鉛基快堆子通道耦合分析方法研究及應用.pdf

1、在當前清潔能源發(fā)展推動的大環(huán)境下，核能成為主要的能源解決方案之一。對于核能技術(shù)的發(fā)展，核安全問題、核燃料資源短缺問題、乏燃料后處理、防擴散問題等都是影響其推廣應用的重要因素。鉛基冷卻快堆作為第四代核能系統(tǒng)的重要備選方案，在安全性性、可持續(xù)性、經(jīng)濟性、技術(shù)可靠性、運行經(jīng)驗等方面具有其獨有的優(yōu)勢。國際上目前對液態(tài)金屬反應堆開展了大量的設計和研究工作，針對液態(tài)金屬反應堆的各類計算和分析工具亟待開發(fā)，本文以鉛冷快堆內(nèi)的熱工水力特性和瞬態(tài)安全特性

2、為研究基礎(chǔ)，以程序開發(fā)—程序驗證—算例分析為基本技術(shù)路線，開發(fā)了適用于第四代液態(tài)金屬反應堆的堆芯子通道分析程序，并以此為基礎(chǔ)進行二次開發(fā)，研究了反應堆熱工水力耦合分析方法，及其在鉛冷快堆中的應用。本文的主要工作包括以下內(nèi)容:
　　(1)針對鉛冷快堆的熱工水力特性建立了子通道分析模型，包括流體控制方程、燃料元件導熱方程，充分考慮了各理論模型可能對子通道程序計算結(jié)果產(chǎn)生的影響。建立了各種輔助模型，考慮了液態(tài)金屬的物性特點，比較了各種經(jīng)

3、驗關(guān)系式的優(yōu)劣，總結(jié)出適用于液態(tài)金屬冷卻劑子通道計算的理論模型。通過數(shù)值方法將子通道理論模型進行離散，采用穩(wěn)定、高效的計算方法求解各項方程，完成KMC-sub子通道分析程序的編制并進行了測試。
　　(2)基于實驗驗證的方法完成了KMC-sub子通道分析程序的計算準確性和適用性的驗證工作，使用液態(tài)金屬特別是鉛基液態(tài)重金屬組件棒束實驗數(shù)據(jù)對程序計算結(jié)果進行比較，對子通道程序進行了模塊化和整體驗證，分別從壓降模型、換熱模型、溫度場分析等

4、幾個方面對程序結(jié)果的正確性、合理性以及適用性進行了詳細分析。驗證結(jié)果表明，KMC-sub程序計算結(jié)果正確合理可信，具有較高的計算精度，且同時適用于鈉冷卻劑和液態(tài)重金屬冷卻劑反應堆的計算;開展了SNCLFR-100堆芯的熱工水力特性分析，結(jié)果顯示包殼最高溫度、冷卻劑最大速度等關(guān)鍵熱工水力學參數(shù)滿足熱工水力安全設計準則，設計方案合理可行。
　　(3)以KMC-sub子通道分析程序和點堆中子動力學為基礎(chǔ)，發(fā)展了熱工-物理耦合快速分析程序

5、，使用FLUENT/PK對耦合程序開展了準確性和適用性驗證，以反應性引入事故為基準算例，對計算結(jié)果進行比較和分析，驗證結(jié)果表明，耦合程序的計算結(jié)果與FLUENT/PK結(jié)果吻合度較高，熱工-物理基礎(chǔ)模型正確合理，程序具有較高的準確度和合理性;考慮液態(tài)金屬的反饋反應性和中子能譜特征，對堆芯等效組件和堆芯幾何參數(shù)配置方案的瞬態(tài)熱工水力特性進行了比較和分析，結(jié)果表明溫度等效組件的計算結(jié)果更合理;堆芯瞬態(tài)行為對節(jié)徑比敏感，節(jié)徑比越大，溫度負反饋越

6、強。
　　(4)結(jié)合KMC-sub子通道分析程序和FLUENT程序各自的計算原理和數(shù)據(jù)處理特點，以用戶自定義函數(shù)為基礎(chǔ)，初步完成了CFD-子通道耦合分析程序開發(fā)，在時間迭代方式上采用顯式耦合，同時試驗了分隔區(qū)域法和重疊區(qū)域法的耦合方法。子通道程序和控制宏以UDF的形式整體編譯，通過交界面實現(xiàn)程序之間的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了局部尺度和部件尺度的多尺度耦合模擬計算;以子通道程序為基礎(chǔ)擬合了CFD多孔介質(zhì)模型的阻力系數(shù)曲線，開展了鉛冷快堆三維