非对称热负荷下铅基快堆冷/热铅池热分层耦合响应机理及其对自然循环能力影响研究

Natural circulation lead-based cooled fast reactor heat exchangers are prone to failure in the harsh service environment of high temperature, high pressure difference, high density and high corrosion, which leads to the asymmetric thermal load operation of the reactor and induces the complex thermal hydraulic phenomenon of thermal stratification coupling response of the cold pool and hot pool, thus affecting the natural circulation performance of the reactor.This project intends to take a typical double-loop natural circulation lead-based fast reactor as the research object. Firstly, a linear analysis method based on the eigenvalues of the Jacobian matrix to determine the stability of the natural circulation is established. The flow stability of a double loop natural circulation lead-based fast reactor under the typical asymmetric heat load condition is studied and the stable operating range is obtained. Secondly, the high-efficiency multi-physics multi-scale coupling analysis method is developed to study the dynamic variation of the thermal stratification interface migration velocity and the axial/radial/circumferential temperature gradient under the influence of the thermal stratification coupling of the cold pool and hot pool in the stable operation range, revealing the thermal stratification coupling response mechanism of cold pool and hot pool. Finally, the effects of thermal stratification coupling responses of cold pool and hot pool under asymmetric thermal load on the natural circulation flow capacity and the natural circulation heat transfer capacity of the loops and core of lead-based fast reactor are analyzed quantitatively and qualitatively.This project can further develop the theoretical analysis method of natural circulation characteristics for lead-based fast reactor and provide theoretical support for the safe operation and design optimization of natural circulation lead-based fast reactor.

自然循环铅基快堆热交换器在高温、高压差、高密度和高腐蚀的恶劣服役环境下易失效，并导致反应堆非对称热负荷运行，诱发冷/热铅池热分层耦合响应的复杂热工水力现象，进而影响反应堆的自然循环能力。本项目拟以典型双环路自然循环铅基快堆为研究对象，首先，建立依据雅克比矩阵特征值来判断自然循环稳定性的线性分析方法，研究典型非对称热负荷下双环路自然循环铅基快堆的流动稳定性，获得稳定运行区间；其次，研发高效率多物理多尺度耦合分析方法，研究稳定运行区间内冷/热铅池热分层耦合影响下热分层界面迁移速度、轴向/径向/周向温度梯度的动态变化规律，揭示冷/热铅池热分层耦合响应机理；最后，定量和定性分析非对称热负荷下冷/热铅池热分层耦合响应对自然循环铅基快堆各环路、堆芯的自然循环流动能力与自然循环输热能力影响规律。本项目可进一步发展铅基快堆自然循环特性理论分析方法，为自然循环铅基快堆的安全运行和设计优化提供理论支持。

自然循环铅基快堆是一种极具发展前景的先进核能系统，单台或多台热交换器失效将导致自然循环铅基快堆非对称热负荷运行，非对称热负荷下的复杂池式热工水力现象研究是铅基快堆关键热工水力问题之一，非对称热负荷下冷/热铅池热分层现象耦合影响，具有一维/三维热工水力耦合、物理/热工耦合、一/二回路耦合的多物理多尺度耦合响应特性，对反应堆自然循环流动能力和自然循环输热能力具有重要影响。现有的研究工作主要集中于分别研究非对称热负荷下冷、热铅池热分层演化特性，而铅基快堆作为典型池式反应堆，任意铅池的热分层现象将导致另外铅池产生复杂的三维流动和温度交混.。因此，割裂分析冷、热铅池的热分层现象存在较大保守性，有待进一步发展和优化。.本项目以典型双环路自然循环铅基快堆为研究对象。首先，开展了非对称热负荷下双环路自然循环铅基快堆稳定性研究。主要构建并验证了双环路单相自然循环回路稳定性的线性分析方法，确定了非对称热负荷下典型自然循环铅基快堆的稳定运行区间；其次，开展了非对称热负荷下自然循环铅基快堆冷/热铅池热分层耦合响应机理研究。主要开展了高效率多物理多尺度耦合计算方法研究，开发了液态金属冷却池式快堆多物理多尺度耦合程序ATHLET_ADPRES_TRIO_U，搭建了多物理多尺度耦合分析模型，开展了冷、热铅池热分层现象及其影响研究，揭示了冷/热铅池热分层耦合响应机理。最后，开展了冷/热铅池热分层耦合响应机理对自然循环流动/输热能力影响研究。主要开展了非对称热负荷下双环路自然循环铅基快堆任意环路流量理论分析，研究了耦合响应机理对反应堆自然循环流动能力和自然循环输热能力影响。本项目可进一步发展铅基快堆自然循环特性理论分析方法，为自然循环铅基快堆的安全运行和设计优化提供理论支持，对深入研究自然循环条件下铅基快堆的复杂热工水力特性，推动我国自然循环铅基快堆的研发具有重要学术意义和现实价值。