于CFD软件FLUENT采用流固共轭传热方式,分别对SCFRM两种冷却剂通道内流动状态进行数值模拟计算,研究了稳态工况下SCFR-M堆芯设计的热工水力特性,计算结果表明:两种子通道中包壳表面温度均小于650℃、燃料芯块中心线温度均小于1900℃,且流致振动程度在可接受范围内,符合安全设计限值.     

超临界水冷堆辐照考验回路多尺度热工水力学分析

作为第四代核能系统中唯一的水冷反应堆,超临界水冷堆(SCWR)具有系统简单、热效率高、经济和安全性好等优点.中国和欧盟联合发起了第七框架研究计划国际合作项目"超临界水冷堆燃料性能验证实验(Supercritical Water-cooled Reactor Fuel Qualification Test, SCWR-FQT)",该实验将对超临界水环境下的小型燃料组件进行性能测试,为实验回路进行设计、分析和验证,并为其设计分析和安全许可申请提供支持.本文从计算流体力学、子通道、系统安全角度出发,对整个系统进行多尺度的热工水力安全分析.本文还对子通道程序COBRA和系统程序ATHLET中的传热模型、摩擦阻力模型和湍流交混模型等进行了修改,使其适用于超临界水冷堆模拟.另外,本文通过交换堆芯出口压力、冷却剂进口温度、堆芯进口冷却剂流量、活性区的产热和摩擦因子等参数实现程序耦合,以得到更为精细的热工水力行为.结果表明,修改过后的程序适用于超临界水回路瞬态分析,现有的安全系统设计可保证组件实验段在事故情况下得到有效冷却. CFD计算结果表明,绕丝对棒束流体传热有较大影响;子通道结果表明角通道堵塞条件下包壳温度最高.同时,计算也证实了多尺度耦合程序可精准预测事故进程和参数分布.     

改进Flower型超临界水冷快堆负空泡反应性初步分析设计

超临界水冷快堆结构简化,堆芯功率密度高并且不存在沸腾危机,是一种比较有前途的先进核能系统.但潜在的正空泡反应性系数是需要认真考虑的安全问题.本文建立了改进Flower型超临界水冷快堆堆芯模型,并通过对堆芯分区布置,冷却剂密度分层、MOX燃料合理设计、燃料富集度轴向分层布置,blanket组件盒厚度增加及内部通道采用贫铀冷却的方案,获得了负的空泡反应性系数,初步达到了堆芯的安全设计要求.     

钍铀燃料快谱系统中Pa233的特性

镤(Pa233)是钍铀燃料转换链中的重要核素,有着较长的半衰期(27.4 d)和较大的中子吸收截面,对于Th232到U233的转换率、钍铀燃料堆芯的运行都有着重大影响.在已有的使用钍燃料的热堆设计中,普遍对Pa233的这一特性作出了反应堆运行上的调整.该文利用基于Monte-Carlo方法的MCBurn程序系统,研究了Pa233核素在快中子能谱条件下的表现和对反应堆物理性能的影响,得到了Pa233核素在快谱和热谱下的不同性能对比,说明了Pa233对燃料转换比、反应堆开堆和停堆后反应性变化的重要影响,为钍基快堆及长寿命堆的设计提供了参考依据.     

超临界水冷堆技术研发概况及其关键问题

本文介绍了超临界水冷堆的概念、基本原理、固有特点及优势,综合分析了超临界水冷堆的国际研发现状及未来发展趋势,从工程研发的角度分解了超临界水冷堆工业应用的关键技术及问题.结合国内的技术现状及发展需求,介绍了中国超临界水冷堆技术研发牵头单位中国核动力研究设计院在超临界水冷堆研发方面的技术发展概况,并在此基础上提出了下一步的研发内容及需要针对开展的关键技术攻关工作.     

