海洋条件下一体化压水堆自然循环流动特性仿真研究

摘要

核动力装置在海洋中由于受到外界干扰力而做复杂的六自由度运动，包括平移运动：横荡、纵荡和垂荡，旋转运动：横摇、纵摇和艏摇，研究人员在研究过程中根据核动力装置在海洋运动中运行的实际特点，将海洋条件简化为摇摆(横摇、纵摇)、起伏(垂荡)、倾斜运动。
　　本文研究对象为革新型一体化反应堆 IP200，IP200采用板状燃料元件，12台套管式直流蒸汽发生器（OTSG）围绕堆芯环状排列，4台主泵在 OTSG一次侧入口处，采用电加热式稳压器。其具有燃料高效、机动性强、自然循环能力强等特点，适合应用在海上移动电站、海水淡化等领域。
　　本文研究工具为THEATRe-ocean，THEATRe-ocean为在GSE公司大型热工水力实时仿真程序THEATRe基础上开发的适用于海洋条件下热工水力分析的实时仿真程序，能够在 SimExec平台上与GSE公司其他仿真程序耦合实现全范围实时仿真功能。对IP200满功率稳态运行、降功率动态运行进行了仿真研究，通过与RELAP5/4.0功率运行仿真数据对比，验证了THEATRe-ocean对IP200进行实时仿真的可信性。
　　本文利用 THEATRe-ocean分别对非海洋条件下 IP200自然循环流动特性和海洋条件下IP200自然循环流动特性展开仿真研究，在非海洋条件的自然循环研究中主要研究了堆芯功率、反应堆平均温度设定值、主泵转动惯量、主泵转矩、主泵阻力、转换策略以及操纵员人为干预对强迫循环工况转自然循环工况和自然循环工况转强迫循环工况下堆芯流量、堆芯功率、堆芯冷却剂平均温度、堆芯进出口冷却剂温度以及OTSG蒸汽出口温度等主要热工参数的影响。在海洋条件下对IP200自然循环流动特性展开的仿真研究中主要研究了摇摆振幅与周期、起伏振幅与周期、倾斜角度对自然循环能力的影响，研究了在摇摆、起伏、倾斜条件对强迫循环工况转自然循环工况和自然循环工况转强迫循环工况下堆芯流量、堆芯功率、堆芯冷却剂平均温度、堆芯进出口冷却剂温度以及OTSG蒸汽过热度等主要热工参数的影响。总结了海洋运动参数对自然循环能力影响的规律，得出了海洋条件下进行强迫循环工况与自然循环工况相互转换的条件限值，提出了确保反应堆在海洋条件下进行强迫循环与自然循环安全转换的运行措置。
　　仿真结果表明：摇摆附加压降、起伏附加压降、重位压降改变分别是摇摆、起伏和倾斜条件下影响自然循环流量的主要因素；在摇摆和起伏条件下，自然循环流量会随着摇摆运动和起伏运动的波动而波动，倾斜会使自然循环流量下降；摇摆和倾斜会造成各位置OTSG一次侧冷却剂流量和温度分布不均，导致OTSG二次侧蒸汽温度分布不均；海洋运动对自然循环的影响大于对强迫循环的影响；在过高功率水平下进行强迫循环转自然循环对堆芯热工的安全不利，在过低功率水平下进行强迫循环转自然循环堆芯会出现倒流，不利于自然循环的建立；改变转换策略或进行人为干预可以控制堆芯流量变化速率，控制堆芯功率在合理范围内波动，确保反应堆热工安全。
　　本文建立的THEATRe-ocean程序可作为海洋条件压水堆热工水力分析工具。本文的研究成果可为进一步研究海洋条件对非能动余热排出的影响、海洋条件下强迫循环与自然循环转换策略、海洋条件下一体化反应堆的安全分析等方面提供依据；可以为IP200在海洋平台的进一步应用提供技术支撑。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文主要研究内容

第2章 海洋条件下一体化反应堆数学物理模型

2.1 概述

2.2 数学物理模型

2.3 模型解法

2.4 程序计算流程和程序功能描述

2.5 本章小结

第3章 海洋条件下一体化反应堆仿真建模

3.1 概述

3.2 SimExec实时仿真平台

3.3 仿真对象介绍

3.4 IP200建模

3.5 堆芯物理程序和THEATRe耦合方法

3.6 摇摆坐标系建立

3.7 本章小结

第4章 一体化反应堆功率运行仿真计算

4.1 概述

4.2 IP200稳态工况仿真计算

4.3 IP200变工况运行仿真计算

4.4 IP200强迫循环转自然循环仿真计算

4.5 IP200自然循环转强迫循环仿真计算

4.6本章小结

第5章 海洋条件下一体化反应堆自然循环仿真计算

5.1 概述

5.2 摇摆条件对自然循环的影响

5.3 起伏条件对自然循环的影响

5.4 倾斜条件对自然循环的影响

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