【摘要】：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)驗等方面具有其獨有的優(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)計和研究工作,針對液態(tài)金屬反應(yīng)堆的各類計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)安全特性為研究基礎(chǔ),以程序開發(fā)—程序驗證—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,比較了各種經(jīng)驗關(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、高效的計算方法求解各項方程,完成KMC-sub子通道分析程序的編制并進(jìn)行了測試。(2)基于實驗驗證的方法完成了 KMC-sub子通道分析程序的計算準(zhǔn)確性和適用性的驗證工作,使用液態(tài)金屬特別是鉛基液態(tài)重金屬組件棒束實驗數(shù)據(jù)對程序計算結(jié)果進(jìn)行比較,對子通道程序進(jìn)行了模塊化和整體驗證,分別從壓降模型、換熱模型、溫度場分析等幾個方面對程序結(jié)果的正確性、合理性以及適用性進(jìn)行了詳細(xì)分析。驗證結(jié)果表明,KMC-sub程序計算結(jié)果正確合理可信,具有較高的計算精度,且同時適用于鈉冷卻劑和液態(tài)重金屬冷卻劑反應(yīng)堆的計算;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)計準(zhǔn)則,設(shè)計方案合理可行。(3)以KMC-sub子通道分析程序和點堆中子動力學(xué)為基礎(chǔ),發(fā)展了熱工-物理耦合快速分析程序,使用FLUENT/PK對耦合程序開展了準(zhǔn)確性和適用性驗證,以反應(yīng)性引入事故為基準(zhǔn)算例,對計算結(jié)果進(jìn)行比較和分析,驗證結(jié)果表明,耦合程序的計算結(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)反饋越強(qiáng)。(4)結(jié)合KMC-sub子通道分析程序和FLUENT程序各自的計算原理和數(shù)據(jù)處理特點,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),在時間迭代方式上采用顯式耦合,同時試驗了分隔區(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,通過交界面實現(xiàn)程序之間的數(shù)據(jù)交換,實現(xiàn)了局部尺度和部件尺度的多尺度耦合模擬計算;以子通道程序為基礎(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熱工水力現(xiàn)象的耦合分析。本文完成了鉛冷快堆子通道熱工耦合分析方法的研究,開發(fā)了鉛冷快堆的子通道分析程序、子通道-中子物理耦合分析程序,研究了 CFD-子通道耦合分析方法,成果可用于液態(tài)金屬反應(yīng)堆熱工水力特性研究和安全分析,為此類反應(yīng)堆的設(shè)計和研究工作提供了理論分析工具,具有一定的應(yīng)用價值和實用意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TL433

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本文編號：2264712