先进热管冷却空间快堆动态特性研究

Heat-pipe-cooled fast space reactor (HFSR) is currently one of the research focuses because of high efficiency and reliability. Study on the dynamic characteristics on transient conditions such as startup, power lifting and misoperation is an important part of the research on HFSR. Because of the particularity of the complex structure, different control mechanism and heat-pipe-cooled characteristic of HFSR, the transient analysis of HFSR has lots of difference from that of other reactors. The existing transient analysis method and code are not suitable for HFSR. According to the characteristics of HFSR, the transient analysis method of HFSR will be built. Firstly, Monte Carlo method calculating kinetic parameters is built with perturbation theory and prompt kinetic theory. Secondly, coupling reactor kinetics and heat transfer, the neutron kinetics model, fuel and heat pipe heat transfer model, and the temperature reactivity feedback model are built. In the end, the corresponding transient analysis code is developed to study the dynamic characteristics on transient conditions of HFSR, and to reveal the laws of the variation of the key parameters such as power and temperature. The study is the basis of the safty assessment and prediction for transient conditions of HFSR,and is very meaningful to the research and application of HFSR.

热管冷却空间快堆，以其高效、可靠的特点，已成为国内外空间堆研究的前沿和热点。反应堆处于启动、功率提升和控制误操作等瞬态工况的动态特性研究，是该堆研发的关键技术之一。由于热管冷却空间堆具有结构复杂、控制方式迥异、采用热管冷却等特点，其动态特性分析方法与一般反应堆差异较大，现有的动态分析模型和程序不能适用于该堆型的研究。 本研究针对该堆型的特点，建立动态特性分析方法：首先，基于微扰理论和瞬发动力学理论，建立动态参数的蒙特卡罗计算方法；其次，将反应堆动力学和堆芯热工分析相耦合，建立包括堆芯中子动力学模型、燃料与热管传热模型、反应性反馈模型的动态分析总体模型；最后，研制动态特性分析程序，研究该堆在瞬态工况时的动态特性，揭示功率、温度等关键参数的变化规律。 本研究为热管冷却空间快堆瞬态工况下的安全预测及评价奠定了基础，对热管冷却空间快堆的研究及工程应用有重要的理论指导意义。

以碱金属热管冷却先进空间快堆系统SAIRS为对象，研究其动态特性。课题首先完成了热管冷却空间快堆技术的调研分析，建立了基于微扰理论和瞬发动力学理论的容易实现、计算准确稳定的动态参数的蒙特卡罗计算方法，包括缓发中子有效份额βeff和中子代时间Λ，基于MCNP程序建立了SAIRS堆芯三维物理计算模型，分析计算了SAIRS堆芯相关物理参数；其次，建立了SAIRS系统动态特性分析的各部件数学模型，包括点堆动力学模型、UN燃料棒传热的集中参数分析模型、热管启动的“平面前锋”和热阻网络分析模型、AMTEC性能分析模型和辐射散热器“两点”分析模型，并建立了碱金属锂和钾的全状态热物性计算模型，利用FORTRAN90开发了热管冷却空间快堆系统动态特性分析程序，研究了SAIRS空间堆自凝固态启动特性及不同事故工况的动态特性，并研究了SAIRS空间堆的负荷跟踪特性以及系统安全可靠性；最后，基于有限元方法开发了空间堆用高温热管自凝固态启动瞬态分析程序，利用Simulink程序开发并完成了碱金属冷却空间堆电源系统节点模型的瞬态特性仿真程序及仿真，并研究了基于PI控制的空间堆电功率协同调节策略。先进热管冷却空间快堆动态特性研究工作的完成，为热管冷却空间快堆瞬态工况下的安全预测及评价奠定了基础，对热管冷却空间快堆的研究及工程应用有重要的理论指导意义。