球床式高温气冷堆的余热不确定性分析

反应堆在停堆后相当长时间内仍具有较高的剩余发热是核电站的重要特性,也是核电站安全分析的关键。因此,对反应堆余热及其不确定性进行分析,对于合理设计余热排出系统、研究论证燃料元件在事故后的安全特性等均具有重要意义。本工作结合德国针对球床式高温气冷堆制定的余热计算标准,介绍了球床式高温气冷堆剩余发热及其不确定性的计算方法,并结合200 MWe球床模块式高温气冷堆示范工程（HTR-PM）的初步物理设计,对长期运行在满功率平衡堆芯状态下的反应堆停堆后的余热及其不确定性进行了计算分析,为进一步的事故分析提供依据。     

球床式高温气冷堆球流混流的影响分析

研究球床式高温气冷堆球流存在的混流对堆芯关键参数的影响。开发了能模拟球流混流过程与效果的MFVSOP程序。选择球床模块式高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)平衡堆芯为研究对象,对比分析不同的混流程度对堆芯功率峰值、功率密度等参数的影响及其不确定性。分析发现,混流对球床式高温气冷堆关键参数的不确定性影响不大,多次通过的燃料循环方式可降低不确定性。     

球床式高温气冷堆球流及球床辐射的理论与实验研究进展

球床堆芯的球流及等效导热系数是直接影响球床式高温气冷堆设计、运行和安全的重要依据,具有重要的意义。清华大学核能与新能源技术研究院近年对球流和球床等效导热系数进行了实验测量、理论研究和数值模拟,全面深入地揭示了球流规律、球流纺及径向内扩散规律、球床几何优化、物性参数影响、球流流态表征及刻画、球床等效导热系数建模等。本文对此进行了回顾总结,并指出了下一步的研究方向。     

球床式高温气冷堆MOX燃料循环优化

与压水堆相比,球床式高温气冷堆能在堆芯结构不做明显改变的情况下采用全堆芯装载混合氧化物（MOX）燃料元件。基于250 MW球床模块式高温气冷堆堆芯结构,设计了4种球床式高温气冷堆下MOX燃料循环方式,包括铀钚混合的燃料球和独立的钚球与铀球混合装载的等效方式,采用高温气冷堆设计程序VSOP进行分析,比较了初装堆的有效增殖因数、燃料元件在堆芯内滞留时间、卸料燃耗、温度系数等主要物理特性。结果表明：采用纯铀和纯钚两种分离燃料球且铀燃料球循环时间更长的方案,平均卸料燃耗较高,总体性能较其他循环方式优越。     

球床高温气冷堆吸收体价值计算的验证

VSOP程序广泛用于球床高温气冷堆的工程设计。对于被布置在堆芯侧反射层孔道中、用于反应性控制的吸收体,由于物理计算方法的限制,VSOP程序不具备计算其价值的功能,必须借助其他确定论程序进行外部耦合计算,涉及到几何的近似处理、截面的归并和转换,可能引入额外的误差。为此,本文采用蒙特卡罗程序建立了精细的堆芯模型,真实描述了堆芯活性区的球床结构、侧反射层的孔道结构、吸收体的形状和位置,在同样的堆芯状态下,比较了确定论耦合程序和MCNP程序计算得到的吸收体价值。结果表明：确定论耦合程序的计算结果是准确的,从设计角度上是偏保守的。     

球床高温气冷堆使用可燃毒物的方案探讨

为改善球床高温气冷堆在特定情况下功率分布的形状和峰值,可在燃料球内添加可燃毒物。本文分析两种可燃毒物的添加方式,燃料球石墨基体均匀添加可燃毒物和燃料球内添加可燃毒物颗粒。由于¹⁰B的强吸收性能,均匀添加可燃毒物的消耗速度过快,不易控制,而通过添加不同尺寸的可燃毒物颗粒可优化燃耗速度,有效改善堆芯功率分布的形状和峰值。     

