基于物理热工耦合的通道式熔盐堆动力学分析方法研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 崔勇 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 蔡翔舟 |
| 关键词 | 熔盐堆 动力学 节块展开法 热工水力学 指数变换 核热耦合 |
| 英文摘要 | 为解决核能发展面临的安全性、乏燃料处理和核燃料短缺等问题,世界范围内广泛开展了新型反应堆的设计与分析研究。作为第四代核能系统的六种候选堆型之一,熔盐堆使用液体燃料,具有本征安全、无水冷却、物理防核扩散、适合钍铀燃料循环及易于小型模块化等特点。然而,熔盐堆特有的燃料流动性和堆芯自冷却等特点,使得其临界性能和动力学特性与传统固态燃料堆有着本质区别。相比于传统堆型,熔盐堆内中子通量、温度、流量、应力和核素浓度等多个物理场的耦合效应更加显著。中子学与热工水力学是熔盐堆多物理耦合分析的基础。因此,开展基于物理热工耦合的动力学分析方法研究,对于熔盐堆的设计和安全许可具有重要的学术意义和工程价值。针对通道式熔盐堆,本文在中子学和热工水力学的耦合中采用隐式策略。为满足动力学分析对中子通量反复求解的需求,采用基于确定论的“组件-堆芯”两步法进行中子学计算。基于组件少群参数的反馈模型是核热耦合计算的关键。针对不同类型组件,建立了合适的等效均匀化模型,并基于最小二乘方法实现了一系列离散工况点下宏观截面的参数化。在中子动力学方面,考虑燃料的流动效应,基于四阶多项式节块展开法求解中子通量,采用无条件稳定的全隐式向后差分格式和指数变换方法对时间相关的中子扩散方程进行离散和求解。以上各方法在有效提高计算精度的同时节省了计算成本。考虑到通道式熔盐堆特有的流动-传热特性,采用并联多通道模型及单通道传热模型进行热工水力学计算。稳态下,基于“预估-修正”思想实现压力-速度方程的脱耦,求解得到燃料的流量分布、压力分布和温度分布。同时,根据熔盐与石墨之间的对流换热关系,得到石墨温度分布的解析解;瞬态下,利用拟牛顿法迭代求解压力和流量变量构成的非线性方程组,并引入有效传热系数方法求解石墨热传导方程。基于上述理论模型和数值方法,开发了通道式熔盐堆动力学分析程序TMSR3D。无流动情形下,对固体燃料堆稳态与瞬态扩散基准题的验证过程表明了所开发的程序在临界计算和中子动力学计算中的有效性;基于熔盐实验堆MSRE运行数据的验证与确认过程表明了TMSR3D程序中的少群参数模型、缓发中子先驱核流动模型、多通道热工水力学模型及核热耦合模型的正确性,该程序可对通道式熔盐堆的动力学行为提供合理描述;对MSRE的进一步分析也证明了其堆芯设计的固有安全性。最后,利用TMSR3D程序对2MWth钍基熔盐实验堆(TMSR-LF)进行了稳态与瞬态分析。稳态计算结果表明:TMSR-LF在额定工况下的最高温度、缓发中子损失比例等关键参数均在设计限值以下;瞬态计算结果表明:当一回路燃料流量发生变化时,堆芯的动力学响应不仅与流量变化引起的温度反馈效应有关,也与流量变化直接引起的反应性变化相关。由于TMSR-LF的负温度反馈设计,在热阱丧失和堆芯入口过冷事故中,即使保护系统无动作,反应堆也可从瞬态过渡至稳态或实现自动安全停堆。在反应性引入事故中,堆芯的动力学响应主要由所引入的反应性与有效缓发中子份额的比值(ρ/β)、温度反馈效应和堆芯冷却性能等诸多因素共同决定。ρ/β越大,功率变化越剧烈。在一定范围内,堆芯初始功率越高,反应性引入越多,温度反馈效应更加显著,堆芯过渡至稳态所需的时间也更短。总的来说,针对通道式熔盐堆,本文开展了等效均匀化参数模型、基于节块展开法和指数变换的中子动力学模型和基于并联多通道近似的热工水力学模型等方面的方法研究,开发了基于核热耦合的动力学分析程序TMSR3D。采用相关基准题和MSRE实验数据完成了程序的验证与确认过程,并对我国首座钍基熔盐堆TMSR-LF的概念设计进行了稳态与瞬态分析,研究了其核热耦合机制和动力学特性。本文所建立的数值模型和计算方法,可以用于系列熔盐堆设计与安全分析。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33854]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 崔勇. 基于物理热工耦合的通道式熔盐堆动力学分析方法研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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