球床钍基熔盐堆有内热源多孔介质堆芯热工水力特性的实验和理论研究

Thorium Molten Salt Reactor-Solid Fuel (TMSR-SF) is an innovative conceptual reactor combining the advantages of the general molten salt reactor, gas-cooled reactor, sodium-cooled reactor and pressurized water reactor, which especially has the significant competitiveness on the thorium fuel cycle and thorium source utilization. Its distinctive porous media core and the high-Pr coolant lead that the research on the thermal hydraulic characteristics of the reactor core is the key fundamental problem to be solved for the TMSR-SF development and demonstration. This proposed project will concentrate on such key problem to perform the thermal hydraulic studies of the TMSR-SF porous media core with inner heat source through the experimental and theoretical approaches based on the previous studies for the general molten salt reactor. The experimental study will emphasize the similarity principles of the simulant fluid and the porous media construction, try to surmount and master the thermal hydraulic test and heating techniques in the porous media with inner heat source, and furthermore to reveal the new flow and heat transfer phenomenon and law in the TMSR-SF porous media core. In the theoretical study, the mechanical models of the flow and heat transfer in the porous media structured pebble bed will be established to perform the TMSR-SF inherent safety analysis and evaluation and obtain the flow and heat transfer characteristics and principles.

球床钍基熔盐堆（TMSR-SF）是一种集成了常规熔盐堆、气冷堆、钠冷堆和压水堆优点的全新概念反应堆，在钍燃料循环和钍资源的有效利用方面具有显著的先进性和竞争力。TMSR-SF独特的多孔介质型堆芯结构和高普朗特数冷却剂选择使其堆芯内热工水力特性的研究成为发展TMSR-SF必须首先解决的关键基础问题。本项目将紧密围绕这一核心问题，以前期常规熔盐堆的研究工作为基础，从实验和理论两个方面深入开展TMSR-SF有内热源多孔介质堆芯内的热工水力特性研究。在实验方面，重点开展多孔介质堆芯的结构相似性和模化流体的相似性准则研究，着力突破和掌握有内热源多孔介质的热工水力测试和加热技术，揭示TMSR-SF有内热源多孔介质堆芯内流动换热的现象和规律；在理论方面，建立球床特征下含内热源多孔介质流动与换热机理分析模型，获得能反映其流动与换热特性的理论及相关准则关系式，对TMSR-SF系统的固有安全性进行分析评价。

球床钍基熔盐堆（也即氟盐冷却高温堆FHR）是一种集成了常规熔盐堆、气冷堆、钠冷堆和压水堆优点的全新概念反应堆，在钍燃料循环和钍资源的有效利用方面具有显著的先进性和竞争力。FHR独特的多孔介质型堆芯结构和高普朗特数冷却剂选择使其堆芯内热工水力特性的研究成为发展FHR必须首先解决的关键基础问题。.本项目通过实验分析、数值研究对球床钍基熔盐堆有内热源多孔介质堆芯流动换热特性以及反应堆固有安全性等方面进行研究。搭建了含内热源球床多孔介质流动换热特性实验台架。单相水实验验证了实验方法的可行性；导热油实验获得了高普朗特数流体在球床多孔介质通道内的对流换热特性：提出了流型转变的标准，确定了过渡流与紊流流型对应的修正雷诺数范围；分析了入口温度、球床孔隙率、局部位置等因素对于对流换热特性的影响，获得了相应条件下的对流换热关系式，对比表明经典球床对流换热关系式多不适用于高普朗特数流体工况预测。基于RELAP5系统程序，开发了适用于球床钍基熔盐堆的安全分析程序RELAP5-FHR；通过基准题计算并与RELAP5-3D进行对比，验证了程序的合理性；利用RELAP5-FHR开展了典型固态熔盐堆设计MK1 PB-FHR的无保护失流事故以及无保护超功率事故分析。开展了针对熔盐堆非能动余热排出典型系统DRACS自然循环回路的模化及失真分析：基于无量纲数相似准则，推导了原型系统与模化系统间主要参数需要满足的定量关系；基于TRIAD方法，采用RELAP5-FHR，开展了原型系统与模化系统的稳态与瞬态分析，评估自然循环系统的模化分析的可靠度以及可能存在的失真因素，特别是寄生散热的影响。研究成果为球床熔盐堆的设计研发及安全分析提供了重要的理论基础和实验数据。.项目完成了申请书设定的研究内容和目标，发表学术论文21篇，其中SCI论文12篇，EI论文6篇，其他国内核心或会议论文3篇;申请发明专利5项;培养了博士生2名，硕士生3名。