高温气冷球床堆有效导热系数模型的改进

有效导热系数是高温气冷球床堆热工设计和安全分析程序中的基本参数,ZBS模型广泛应用于球床结构有效导热系数的预测。本文针对ZBS模型中的关键经验型参数——接触面积系数φ进行了分析,通过对不同堆积结构球床有效导热系数的数值分析,获得了12组接触直径比和配位数及其对应的φ值,然后通过多元线性分析获得φ的计算公式。与德国SANA实验结果进行比较,发现改进后的ZBS模型预测能力优于其他模型。改进后的ZBS模型的计算结果与先前实验测量的球床主体区域的有效导热系数吻合也很好。本文研究结果可为高温气冷球床堆的设计和安全分析提供理论支持。     

蒙特卡罗方法用于HTR-10首次临界燃料装料预估的校算

在10MW球床式高温气冷实验堆(HTR—10)首次临界前．达到首次临界的堆芯燃料球装量预估是物理设计的一项重要任务．为了确保物理设计的可靠性．引入蒙特卡罗程序MCNP对VSOP程序的计算结果进行校验。根据HTR—10的特点对燃料元件和堆结构．设计出近似而合理的MCNP描述;再选择合理的计算特征值问题的参数,包括跳过的周期数、每周期标定的源数目和得到特征值的周期数;研究燃料球结构的不同描述对κeff的影响;确定较优的计算方案。该方案的计算结果表明,在27℃、空气气氛下,MCNP和VSOP程序预估的达到首次临界的总球数分别为16864个和16821个,相对误差为0．25％。HTR-10的首次临界实验表明．预估与实验的结果相对误差小于1．0％。     

基于γ测量的球床式高温气冷堆内乏燃料球探测方案的模拟分析

在球床式高温气冷堆中,对排出堆芯的乏燃料球的探测和数量统计是燃料监测的重要内容。按国际原子能机构针对球床式高温气冷堆核安保的要求,对于燃料装卸系统管道内的燃料监测应开发一种独立于现有涡流检测原理的新监测方案。本文提出了一种基于γ测量原理的新探测方案,设计了探测器构型,对其在堆稳态运行时的探测功能进行验证。结合球床式高温气冷堆HTR-10的燃料球放射性核素数据,及对不同球速不同燃耗的燃料球经过探测区域过程的蒙特卡罗模拟分析,验证了此方案对单个燃料球鉴别和计数的可靠性,同时证明了该方案对于燃料球球流探测的可行性,为今后该探测方案的完善和实际装置的制作提供了设计基础。     

石墨粉尘通过高温气冷堆堆芯球床结构的运动行为研究

高温气冷堆在运行过程中产生带有放射性的石墨粉尘,对反应堆的运行安全和环境安全造成一定影响。本文选取二维球床流场,采用离散相模型分析了堆芯球床结构对石墨粉尘颗粒的扩散和沉积的影响。计算结果表明:球床结构能有效阻碍石墨粉尘颗粒的扩散;沉积在球床结构上的石墨粉尘颗粒数目随堆芯内氦气流速的增加而增大,而由于受到颗粒惯性及热泳力的作用其增长趋势逐渐放缓;石墨粉尘颗粒在球床结构上的沉积效率随粒径的逐渐增加呈现"几乎不变-快速增长-缓速增长"的态势。     

10MW高温气冷堆乏燃料元件的贮存

10MW高温气冷堆（HTR-10）在设计寿命内共卸出约9万个乏燃料元件，其放射性裂变产物的活度高达1.0×10¹⁶Bq，必须妥善处置。HTR-10乏燃料元件卸在密封和屏蔽的乏燃料罐内，每罐可容纳2000个乏燃料元件。这些罐暂存在反应堆建筑物最底层的乏燃料暂存库内，在库内采取通风冷却。若干年后，通过转运小车运至反应堆大厅竖井下方，再用大厅吊车从竖井吊至地面，最后用卡车运至最终贮存库。     

