【摘要】：熔鹽堆采用循環(huán)流動的液體燃料,具有資源的可持續(xù)性、高度的安全性、良好的經(jīng)濟性和可靠的防擴散性等特點,滿足核能可持續(xù)發(fā)展的需要,是第四代反應堆國際論壇(GIF)挑選出的六種重點發(fā)展堆型之一。隨著美國橡樹嶺國家實驗室在上個世紀60年代提出熔鹽堆的設計并建造了第一個熔鹽實驗堆MSRE,許多國家和研究機構都對熔鹽堆進行相關調(diào)研與研究并且提出了很多概念設計。在2011年,圍繞國家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求,中國科學院啟動了“未來先進核裂變能”戰(zhàn)略性先導科技專項,其中包括由上海應用物理研究所承擔的釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR),目的是致力于研發(fā)第四代先進裂變反應堆核能系統(tǒng)。由于液態(tài)熔鹽堆與傳統(tǒng)固態(tài)燃料反應堆的差異性,使得傳統(tǒng)適用于固態(tài)燃料反應堆的分析計算程序無法準確分析液態(tài)熔鹽堆。本文針對液態(tài)熔鹽堆的相關特點,建立了新的物理分析模型,開發(fā)了適用于熔鹽堆的安全分析計算程序。本文首先第一章中介紹了熔鹽堆的特點及國內(nèi)外熔鹽堆的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀,然后調(diào)研了其他研究單位對熔鹽堆物理熱工參數(shù)的計算方法。然后在第二章中先詳細推導了適用于熔鹽堆的中子動力學方程,特別是考慮了熔鹽流動對緩發(fā)中子先驅核分布的影響。求解堆芯內(nèi)有效緩發(fā)中子先驅核份額需要中子價值作為權重函數(shù),因此建立了熔鹽不流動工況下中子價值方程,并得到了堆芯有效緩發(fā)中子先驅核份額的計算公式。接下來又介紹了熔鹽堆熱工水力學計算,由于不需要考慮熔鹽的沸騰與凝固,在計算過程中不需要考慮熔鹽的相變因素,在熱工水力學計算過程只需要考慮單相流體。熔鹽堆堆芯內(nèi)各石墨通道僅在進出口處的上下腔室相連接,石墨通道內(nèi)不存在流動交互,可以看成一組并聯(lián)多通道,因此在計算熔鹽堆熱工水力學時,使用并聯(lián)通道模型計算流量分配問題。流量分配計算完成后,再用單通道傳熱模型計算在各個石墨通道內(nèi)的熔鹽傳熱計算,得到堆芯溫度分布。最后介紹了本文所開發(fā)程序的計算流程:中子物理計算與熱工水力學計算的穩(wěn)態(tài)耦合計算流程與瞬態(tài)耦合計算流程。在第三中詳細介紹了美國橡樹嶺國家實驗室所建立的MSRE堆芯物理參數(shù),以MSRE為計算對象,建立物理模型,計算分析相關實驗結果,并利用MSRE實驗數(shù)據(jù)對耦合模型進行了驗證,計算了MSRE正常工況下堆芯有效DNP份額,恒功率啟停泵時堆芯內(nèi)反應性的變化及自然循環(huán)時堆芯功率及出口溫度的變化,最后計算了MSRE的其他瞬態(tài)工況并分析了計算結果。第四章中首先介紹了上海應用物理研究所研究設計的液態(tài)熔鹽堆TMSR-LF1的堆芯物理參數(shù),然后針對TMSR-LF1,建立了適用于程序計算的物理模型。接下來計算了TMSR-LF1的一系列瞬態(tài)工況,分析了在各種工況下緩發(fā)中子在堆芯內(nèi)外的分布情況,及堆芯溫度對熔鹽流量分配的影響,初步研究了TMSR-LF1在零功率下恒功率啟停泵,零功率下無保護啟停泵,額定功率2MW下停泵,堆芯入口溫度下降與上升,以及加入一定反應性時堆芯功率與熔鹽石墨溫度的變化情況。本文主要工作是發(fā)展適用于液態(tài)熔鹽堆的二維RZ圓柱幾何時空中子動力學程序和與之耦合的熱工水力學程序,研究液態(tài)熔鹽堆的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)工況下的相關參數(shù),驗證液態(tài)熔鹽堆的安全可行性。在使用所開發(fā)程序對MSRE及TMSR-LF1的相關計算結果分析中,不僅驗證了程序的可靠性與正確性,同時也證明了TMSR-LF1設計的可行性與安全性。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(上海應用物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TL426

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