反应性温度系数的计算方法

为了精确地计算反应性温度系数，采用动态规划的方法，求出了燃耗过程中控制棒的临界棒位。利用组件计算软件包ＴＰＦＡＰ，计算慢化剂（或燃料）在不同温度下组件的宏观截面。用节块格林函数法，求解三维中子扩散方程，求得慢化剂（或燃料）反应性温度系数。对于２００ＭＷ核供热堆在临界棒位下，作了三维反应性温度系数的计算，并与二维计算结果作了比较。结果表明，慢化剂温度系数的大小和控制棒插入有密切关系。二维无控制棒时计算的反应性温度系数比较接近三维带控制棒的计算结果，并且二维无控制棒的计算结果是一个保守的估值。     

双排棒组件超临界水堆堆芯方案设计

结合国际上多种超临界水堆堆芯设计方案的优点,提出了一种新的压力容器式低泄漏堆芯设计方案,其特点是,堆芯中采用了双排棒正方形闭式燃料组件和三区低泄漏换料.双排棒燃料组件由两排燃料棒包围一个慢化剂水棒构成,可以使得慢化均匀;三区低泄漏换料可以大大延长堆芯寿期,降低压力容器快中子注量.通过堆芯三维物理热工耦合计算发现,该方案寿期内的最大包壳温度(MCST)为684℃,堆芯寿期为300个有效满功率天,且功率分布平坦.在此基础上,对所有组件进行了更为保守的子通道热工水力计算,得出MCST为685.3℃,进一步表明所提堆芯设计方案在物理热工方面是可行的.     

WIMS-SN程序系统对NHR-10堆物理设计的有效性

组件计算是堆物理计算中的一个重要环节.用WIMS-SN系统计算含可燃毒物组件时,出现比较大的误差,不适宜低温供热堆含可燃毒物组件的计算.文中分析其计算过程,改进了该程序系统,使它可应用于含可燃毒物燃料组件计算.研究发现用WIMS棒束模型计算钆棒栅元归并截面时,使用的能谱是无钆燃料区的能谱,因此会带来较大误差.为了避免这种情况发生,在输运计算中必采用多群多区模型.通过与TPFAP程序校算,二者差别较小,说明该程序系统可以应用于低温供热堆的物理设计.     

低温供热堆温度系数的计算研究

本文介绍了供热堆反应性温度系数的计算方法，以２００ＭＷ堆为设计实例，计算了初装堆芯的燃料温度系数和慢化剂温度系数。同时，对于首炉运行工况下的温度系数作了比较细致的计算，这些计算结果为低温堆物理设计提供了科学依据。     

一种耐高温多层热防护组件结构设计与性能研究

研究了由多种功能层材料组成的热防护组件的结构设计方法与热防护性能.利用仿真计算模拟了高温热环境下由不同厚度的面板层材料与隔热层材料组成的热防护组件的热响应行为,并通过石英灯加热考核验证了优化设计的热防护组件的耐温隔热与可重复使用性能.结果表明,致密的面板层材料具有优异的耐温性能,而由气凝胶组成的隔热层材料具有极低的热导率.根据目标环境匹配设计两种功能层材料厚度,可使多层热防护组件具备经最高温度1 600℃的加热考核后,背温仅为118℃的优异耐温隔热性能.      

生物质烧结燃料反应性优化研究

由于生物质燃料放热反应太快，直接应用在烧结中导致火焰前峰与热波前峰不匹配影响烧结矿性能.因此，利用CaO粉末对生物质燃料孔隙进行填充和生物质燃料“包裹制粒”对生物质燃料改性，并利用差热实验和热重实验对改性后燃料和焦煤进行对比检测实验.结果表明:生物质燃料经CaO粉末改性后，生物质燃料放热开始反应温度Te提升至382.09℃，放热拐点温度Ti提高至395.23℃，差热曲线(DTA)后移延缓热量释放;改性生物质燃料经包裹制粒后，开始失重温度提高至462℃，放热时间明显延长，与焦粉失重曲线接近.     

