气泡泵及其对ADS次临界堆瞬态及事故工况下的动态特性影响的实验与理论研究

Accelerator driven subcritical reactor system (ADS) is designed to transmute radioactive waste, to utilize nuclear resources effectively and to generate nuclear power with a distinctive characteristic of inherent safety. Thus, it is a right choice to achieve the sustainable development strategy for nuclear energy with this advanced system. This research project focuses on the advanced design concept of ADS which is cooled by the natural circulation of liquid lead-bismuth eutectic, and investigates the impact of the gas-lift pump on the dynamic characteristics of ADS under the transient and accident conditions. Furthermore, the comprehensive evaluation of the inherent safety of ADS will be performed in this study. The research aims and concrete contents of the study include: 1) performing gas-lift pump experiments to investigate the characteristics of the inert gas-liquid metal two phase flow; 2) establishing a mathematical-physical model of the natural convection of gas-lift pump based on the experimental results; 3) investigating the influence of gas-lift pump on the dynamic characteristics of ADS under the transient and accident conditions. In general, this study is an essential and basic research for developing the advanced liquid metal- cooled ADS. It is a multi-discipline crossed research, and has great value in both theoretical foundations and practical applications.

加速器驱动次临界堆系统（ADS）致力于嬗变核废物、有效利用核资源及产出核能量,是实现核电可持续发展战略的正确选择。本项目以具有先进设计概念的铅铋自然循环冷却ADS为研究对象，深入研究气泡泵提升铅铋冷却剂自然循环能力的机理，探索气泡泵对ADS次临界堆瞬态及事故工况下的动态特性的影响，全面评价ADS固有安全性。具体研究内容和目标包括：1）开展气泡泵实验研究，探索惰性气体-液态金属两相流特性；2）基于实验研究成果建立气泡泵自然循环数学物理模型，分析气泡泵启停瞬态特性；3) 研究气泡泵对ADS次临界堆瞬态及事故工况下的动态特性影响。以上研究内容是先进液态金属冷却ADS技术开发所需解决的基础性研究工作，是学科交叉型研究课题，具有重要的工程应用价值和学术价值。

铅铋自然循环冷却ADS (Accelerator Driven subcritical reactor System)作为一种新型核能系统，因其固有安全性、产生的核废料很少等特点，在放射性乏燃料嬗变中具有很好的前景。本项目围绕ADS中铅铋合金的传热及自然循环能力、气泡泵中两相流特性及其强化铅铋自然循环能力方面开展了理论、数值模拟和实验研究。完成的主要工作包括：.1. 筛选适宜的模型及算法，采用数值模拟方法研究了氩气-液态铅铋合金提升泵内的两相流动特点、工作性能与其影响因素之间的关系。.2. 建成了液态铅铋合金传热及气泡泵强化自然循环能力的实验回路。完成了：1）液态铅铋合金在环形通道内的流动换热性能实验；2）液态铅铋合金自然循环起始过程及自然循环能力实验；3）气泡泵强化自然循环能力实验。.3. 分别建成了一套空气-水气泡泵台架（可视化）和一套为氩气-液态铅铋气泡泵台架。采用对比的方式研究气液密度比对气泡泵性能的影响。.4. 基于漂移流模型，开发了铅铋合金气泡泵提升自然循环能力计算程序LBE-NCC。.得到的主要成果及结论包括：.1. 气泡泵提升段内流型处于弹状流和搅混流时液体提升能力较大。.2. 气体提升泵提升液体量随气体注入流量增大而先增大后减小、随浸没比的增大而增大、随提升段直径的增大而增大。.3. 提升段两相摩擦压降随氩气注入流量增大先减小后增大、随浸没比的增大而增大、不随提升段直径发生趋势性变化。.4. 由于铅铋合金具有很高的热膨胀系数，自然循环在回路中迅速建立。自然循环能力与加热功率、冷却能力以及回路的流动阻力有关，随着加热功率的升高而增强。.5. 注气能有效提升自然循环回路铅铋合金的质量流速。基于实验数据拟合得到了提升段平均空泡份额经验关系式。.6. 基于实验数据得到了液态铅铋合金在环形通道内的摩擦阻力系数及单相液态铅铋合金对流传热特性计算关系式。.7. 开发的LBE-NCC可以用来预测提升段内压力、混合物流速、混合物体积流量、压降梯度等参数的变化趋势。.本研究获得的大密度比气泡泵提升段的两相流特性、气泡泵工作性能、及液态铅铋合金自然循环特性、环形通道内铅铋合金的流动传热特性对于ADS系统设计、程序开发提供理论参考和实验数据。