基于多尺度耦合分析方法的M~2LFR-1000瞬态热工安全特性研究

发布时间：2020-07-18 13:20

【摘要】：铅冷快堆具有良好的中子学、热工水力特性以及固有安全性,是发展潜力巨大的第四代反应堆。由于铅冷快堆多采用池式结构,在反应堆内存在一些复杂的冷却剂流动和三维热工水力现象,如冷却剂局部搅混和热分层现象。这些现象会影响主冷却剂系统内相关热工参数的变化,而这些局部的三维现象又严重依赖于系统尺度所决定的边界条件。传统系统安全分析程序采用一维模型,无法准确模拟池式堆中的三维现象,而由于计算机条件限制,CFD程序暂无法开展整个反应堆系统级别的模拟。为了克服这些困难,系统-CFD多尺度耦合分析程序ATHLET-OpenFOAM得到了开发。本文基于此耦合分析程序,采用中等模块化铅冷快堆M2LFR-1000为研究对象,开展池式铅冷快堆的一回路主冷却剂系统多尺度瞬态热工安全特性研究,进一步评估M2LFR-1000的瞬态安全特性。本文的主要研究工作包括:(1)对M2LFR-1000设计方案进行了简要介绍,描述了该反应堆的总体系统以及堆芯重要组件设计;对本文开展多尺度瞬态热工安全特性研究的工具ATHLET-OpenFOAM耦合分析程序进行简要介绍,为铅冷快堆的多尺度瞬态热工安全特性研究奠定基础。(2)对ATHLET-OpenFOAM耦合分析程序开展了相应的验证,包含简单铅冷开式回路、简单铅冷闭式回路以及复杂闭式回路,验证结果表明耦合分析程序在耦合接口处热工水力参数传递具有足够的准确性和收敛性,能准确地模拟池式结构中局部三维现象对冷却剂回路瞬态热工水力参数的动态响应,能够用于池式铅冷快堆M2LFR-1000典型事故工况下的多尺度瞬态热工安全特性研究。(3)基于多尺度耦合程序ATHLET-OpenFOAM对M2LFR-1000的一回路主冷却剂系统开展瞬态热工安全分析,详细研究了在有保护失流事故(PLOF)以及无保护失流事故(ULOF)下M2LFR-1000一回路主冷却剂系统各主要热工参数的变化规律以及上腔室的复杂三维现象,结果表明在事故过程中上腔室复杂三维效应对冷却剂系统有一定的影响,但M2LFR-1000在事故工况下仍然具有足够的安全性。本文实现了对池式铅冷快堆一回路主冷却剂系统更精确的瞬态热工安全特性研究,揭示了池式铅冷快堆在失流事故中热分层、冷却剂搅混等典型三维热工现象对相关热工参数的影响,相关研究成果进一步丰富了铅冷快堆瞬态热工安全特性研究方法,对推动铅冷快堆的发展提供一定的基础。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL433
【图文】：

全分析对提高铅冷快堆安全具有重要意义。本章对论文的主要研宄对象中型模块逡逑化驱动循环铅冷快堆Ｍ２ＬＦＲ－１０００现有设计方案以及多尺度耦合方法分析工具逡逑ＡＴＨＬＥＴ－ＯｐｅｔｉＦＯＡＭ耦合程序进行了简要介绍。逡逑２．１邋Ｍ２ＬＦＲ－１０００反应堆总体设计逡逑２．１．１总体介绍逡逑基于各代反应堆设计经验和现实可行的技术＆材料，中国科学技术大学物理逡逑学院的陈红丽教授设计了中型模块化驱动循环铅冷快堆Ｍ２ＬＦＲ－１０００（邋１０００－ＭＷｔ逡逑Ｍｅｄｉｕｍ－ｐｏｗｅｒ邋Ｍｏｄｕｌａｒ邋Ｌｅａｄ－ｃｏｏｌｅｄ邋Ｆａｓｔ邋Ｒｅａｃｔｏｒ），并完成了邋总体方案设计以及初逡逑步的热工水力分析和安全分析【３２〗。逡逑Ｍ２ＬＦＲ－１０００主热传输系统由３个冷却剂回路系统组成。一回路系统所用工逡逑质为液态铅，正常工况下由泵驱动循环流动，事故工况下有一定的自然循环能力。逡逑二回路系统采用朗肯循环，所用工质为水／过热水蒸气（压力为１８ＭＰａ）。三回路系逡逑统（最终热阱）采用空气冷却方式，如图２．１所示，热传输系统设计参数见表２．丨。逡逑

２．１．３堆芯布置及组件结构逡逑Ｍ２ＬＦＲ－１０００反应堆堆芯包括了邋３３５个燃料组件、１２个控制棒组件、１２个安逡逑全棒组件和１３２个哑组件。为了展平功率和对燃料进行管理，燃料组件被分为内逡逑外两区，内区共１６３个燃料组件，外区共１９２个燃料组件。活性区高度ｌｍ，等逡逑效直径４．０４８ｍ。堆芯呈扁平状结构。图２．３表示了堆芯布置。总体堆芯设计参数逡逑见表２．２。Ｍ２ＬＦＲ－１０００燃料组件采用８层排布，燃料棒间距１４ｍｍ，每个燃料组逡逑件中有１６９根燃料棒，通过５层定位格架固定，如图２．４。Ｍ２ＬＦＲ－１０００燃料棒采逡逑用圆柱形结构，燃料棒上下两端有屏蔽层和端塞，燃料组件设计参数见表２．３。逡逑表２．２邋Ｍ２ＬＦＲ－１０００总体堆芯设计参数逡逑逦反应堆逦革新型反应堆逦逡逑燃料组件数目逦３５５逡逑内区燃料富集度逦Ｐｕ0２ｌ５．９％＋Ｕ０２８４．１％逡逑外区燃料富集度逦Ｐｕ０２１９．４％＋ＵＯ２８０．６％逡逑控制棒组件数目逦１２逡逑

Ｍ２ＬＦＲ－１０００反应堆中的单个控制棒／安全棒组件在堆芯所占位置与单个燃逡逑料棒组件所占空间相同。控制棒／安全棒组件布置在导向管中，采用多棒设计。逡逑Ｍ２ＬＦＲ－１０００的控制棒组件以及安全棒组件的径向结构布置如图２．５以及图２．６逡逑１２逡逑

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