锂离子电池三维多层多物理场模型

为了对大容量锂离子电池结构设计提供指导,使用Bernardi生热速率理论和有限元方法,构建了锂离子电池三维多层多物理场模型,通过电池恒流放电和红外热成像实验对模型进行验证。模型仿真得到的工作电压和温度数据和实验得到的结果吻合。研究发现,极耳对电池内部电流密度和温度场分布不一致有较大影响。在电池的结构设计方面,建议加宽加厚极耳,并在条件允许的情况下建议将极耳分置于电池两侧。     

含石蜡燃料热分解特性研究

采用差示扫描量热法(DSC)和热重法(TGA)对HTPB燃料、石蜡及含石蜡燃料的热分解过程进行了分析。研究了石蜡含量、碳粉含量和不同升温速率对含石蜡燃料热分解过程的影响。实验结果表明:石蜡热分解过程可以分为低温分解阶段和高温分解阶段。含石蜡燃料的热分解主要分为四个阶段;随着石蜡含量的增加,样品的初始分解反应放热峰温和第三反应放热峰温不断提前,放热量不断增大,而对其第二分解放热峰和镁粉氧化放热峰基本无影响;随着升温速率的增大,含石蜡燃料各分解反应的放热峰温不断提高,第二、第三分解反应的放热量增大;计算出了4#含石蜡燃料的第一、第二、第三热分解反应的活化能E和指前因子A。     

高温热表面油料热着火过程的时变模型与实验

针对高温热表面油液蒸发和着火过程的时变特征,考虑这一过程中的对流传质传热,建立了热源作用下油液蒸发与着火理论模型,并通过"热图法"和"奇点分析"求解出控制体着火所需的热源最低温度。以正庚烷为研究对象,对高温热表面油液蒸发与着火过程进行了实验。理论分析与实验表明:油液着火所需的热源最低温度随时间变化较大,尤其在蒸发开始的前10min内,点火温度存在极值,具有明显的时变特征,油液热着火时变模型理论预测结果与实验结果吻合较好,对机舱防火、灭火实践具有一定的参考作用。     

分体式新燃料组件干式贮存架设计研究

分体式新燃料组件干式贮存架主要用于反应堆换料用新燃料组件入堆前的吊挂贮存,安装在新燃料贮存间内,采用U型钢结构,三面靠墙的布局方案,提高了贮存架结构强度和抗震性。其基体材料为碳钢,表面涂层材料为奥氏体不锈钢,不污染新燃料组件,可长时间免维护,兼顾了强度、制造工艺和耐腐蚀性能的要求。由于采用分体模块化结构,便于分散制造,集中组装,在不破坏整体结构的情况下,通过增加新的贮存模块,提高贮存燃料组件数量,具有占地面积小、安全可靠、操作方便、制造成本低,便于生产制造、安装、调试等特点。     

反转压水反应堆热工水力特性初步研究

采用CFD软件FLUENT对反转压水反应堆(IPWR:Inverted Pressurized WaterReactor)单个燃料元件及冷却剂通道流场进行了数值模拟计算,分析比较了不同栅格尺寸情况下的热工水力特性.计算结果表明,栅格尺寸对IPWR燃料元件温度及冷却剂流动传热特性有较大影响,为今后IPWR燃料栅元、组件、堆芯设计和热工水力分析提供了初步参考和依据.     

板式固体氧化物燃料电池的热应力分析

为了深入掌握固体氧化物燃料电池(SOFC)的结构性能,进而提高其可靠性,在对SOFC的内部流动和电化学特性进行数值模拟,对顺流和逆流两种流动情况下板式SOFC内温度分布、电势特征和电流密度特征进行分析的基础上,将数值计算得到的温度场作为载荷施加到SOFC的热应力模型中,建立了数值模拟SOFC的有限元热应力模型,对SOFC关键结构中的三合一电极板中的热应力分布特征进行了分析研究.研究结果表明:相对于顺流形式,逆流形式燃料入口附近的温度梯度要大得多;材料间热膨胀系数的不匹配导致了热应力的产生;热应力的大小与温度分布和温度梯度密切相关.由于过大的热应力可能会导致SOFC结构开裂甚至破坏,该研究工作为SOFC单电池和电池堆的设计优化提供了重要的理论依据.