池式钠冷快堆钠池热分层形成机理及对事故余热排出特性影响研究

The thermal stratification formed in hot sodium pool of pool-type sodium-cooled fast reactor under the accident transient scenarios causes great influence on the natural circulation characteristics and the reactor structural integrity, threating the reactor safety seriously. The thermal hydraulic phenomenon in hot sodium pool is highly complicated due to the complex structure and the coupling effects among different systems and physic fields. The low Prandtl number of sodium also leads to the great difference of heat transfer characteristics between sodium and water. Currently, the study of thermal stratification in hot sodium pool and its influence on the heat removal characteristics is relatively scarce and the simplified model was adopted in the most of related researches, which makes it hard reveal the formation mechanism and its influence accurately. The hot sodium pool three dimensional thermal hydraulic models will be established with fully considering the effects of biological shield columns, heat exchangers, free surface and boundary conditions. The study of thermal stratification forming mechanism will be carried out. The multi-physics and multi-scale thermal hydraulic coupling analysis technology among hot sodium pool, primary containment and passive heat removal system will be developed. The key thermal hydraulic parameter distributions and the coolant natural circulation path will be achieved under the reactor accident scenarios. The influence mechanism of thermal stratification on the natural circulation characteristics and heat removal capacity will be clarified. This work could contribute to the pool-type sodium-cooled fast reactor safety management and provide the theoretical basis for system optimization design.

池式钠冷快堆在事故瞬态下热钠池会形成明显的热分层现象，热分层将影响堆内自然循环特性及堆内构件结构完整性，威胁反应堆的安全。池式钠冷快堆热钠池内结构庞杂，热钠池与堆芯、冷钠池及事故余排等多个系统耦合，且钠的普朗特数较低，其传热特性特殊，目前国内外针对钠池热分层及对事故余排特性影响的研究较少且主要采用简化模型处理，无法准确揭示其形成机理及影响规律。本项目拟开展池式钠冷快堆事故瞬态下钠池热分层机理及对事故余排特性影响研究，建立热钠池三维流动换热分析模型，充分考虑生物屏蔽柱、换热器、自由液面及边界条件对热分层特性的影响，揭示钠池热分层形成机理；开发堆本体、热钠池及事故余排等系统的多物理场多尺度耦合流动换热分析技术，获得事故瞬态下反应堆内关键热工水力参数分布及冷却剂自然循环流动路径等，阐明钠池热分层现象对堆内自然循环特性及余热排出能力的影响规律，为池式钠冷快堆安全特性研究及系统优化设计提供理论依据。

池式钠冷快堆因其在固有安全性以及可增殖核燃料、嬗变长寿命放射性废物等方面的优势，被认为是第四代核能系统中最有发展前景的堆型之一。池式钠冷快堆在稳态和瞬态工况下热钠池内部会发生明显的热分层现象，影响钠冷快堆热钠池内结构安全及事故工况下的余热排出能力，延缓反应堆自然循环的建立和降低自然循环的强度。本项目针对池式钠冷快堆热池内多个重要的构件和设备，开发了屏蔽柱、独立热交换器以及中间热交换器等关键设备和结构的精细阻力模型，基于多孔介质模型开发了钠冷快堆热钠池三维热工水力分析方法，对IAEA“文殊堆上腔室自然对流下热分层实验基准题”进行了精细模拟，验证了所开发的三维计算方法对钠冷快堆热分层现象的模拟能力与准确性。其次，通过编制数据的通信中转以及逻辑控制核心模块，开发了系统分析模块与三维计算模块间的的耦合接口程序，并搭建了池式钠冷快堆三维热池与一维系统耦合计算综合平台，可以用于池式钠冷快堆跨维度热工水力特性分析。最后，以中国实验快堆为例，利用系统模型与三维模型耦合的多尺度工具对额定运行工况和全厂断电事故瞬态工况开展了模拟分析。在合理简化的基础上，建立了大空间跨尺度的复杂热池三维模型并划分一体化且平滑过渡的非结构化网格，详细刻画了重点关注区域例如支撑桶上所开的多个入口窗以及堆芯出口区域，获得了内外热池内详细的流场和温度场分布以及局部三维流动传热特性，确定了中心测量柱、各热交换器和主容器等壁面附近的温度梯度，预测了事故瞬态过程中的热分层程度和界面推进行为，分析了钠冷快堆事故工况下钠池热分层形成机理及对反应堆事故余排特性的影响。本项目建立的热池热分层三维热工水力模型，开发的跨维度耦合分析技术和平台，形成的中国实验快堆稳态及瞬态热分层分析方法等原创性成果可以为我国池式钠冷快堆事故瞬态下的安全特性研究及反应堆系统优化设计提供理论依据。