铅基堆非能动余热排出系统的设计研究

摘要

铅基堆具有良好的中子学性能、热工水力学性能、化学性能和固有安全特性而成为极具发展潜力的第四代核能系统。在铅基堆停堆后，堆芯活性区产生的大量余热严重威胁着反应堆的安全。铅基堆非能动余热排出系统(PRHRS)的设计研究，对于提高铅基堆在事故工况下的固有安全性，具有重要理论意义和应用价值。
　　本文以1000 MWth铅基堆为研究对象，从铅铋换热模型开发与验证、三种PRHRS的设计与性能分析、参数敏感性分析和性能对比分析四个方面开展了铅基堆PRHRS的设计研究。相关研究成果可为铅基堆非能动余热排出系统的设计提供了经验和参考，对我国自主掌握铅基堆非能动余热排出的关键技术有所借鉴。主要研究成果如下:
　　1)传统压水堆的换热模型不适用于铅铋换热计算，本文基于OECD/NEALACANES计划中有关铅铋换热的验证工作，在热工水力学分析程序RELAP5/MOD4.0基础上开发了铅铋换热模型，并通过单管测试验证了此铅铋换热模型开发的正确性，建立了铅基堆热工水力学设计与分析的工具基础。
　　2)根据非能动安全设计理念，分别设计了基于蒸汽发生器(SG)、独立热交换器(IHEX)和反应堆容器(RV)的三种PRHRS，并使用RELAP5/MOD4.0程序分析了全厂断电事故下三种PRHRS的余热排出性能。研究结果表明:基于SG、IHEX和RV的PRHRS余热排出速率分别在事故后0.6 h、5h和48 h超过堆芯衰变余热，包壳峰值温度分别达到490℃、562℃和743℃，低于包壳温度限值(750℃)，铅基堆处于安全状态。三种PRHRS均可应对全厂断电这类超设计基准事故，满足设计目标。
　　3)对三种PRHRS参数敏感性进行了分析，研究结果表明:基于SG和IHEX的PRHRS，通过增人换热面积和减小系统响应时间可以增强PRHRS的余热排出性能;而增加冷热芯高度差和减小回路阻力对PRHRS的余热排出性能影响较小。基于RV的PRHRS，通过增大烟囱高度和换热面积、减小间隙宽度可以增强PRHRS的余热排出性能;而增加壁面发射率和减小系统响应时间对PRHRS的余热排出性能影响较小。
　　4)针对三种PRHRS的性能进行对比分析，结果表明:基于SG的PRHRS排热能力最强，更适合用于大功率铅基堆/商业堆，或在事故前期投入运行，带走停堆初期的大量余热;基于IHEX的PRHRS排热能力较强，更适合用于中等功率铅基堆/示范堆，或在事故中期投入运行;而基于RV的PRHRS排热能力较弱，更适合用于小功率铅基堆/研究堆，或作为事故后期长期排热的余热排出系统。同时，在实际铅基堆PRHRS设计中，为提高余热排出的可靠性，建议采取两种以上的非能动余热排出系统。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景

1．2 非能动余热排出系统研究现状

1．2．1 基于SG的设计方案研究现状

1．2．2 基于IHEX的设计方案研究现状

1．2．3 基于RV的设计方案研究现状

1．3 研究目的和意义

1．4 论文主要内容与结构

第2章 铅基堆热工水力学计算理论及程序开发

2．1 计算理论

2．1．1 中子动力学模型

2．1．2 热工水力学模型

2．2 热工水力学分析程序RELAP5介绍

2．2．1 程序历史

2．2．2 程序结构

2．2．3 程序模型

2．2．4 铅铋物性

2．3 铅铋换热模型开发及验证

2．3．1 铅铋管道换热模型开发及验证

2．3．2 铅铋三角棒束换热模型开发及验证

2．4 小结

第3章 基于SG的非能动余热排出系统设计与分析

3．1 方案设计

3．1．1 设计目标

3．1．2 设计原则

3．1．3 系统设计

3．1．4 工作原理

3．2 性能分析

3．2．1 计算模型

3．2．2 稳态分析

3．2．3 事故分析

3．3 参数敏感性分析

3．3．1 冷热芯高度差的影响

3．3．2 回路阻力的影响

3．3．3 换热面积的影响

3．3．4 响应时间的影响

3．4 小结

第4章 基于IHEX的非能动余热排出系统设计与分析

4．1 方案设计

4．1．1 设计目标

4．1．2 设计原则

4．1．3 系统设计

4．1．4 工作原理

4．2．1 计算模型

4．2．2 稳态分析

4．2．3 事故分析

4．3 参数敏感性分析

4．3．1 冷热芯高度差的影响

4．3．2 回路阻力的影响

4．3．3 换热面积的影响

4．3．4 响应时间的影响

4．4 小结

第5章 基于RV的非能动余热排出系统设计与分析

5．1 方案设计

5．1．1 设计目标

5．1．2 设计原则

5．1．3 系统设计

5．1．4 工作原理

5．2 性能分析

5．2．1 计算模型

5．2．2 稳态分析

5．2．3 事故分析

5．3 参数敏感性分析

5．3．1 壁面发射率的影响

5．3．2 间隙宽度的影响

5．3．3 烟囱高度的影响

5．3．4 换热面积的影响

5．3．5 响应时间的影响

5．4 小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．1．1 全文总结

6．1．2 研究成果与创新点

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

参与项目及获奖情况