加速器驅(qū)動(dòng)次臨界反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析

曾文杰　王承祥

摘 要：依據(jù)建立的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性研究模型，編制用于計(jì)算次臨界反應(yīng)堆的穩(wěn)態(tài)計(jì)算程序。選取CLEAR-IB為研究對象，計(jì)算額定功率下CLEAR-IB一回路系統(tǒng)的溫度，并將結(jié)果與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，結(jié)果相一致驗(yàn)證了程序的可靠性，對CLEAR-IB的動(dòng)態(tài)分析具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：次臨界反應(yīng)堆 一回路 穩(wěn)態(tài)計(jì)算 分析

中圖分類號：TL353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0216-02

加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)由一個(gè)次臨界反應(yīng)堆堆芯、一個(gè)高能質(zhì)子加速器和一個(gè)散裂靶組成，可有效嬗變長壽期核廢物。系統(tǒng)依靠質(zhì)子加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束轟擊散裂靶產(chǎn)生中子，用以維持次臨界反應(yīng)堆的正常運(yùn)行。

2011年，中國科學(xué)院主持戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)“未來先進(jìn)核能裂變系統(tǒng)—加速器驅(qū)動(dòng)次臨界嬗變系統(tǒng)”。由中科院核能安全研究所建立以液態(tài)鉛鉍為冷卻劑的10MWth研究堆CLEAR-I，該堆可運(yùn)行在臨界與次臨界兩種工況下[1]。為研究CLEAR-IB一回路系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，需建立一回路穩(wěn)態(tài)模型開展穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析，為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)計(jì)算提供基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)描述

CLEAR-IB包含鉛鉍合金自然循環(huán)回路、水回路和空氣冷卻回路，一回路采用池式結(jié)構(gòu)，冷卻劑出口溫度400℃。系統(tǒng)共有四個(gè)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路包含一個(gè)空冷器和一個(gè)熱交換器。熱交換器中二次側(cè)為水，壓力2.32MPa，通過空冷器中的空氣對二次側(cè)水進(jìn)行冷卻。CLEAR-IB的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示[2]。

2 物理模型

2.1 一回路系統(tǒng)簡化

將一回路劃分成次臨界堆芯、堆芯出口通道、上腔室、熱交換器、堆芯入口通道、下腔室，如圖1所示。

2.2 一回路系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型

（1）堆芯穩(wěn)態(tài)模型

穩(wěn)態(tài)工況下，堆芯的傳熱模型可以表示為：

（1）

（2）

公式（1）和（2）中：冷卻劑平均溫度用堆芯進(jìn)口溫度和出口溫度的算術(shù)平均值來表示，即：

（3）

（2）上、下腔室穩(wěn)態(tài)模型

穩(wěn)態(tài)工況下，上、下腔室的穩(wěn)態(tài)平均溫度表達(dá)式：

（4）

（5）

（3）換熱器穩(wěn)態(tài)模型

穩(wěn)態(tài)工況下，換熱器的模型為，

（7）

（8）

（9）

3 一回路穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 堆芯穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析

當(dāng)反應(yīng)堆額定功率運(yùn)行時(shí)，一回路總循環(huán)流量取875.9kg·s-1，通過堆芯穩(wěn)態(tài)換熱模型，計(jì)算得到了額定功率時(shí)燃料包殼平均溫度、堆芯出口溫度及堆芯平均溫度的值，如表2所示。

表中穩(wěn)態(tài)計(jì)算值與工程設(shè)計(jì)值之間誤差較大的為燃料包殼平均溫度值和堆芯出口溫度，偏差分別達(dá)到了1.89℃和1.24℃。但考慮到工程設(shè)計(jì)中溫度的允許誤差一般在±3℃的范圍內(nèi)，上述計(jì)算誤差是允許的，所以認(rèn)為堆芯的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果合理。

3.2 換熱器溫度穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析

額定工況下，換熱器二次側(cè)質(zhì)量流量恒定，換熱器一次側(cè)進(jìn)口溫度為385.0℃，二次側(cè)出口溫度設(shè)為240℃，同時(shí)要求一次側(cè)出口溫度保持在310℃左右，穩(wěn)態(tài)誤差不超過±3℃；二回路平均溫度維持230℃左右，穩(wěn)態(tài)誤差不超過±3℃。穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果如表3所示，額定工況下利用換熱器穩(wěn)態(tài)模型得到的換熱器兩側(cè)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的誤差在允許的范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果合理。

4 結(jié)語

該文建立了次臨界反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型，編寫了穩(wěn)態(tài)計(jì)算程序，通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了初步分析并得到了在工程計(jì)算誤差允許范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度參數(shù)，可以為后續(xù)動(dòng)態(tài)分析提供穩(wěn)態(tài)計(jì)算值。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫長義，趙福宇.中國次臨界實(shí)驗(yàn)堆系統(tǒng)控制特性仿真研究[OL].中國科技論文在線.[2012-08-21]：http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201208-139.

[2] 盧冬華，肖澤軍，陳炳德.壓水堆自然循環(huán)比例?；痉匠碳跋嗨茰?zhǔn)則數(shù)的研究[J].核動(dòng)力工程，2009，30（3）：1-2.

[3] 楊祖毛，王飛，王文康，等.閉合回路單相自然循環(huán)穩(wěn)態(tài)特性研究[J].核動(dòng)力工程，1999，20（3）：1-2.