小型自然循環(huán)鉛冷快堆SNCLFR-100一回路主冷卻系統(tǒng)熱工安全分析.pdf

1、鉛冷快堆具備良好的增殖核燃料和嬗變核廢料潛力，擁有突出的經(jīng)濟(jì)性和固有安全性，被第四代國際核能論壇(GIF)視為有望成為首個(gè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)示范化的第四代核能系統(tǒng)。小型自然循環(huán)鉛冷快堆一回路主冷卻系統(tǒng)采用全自然循環(huán)驅(qū)動，可進(jìn)一步簡化鉛冷快堆的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，避免液態(tài)金屬泵制造和運(yùn)行給鉛冷快堆技術(shù)研發(fā)帶來的一系列挑戰(zhàn)，具有良好的發(fā)展前景。掌握自然循環(huán)鉛冷快堆一回路主冷卻系統(tǒng)的熱工安全特性是研發(fā)該新型反應(yīng)堆亟需探索和研究的核心技術(shù)之一。
　　本文針對

2、自然循環(huán)鉛冷快堆一回路主冷卻系統(tǒng)熱工安全分析的需求，從熱工設(shè)計(jì)與分析程序開發(fā)、三維穩(wěn)態(tài)熱工水力特性研究和瞬態(tài)熱工安全性能分析等方面開展100Wth小型自然循環(huán)鉛冷快堆SNCLFR-100一回路主冷卻系統(tǒng)的熱工安全分析研究，論文的主要工作包括:
　　(1)針對小型自然循環(huán)鉛冷快堆一回路主冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，建立了物性、傳熱和壓降模型，單通道模型，閉式并聯(lián)多通道模型和最熱通道模型等熱工水力分析模型;基于上述模型開發(fā)了具備熱工水力設(shè)計(jì)和

3、穩(wěn)態(tài)熱工性能分析雙重功能的STAC程序;并開展了程序相關(guān)模塊和主體功能的初步驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，STAC程序的計(jì)算結(jié)果具有良好的準(zhǔn)確性和可信度;最后基于STAC程序?qū)NCLFR-100一回路主冷卻系統(tǒng)溫度分布、壽期初和壽期末的堆芯溫度分布及一回路主冷卻系統(tǒng)自然循環(huán)能力進(jìn)行了分析研究。
　　(2)基于SNCLFR-100一回路主冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，建立了其四分之一整體CFD分析模型和全堆芯CFD分析模型，開發(fā)了穩(wěn)態(tài)燃料棒熱傳導(dǎo)模型和

4、穩(wěn)態(tài)主熱交換器換熱模型，并進(jìn)行了湍流模型選取、多孔介質(zhì)模型使用和堆芯釋熱方式應(yīng)用的數(shù)值模擬方案研究;利用ANSYS FLUENT開展了額定工況下整體三維熱工水力特性分析和全堆芯自然循環(huán)流量分配特性研究，對一回路主冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷卻劑的流動和換熱現(xiàn)象、堆芯入口流量分配特性進(jìn)行了較深入的分析，并對一回路主冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的優(yōu)化建議;最后基于理論計(jì)算和CFD模擬，對全堆芯流量分配方案進(jìn)行了初步優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了堆芯各組件流量份額和功率份額的

5、匹配。
　　(3)利用熱工水力系統(tǒng)安全分析程序ATHLET對SNCLFR-100一回路主冷卻系統(tǒng)的瞬態(tài)熱工水力特性進(jìn)行了分析，重點(diǎn)研究了無保護(hù)超功率事故(UTOP)、無保護(hù)失熱阱事故(ULOHS)和無保護(hù)超功率疊加失熱阱事故(UTOP+ULOHS)3類嚴(yán)重事故下反應(yīng)堆一回路主冷卻系統(tǒng)的安全響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明:SNCLFR-100具有良好的固有安全性，各事故下堆芯安全的最大挑戰(zhàn)來自于包殼材料無法承受過高的溫度而失效。
　　

6、(4)針對現(xiàn)有的系統(tǒng)安全分析程序和CFD程序在分析小型自然循環(huán)鉛冷快堆一回路主冷卻系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜三維流動現(xiàn)象時(shí)均存在局限性的問題，基于系統(tǒng)安全分析程序ATHLET和CFD程序ANSYS FLUENT提出了耦合三維特性的瞬態(tài)熱工安全分析方法，并基于該方法開展了SNCLFR-100的全廠斷電事故(SBO)分析，重點(diǎn)研究了事故工況下上腔室的熱分層現(xiàn)象以及一維和三維熱工水力現(xiàn)象的耦合反饋。
　　本文旨在研發(fā)自然循環(huán)鉛冷快堆一回路主冷卻系統(tǒng)熱工