10MW高温气冷实验堆石墨砖的三维辐照应力分析

为分析快中子辐照和高温等条件下石墨砖在整修寿期内的力学行为，采用改编的ＡＤＩＮＡ和ＡＤＩＮＡＴ程序，计算了１０ＭＷ高温气冷实验堆石墨砖受快中子辐照后所产生的变形和应力历史。计算结果表明，改编后的ＡＤＩＮＡ和ＡＤＩＮＡＴ程序考虑了温度和辐照条件下多个参数的变化，可以用来分析石墨砖在辐照条件下的应力和变形。     

高温气冷堆新燃料元件运输容器临界安全分析

采用基于蒙特卡罗方法的MCNP5程序对高温气冷堆所用的球形燃料元件进行描述;根据包覆燃料颗粒在燃料球内的分布性质构建了8种不同模型,并研究不同模型对有效增殖因子（keff）和计算时间的影响,获得了临界计算问题中最优的燃料球模型;运用MCNP5描述燃料球运输容器,并研究了容器中子吸收板厚度、外容器壁厚、缓冲层材料、反射层材料、容器形状、容器结构缺失和水密度等影响运输容器临界安全的因素。结果表明,所研究的高温气冷堆新燃料元件运输容器在正常运输条件下和事故运输条件下均处于临界安全状态,其临界安全指数（CSI）可定为0。      

球床模块式高温气冷堆在线燃耗测量系统准直器性能的Monte-Carlo分析

针对球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)燃耗测量系统的设计特点,利用Monte-Carlo模拟方法,分析球形体源测量中不同形式的限制束流的准直器的性能及其对燃耗测量的影响.结果表明,对HTR-PM在线燃耗测量,选择双锥孔准直器更为适宜.     

高温球床壁面区域有效导热系数模型优化

有效导热系数用来表征高温气冷球床堆堆芯综合传热能力,提高球床有效导热系数的预测精度对于高温气冷球床堆的热工设计和安全分析十分重要。为了优化球床壁面区域有效导热系数模型,本文针对无序石墨球床有效导热系数开展数值研究,分析了无序堆积球床主体区域、近壁面区域以及壁面区域有效导热系数的分布特性。结果表明：壁面区域有效导热系数相对于主体区域和近壁面区域显著降低,其平均降幅约为22%。因此引入了修正系数C_w对ZBS模型在壁面区域进行优化,对于球床主体区域及近壁面区域修正系数C_w=1,对于壁面区域,修正系数C_w=0.78。通过与前期无序球床实验数据和南非HTTU实验数据的对比,验证了优化后的ZBS模型能较好地预测球床壁面区域有效导热系数。     

氚增殖剂球床组件堆内辐照物理热工计算分析

为验证在中国先进研究堆(CARR)内进行国际热核聚变实验堆(ITER)氚增殖包层模块(TBM)辐照实验的可行性和安全性,进行了氚增殖剂球床组件堆内辐照物理及热工计算分析。氚增殖剂包层模块主要是固态氚增殖剂陶瓷球床。本文采用Monte Carlo粒子输运模拟程序对氚增殖剂球床进行堆内建模,计算球床的中子注量率、能量沉积和产额,得到不同功率下球床的中子注量率、发热功率和产氚速率以及球床组件引入反应堆的反应性。根据物理计算得到的组件各部件发热情况建立热工计算一维模型,通过更改反应堆功率得到满足实验要求的工况并采用三维程序进行验证。物理与热工计算分析的结果表明,在反应堆运行功率为20 MW的工况下球床组件各部件的温度均不超过限值。     

New Numerical Method for Equilibrium Cycles of High Conversion Pebble Bed Reactors

A new code PREC2 was developed by modifying the PREC code to solve equilibrium OTTO cycle of the pebble bed reactor. The effective multiplication factor at the equilibrium cycle can be chosen as an input. The PREC2 code can analyze high-coverter (or breeder) reactors, for which the calculations by the SOR-Newton method employed in the PREC code can not be converged.