核科學技術(shù)

PCS 表面液膜覆蓋率對安全殼完整性影響分析

石興偉，雷蕾，蘭兵，等

摘要：鋼制安全殼容器是非能動安全殼冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)的重要組成部分，在事故工況下具有防止泄漏和提供最終熱阱的功能。根據(jù)對 AP600 大型安全殼試驗裝置和AP1000 非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的試驗分析和理論研究可知，鋼制安全殼的換熱與水膜覆蓋率、液膜厚度、安全殼厚度、冷卻水裝量、安全殼內(nèi)蒸汽等諸多因素相關(guān)。基于上述研究成果，文章著重研究安全殼液膜覆蓋率對安全殼完整性的影響，以得到安全殼在事故工況下的失效裕度。研究使用非能動安全殼分析程序建立了核島整體模型和PCS 模型。安全殼外部液膜覆蓋率采用徑向4個“干區(qū)”和4 個“濕區(qū)”、軸向8 層節(jié)塊來模擬，以計算安全殼外表面到液膜的傳熱過程。鋼制安全殼層作為熱量由內(nèi)至外的媒介，將殼內(nèi)外的傳熱聯(lián)系起來。模型設(shè)定每個熱構(gòu)件的連接位置、表面積、初始溫度、材質(zhì)厚度、傳熱類型和用于修正傳熱傳質(zhì)關(guān)系式的包絡(luò)因子等。為驗證模型的可靠性，參照初步安全分析報告中30%額定功率下主蒸汽管道破口（main steam line break，MSLB）工況，研究對安全殼換熱進行模擬，并將計算結(jié)果與報告結(jié)果進行比對。通過對比結(jié)果可知：安全殼壓力峰值出現(xiàn)時間與安全分析報告相吻合；驗證結(jié)果安全殼內(nèi)峰值壓力為0.401 MPa，高出安全分析報告峰值壓力約0.015 MPa，相對誤差約3.8%，模型整體計算合理可信。依據(jù)安全殼在此類設(shè)計基準事故下的設(shè)計要求，安全殼的設(shè)計應(yīng)滿足兩個驗收準則：1）單一故障下安全殼短期壓力峰值不得超過安全殼設(shè)計壓力；2）多種故障疊加下，安全殼壓力應(yīng)當在假想事故后24 h 內(nèi)降低到最高設(shè)計壓力的50%。根據(jù)初步安全分析報告可知，就較長時期而言，主回路冷段雙端剪切會導致稍高的安全殼壓力，因此研究選取主回路冷段雙端剪切破口噴放作為能量輸入邊界，以水分配器單一故障、出水管堵管疊加水分配器故障兩種事故工況為研究對象，著重分析了鋼制安全殼外壁面液膜覆蓋率對安全殼完整性短期和長期的影響。分析結(jié)果表明，兩種事故工況在液膜覆蓋率大于35%時，安全殼短期峰值不會超過安全設(shè)計壓力0.544 MPa，兩種設(shè)計工況均不會出現(xiàn)短期安全殼超壓超溫失效；事故后24 h，液膜覆蓋率低于45%時，安全殼則出現(xiàn)長期冷卻失效。此次研究得出結(jié)論：在流量大于61.76 m3/h-1，同時安全殼液膜覆蓋率大于45%時，事故發(fā)生后24 h 安全殼不會失效。

來源出版物：核技術(shù), 2017, 40(1)：010602

入選年份：2017

基于熔鹽快堆的模型優(yōu)化與Th-U 增殖性能研究

李光超，徐洪杰，鄒楊，等

摘要：熔鹽堆，作為第四代核反應(yīng)堆國際論壇（GIF）6種候選堆型之一，其熔鹽既是燃料鹽又是冷卻劑，具有 非常好的固有安全性和較高的熱電轉(zhuǎn)換效率；還可以實現(xiàn)不停堆添料和去除裂變產(chǎn)物，具有較高的燃料利用率和中子經(jīng)濟性。基于Th-U 燃料循環(huán)的熔鹽堆，可以充分利用儲量豐富的釷資源并且長壽命放射性核素產(chǎn)量低；特別是熔鹽快堆（MSFR）還具有較大的燃料增殖比和較好的溫度負反饋系數(shù)。但是熔鹽快堆的啟動需要大量核燃料233 U，在MSFR 中其初始裝載量約為4.2 t，而自然界中又幾乎不存在天然的233 U。因此，改善MSFR的增殖性能和燃料利用率，提高233 U 的產(chǎn)量、縮短核燃料倍增時間，有助于實現(xiàn)新熔鹽堆的快速部署和釷資源的高效規(guī)模利用。MSFR 基準模型主要分為燃料鹽區(qū) 和增殖鹽區(qū)，其中燃料鹽區(qū)包括堆芯活性區(qū)和外圍熔鹽，增殖鹽布置在活性區(qū)周圍。首先應(yīng)用SCALE6.1，給出不同厚度的徑向增殖鹽對MSFR 臨界水平和增殖性能的影響，并從核素吸收率角度說明增殖比變化的原因和MSFR 的設(shè)計不足；然后提出增加軸向增殖鹽的創(chuàng)新型設(shè)計，分析了不同厚度的軸向增殖鹽對MSFR 增殖性能的影響，并從核素吸收率角度給出增殖比變化的原因；第三，為減少增殖鹽的裝載量并提高釷的利用率，提出在增殖鹽外新增加石墨反射層，對MSFR 作了進一步改進，最終優(yōu)化后的堆芯模型（IMSFR）；最后應(yīng)用基于SCALE6.1 開發(fā)的熔鹽堆在線處理模塊（MSR-RS）進行了燃耗分析和溫度系數(shù)的分析。結(jié)果表明：當燃料鹽組分和體積不變時，增殖鹽厚度對有效增殖因子（Keff）的影響較小，而BR 先增大至1.11 后維持穩(wěn)定；核素吸收率分析顯示，當軸向增殖鹽厚度為50 cm 時增殖鹽中Th的吸收率達到飽和，所以BR 不再增加，同時還發(fā)現(xiàn)堆芯中子泄露較大導致合金的中子吸收率較高；新增軸向增殖鹽后增殖性能進一步提高，初始BR 由1.11 提高到1.17，增殖增益提高約50%；新增石墨反射層后，增殖鹽徑向和軸向厚度可以從50 cm 減少至30 cm 而BR 依然保持不變，此時增殖鹽體積由16.60 m3降低至8.45 m3，對應(yīng)的Th 裝量減少約1/2，優(yōu)化后的設(shè)計增殖比變大，233U平均年產(chǎn)量達133 kg，倍增時間由56 a 縮短至36 a；在整個燃耗過程中，總溫度反應(yīng)性系數(shù)近似等于燃料鹽溫度系數(shù)影響，并且都小于-6 pcm/K。結(jié)論：1）增殖鹽厚度的變化對堆芯臨界狀態(tài)影響較小，而新增軸向增殖鹽可以充分利用活性區(qū)軸向泄漏的中子，提高Th-U 增殖性能。2）新增厚度為30 cm 的石墨反射層可以降低增殖鹽的裝載量，提高增殖鹽利用率。3）燃耗分析表明，優(yōu)化后的設(shè)計增殖比變大，233U 平均年產(chǎn)量達133 kg，倍增時間由56 a 縮短至36 a。4）總溫度反應(yīng)性系數(shù)主要受燃料鹽溫度系數(shù)影響，并且在整個運行壽期都有足夠大的溫度負反饋。

來源出版物：核技術(shù), 2017, 40(2)：020603

入選年份：2017