液态熔盐堆物理热工研究与安全特性初步分析

发布时间：2019-09-13 04:52

【摘要】：熔盐堆采用循环流动的液体燃料,具有资源的可持续性、高度的安全性、良好的经济性和可靠的防扩散性等特点,满足核能可持续发展的需要,是第四代反应堆国际论坛(GIF)挑选出的六种重点发展堆型之一。随着美国橡树岭国家实验室在上个世纪60年代提出熔盐堆的设计并建造了第一个熔盐实验堆MSRE,许多国家和研究机构都对熔盐堆进行相关调研与研究并且提出了很多概念设计。在2011年,围绕国家能源安全与可持续发展需求,中国科学院启动了“未来先进核裂变能”战略性先导科技专项,其中包括由上海应用物理研究所承担的钍基熔盐堆核能系统(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR),目的是致力于研发第四代先进裂变反应堆核能系统。由于液态熔盐堆与传统固态燃料反应堆的差异性,使得传统适用于固态燃料反应堆的分析计算程序无法准确分析液态熔盐堆。本文针对液态熔盐堆的相关特点,建立了新的物理分析模型,开发了适用于熔盐堆的安全分析计算程序。本文首先第一章中介绍了熔盐堆的特点及国内外熔盐堆的发展历史及现状,然后调研了其他研究单位对熔盐堆物理热工参数的计算方法。然后在第二章中先详细推导了适用于熔盐堆的中子动力学方程,特别是考虑了熔盐流动对缓发中子先驱核分布的影响。求解堆芯内有效缓发中子先驱核份额需要中子价值作为权重函数,因此建立了熔盐不流动工况下中子价值方程,并得到了堆芯有效缓发中子先驱核份额的计算公式。接下来又介绍了熔盐堆热工水力学计算,由于不需要考虑熔盐的沸腾与凝固,在计算过程中不需要考虑熔盐的相变因素,在热工水力学计算过程只需要考虑单相流体。熔盐堆堆芯内各石墨通道仅在进出口处的上下腔室相连接,石墨通道内不存在流动交互,可以看成一组并联多通道,因此在计算熔盐堆热工水力学时,使用并联通道模型计算流量分配问题。流量分配计算完成后,再用单通道传热模型计算在各个石墨通道内的熔盐传热计算,得到堆芯温度分布。最后介绍了本文所开发程序的计算流程:中子物理计算与热工水力学计算的稳态耦合计算流程与瞬态耦合计算流程。在第三中详细介绍了美国橡树岭国家实验室所建立的MSRE堆芯物理参数,以MSRE为计算对象,建立物理模型,计算分析相关实验结果,并利用MSRE实验数据对耦合模型进行了验证,计算了MSRE正常工况下堆芯有效DNP份额,恒功率启停泵时堆芯内反应性的变化及自然循环时堆芯功率及出口温度的变化,最后计算了MSRE的其他瞬态工况并分析了计算结果。第四章中首先介绍了上海应用物理研究所研究设计的液态熔盐堆TMSR-LF1的堆芯物理参数,然后针对TMSR-LF1,建立了适用于程序计算的物理模型。接下来计算了TMSR-LF1的一系列瞬态工况,分析了在各种工况下缓发中子在堆芯内外的分布情况,及堆芯温度对熔盐流量分配的影响,初步研究了TMSR-LF1在零功率下恒功率启停泵,零功率下无保护启停泵,额定功率2MW下停泵,堆芯入口温度下降与上升,以及加入一定反应性时堆芯功率与熔盐石墨温度的变化情况。本文主要工作是发展适用于液态熔盐堆的二维RZ圆柱几何时空中子动力学程序和与之耦合的热工水力学程序,研究液态熔盐堆的稳态与瞬态工况下的相关参数,验证液态熔盐堆的安全可行性。在使用所开发程序对MSRE及TMSR-LF1的相关计算结果分析中,不仅验证了程序的可靠性与正确性,同时也证明了TMSR-LF1设计的可行性与安全性。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL426

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