鉛基快堆子通道耦合分析方法研究及應(yīng)用.pdf

1、在當(dāng)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(kuò)散問題等都是影響其推廣應(yīng)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(jì)性、技術(shù)可靠性、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等方面具有其獨(dú)有的優(yōu)勢。國際上目前對液態(tài)金屬反應(yīng)堆開展了大量的設(shè)計(jì)和研究工作，針對液態(tài)金屬反應(yīng)堆的各類計(jì)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(yàn)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(yīng)堆的堆芯子通道分析程序，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開發(fā)，研究了反應(yīng)堆熱工水力耦合分析方法，及其在鉛冷快堆中的應(yīng)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(dǎo)熱方程，充分考慮了各理論模型可能對子通道程序計(jì)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(diǎn)，比較了各種經(jīng)

3、驗(yàn)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(jì)算的理論模型。通過數(shù)值方法將子通道理論模型進(jìn)行離散，采用穩(wěn)定、高效的計(jì)算方法求解各項(xiàng)方程，完成KMC-sub子通道分析程序的編制并進(jìn)行了測試。
　　(2)基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法完成了KMC-sub子通道分析程序的計(jì)算準(zhǔn)確性和適用性的驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對程序計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，對子通道程序進(jìn)行了模塊化和整體驗(yàn)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(jìn)行了詳細(xì)分析。驗(yàn)證結(jié)果表明，KMC-sub程序計(jì)算結(jié)果正確合理可信，具有較高的計(jì)算精度，且同時(shí)適用于鈉冷卻劑和液態(tài)重金屬冷卻劑反應(yīng)堆的計(jì)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(xué)參數(shù)滿足熱工水力安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)方案合理可行。
　　(3)以KMC-sub子通道分析程序和點(diǎn)堆中子動力學(xué)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(zhǔn)確性和適用性驗(yàn)證，以反應(yīng)性引入事故為基準(zhǔn)算例，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和分析，驗(yàn)證結(jié)果表明，耦合程序的計(jì)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(zhǔn)確度和合理性;考慮液態(tài)金屬的反饋反應(yīng)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(jìn)行了比較和分析，結(jié)果表明溫度等效組件的計(jì)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(fù)反饋越

6、強(qiáng)。
　　(4)結(jié)合KMC-sub子通道分析程序和FLUENT程序各自的計(jì)算原理和數(shù)據(jù)處理特點(diǎn)，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(shí)間迭代方式上采用顯式耦合，同時(shí)試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)程序之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了局部尺度和部件尺度的多尺度耦合模擬計(jì)算;以子通道程序?yàn)榛A(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