超临界二氧化碳直接冷却快堆的瞬态特性及控制策略研究

Supercritical carbon dioxide direct cycle fast reactor(SC-GFR), which applies brayton cycle as its power conversion system, has become a very promising Gen-IV concept for its advantages of high thermal efficiency, simplified system and compact component configuration. The study of transient feature and control strategy under operational transient is one of the important content in the concept assessment for SC-GFR. Here list the problems in this research area: 1. effective transient analysis tool is absent in China. 2. the transient feature and control strategy for SC-GFR still needs comprehensive study. The Effects of coolant thermal-hydraulic performance and reactivity feedback in the core is not considered in the existing researches on control strategy for indirect supercritical carbon dioxide brayton cycle. This project will apply numerical method to develop a system code which is suitable for transient analysis of SC-GFR. Based on the self-developed system code and the operational transient criterion, the study of transient performance and control strategy for SC-GFR under operational transients will be carried out. The investigations in this project will provide technical support for the research and study of SC-GFR in China.

超临界二氧化碳直接冷却快堆采用布雷顿循环作为能源转换系统，拥有热效率高、系统简化紧凑等优点，已成为极具前景的第四代反应堆。研究典型运行瞬变的瞬态特性和控制策略，是评估超临界二氧化碳直接冷却快堆概念可行性的重要内容之一。目前该研究存在以下不足：1.国内缺乏有效的瞬态分析工具。2.国内外研究机构对超临界二氧化碳直接冷却快堆的瞬态特性及控制策略还未展开系统研究。国际上现有的超临界二氧化碳间接冷却反应堆的控制策略研究未考虑堆芯内冷却剂的热工水力特性变化、反应性反馈等因素对布雷顿循环的控制策略的影响。本项目拟采用数值分析方法，自主开发适用于超临界二氧化碳直接冷却快堆的瞬态分析程序；以开发得到的瞬态分析程序为工具，反应堆运行瞬变的安全限值为准则，研究超临界二氧化碳直接冷却快堆在运行瞬变工况下的瞬态特性和控制策略，最终获得最优的控制方案。本项目将为我国超临界二氧化碳直接冷却快堆的研究和开发提供技术支持。

超临界二氧化碳直接冷却快堆采用布雷顿循环作为能源转换系统，因其热效率高、系统简化紧凑等优点，已经成为非常有前景的第四代反应堆。超临界二氧化碳直接冷却快堆在典型瞬变过程中的可控性是评估其概念可行性的重要内容之一。本项目针对这一问题开展了两方面的研究，分别是适用于超临界二氧化碳直接冷却快堆的瞬态分析程序开发及验证和超临界二氧化碳直接冷却快堆在运行瞬变工况下的控制策略研究。本项目以均相流模型为基础，通过增加堆芯功率计算模型、超临界二氧化碳物性，压缩机、透平、转动轴、PCHE换热器等部件模型，成功开发得到适用于超临界二氧化碳核动力系统的热工瞬态分析程序SCTRAN/CO2。对SCTRAN/CO2的PCHE模型、压缩机模型、转动轴模型等模块进行了分离效应验证，同时，通过对韩国的SCO2PE和美国的IST超临界二氧化碳环路进行了瞬态模拟，验证了SCTRAN/CO2计算超临界二氧化碳环路瞬态过程的能力。与现有的国际知名超临界二氧化碳瞬态分析程序的对比结果表明， SCTRAN/CO2具有进行超临界二氧化碳核动力系统热工水力瞬态分析的能力。另一方面，本项目针对超临界二氧化碳直接冷却反应堆作为研究对象，开展了反应堆系统的负荷跟踪方法研究。通过压缩机出口流量调节阀对环路流量进行辅助调节，可以满足系统从20%~100%的负荷变化需求。并得到以下系统特性：1）在变负荷过程中，可以仅依靠反应堆的自稳自调，而不动作控制棒使得环路重新达到稳态，实现变负荷操作；2)由于气轮机流量变化导致运行点发生变化，系统负荷变化和气轮机工质流量变化不成正比。本项目所开发得到的瞬态分析程序SCTRAN/CO2是国内首个可应用于超临界二氧化碳布雷顿循环和核能领域的有效分析工具，针对超临界二氧化碳直接冷却反应堆开展负荷变化分析亦属国内首次。本项目的研究成果使国内对超临界二氧化碳布雷顿循环在核能领域的应用研究从空白提升跟跑国际前沿的水平，为进一步开展超临界二氧化碳布雷顿循环的广泛应用研究打下了坚实的基础。