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一种适用于小型长寿命自然循环铅基快堆的冷却剂研究

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核技术 2022年第3期45卷 73-80页

作者：余清远肖豪刘紫静赵鹏程于涛南华大学核科学技术学院衡阳421001

以小型化、长寿命、自然循环为铅基快堆的设计目标,构建100 MWt铅基快堆堆芯模型并开展冷却剂选型研究,选取Pb同位素/混合物及Pb-Bi混合物,分析比较了采用不同冷却剂堆芯的物理特性与自然循环特性。结果表明:得益于^(208)Pb在高能区小... 详细信息

以小型化、长寿命、自然循环为铅基快堆的设计目标,构建100 MWt铅基快堆堆芯模型并开展冷却剂选型研究,选取Pb同位素/混合物及Pb-Bi混合物,分析比较了采用不同冷却剂堆芯的物理特性与自然循环特性。结果表明:得益于^(208)Pb在高能区小的非弹性散射截面与中低能区极小的中子俘获截面,加之Bi较小的中子俘获截面,采用^(208)Pb-Bi冷却的铅基快堆堆芯在30满功率年运行周期内的燃耗反应性损失最小,增殖性能最佳,且具备负值较大的空泡系数、冷却剂温度系数和较大的有效缓发中子份额,可装载较低富集度或较少量燃料,有利于堆芯小型化、长寿命和固有安全性;^(208)Pb-Bi相比Pb冷却的铅基快堆具备更强的自然循环能力、更弱的材料腐蚀、更宽的运行温度区间,有利于反应堆安全运行与维护。高^(208)Pb丰度的铅可以从钍矿石及钍铀矿石中提取,极大降低了^(208)Pb的分离提取难度。

关键词：铅基快堆冷却剂物理特性自然循环

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非对称条件下双环路自然循环稳定性分析

核动力工程 2022年第2期43卷 59-64页

作者：朱恩平王婷刘紫静赵鹏程王天石南华大学核科学技术学院湖南衡阳421001

为研究非对称条件下双环路自然循环稳定性的变化,以单环路自然循环载热系统为起点,采用无量纲分析方法,将单环路自然循环的无量纲控制方程组中关于位移项进行傅里叶展开,从而得到表征单环路自然循环载热系统的雅克比(Jacobi)矩阵,并进... 详细信息

为研究非对称条件下双环路自然循环稳定性的变化,以单环路自然循环载热系统为起点,采用无量纲分析方法,将单环路自然循环的无量纲控制方程组中关于位移项进行傅里叶展开,从而得到表征单环路自然循环载热系统的雅克比(Jacobi)矩阵,并进行验证。在此基础上,构建了双环路Jacobi矩阵分析模型,基于所构建的模型,分别开展不同负荷差和阻力差下双环路自然循环稳定性分析,以及回路几何特征对稳定性边界的影响。结果表明,对于某一双环路系统而言,存在2个临界雷诺数,当左、右环路引入负荷差大于这2个临界雷诺数时,系统将会变得不稳定。增大高径比、减少管道直径、增加加热段长度和减少冷却段长度可以增加回路稳定性区域范围,且反应堆回路稳定性边界对环路高径比、加热段长度较为敏感;此外,在自然循环回路形成的允许范围内,增加环路压降可以提高系统稳定性。

关键词：自然循环雅克比(Jacobi)矩阵非对称双环路稳定性边界

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小型轻量化铅铋反应堆燃料组件几何结构研究

核技术 2023年第9期46卷 135-144页

作者：王昌肖豪刘紫静常皓彤王维嘉赵鹏程南华大学核科学技术学院衡阳421001 南华大学湖南省数字化反应堆工程技术研究中心衡阳421001

燃料组件的几何结构和栅格参数显著影响铅铋反应堆的物理/热工特性,采用不同几何结构燃料组件的堆芯在相同换料周期、热工限值约束下的临界尺寸、燃料装载量存在差异。本文开展小型轻量化铅铋反应堆的燃料组件几何结构研究,通过建立铅... 详细信息

燃料组件的几何结构和栅格参数显著影响铅铋反应堆的物理/热工特性,采用不同几何结构燃料组件的堆芯在相同换料周期、热工限值约束下的临界尺寸、燃料装载量存在差异。本文开展小型轻量化铅铋反应堆的燃料组件几何结构研究,通过建立铅铋反应堆堆芯模型,选取棒束型、环形、蜂窝煤型燃料组件方案,比较分析了3种方案在堆芯尺寸、燃料装载量、冷却剂流通面积、包壳和气隙体积相同和在换料周期为10 a、稳态热工安全裕量基本一致条件下堆芯的燃耗特性、反应性系数、稳态热工特性参数。结果表明:相比于棒束型与环形燃料组件,蜂窝煤型燃料组件良好的稳态热工特性与较硬的中子能谱,采用蜂窝煤型燃料组件的堆芯可以实现更小的堆芯尺寸及燃料装载量,具备显著的膨胀负反馈,同时能够有效展平功率分布和降低堆芯压降,是有利于铅铋反应堆小型化及轻量化的燃料组件方案。

关键词：铅铋反应堆燃料组件小型化轻量化

基于径向基代理模型与小生境遗传算法的铅铋反应堆堆芯智能优化

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核动力工程 2022年第6期43卷 93-100页

作者：李琼刘紫静王维嘉赵鹏程于涛常浩彤南华大学核科学技术学院湖南衡阳421001 南华大学湖南省数字化反应堆工程技术研究中心湖南衡阳421001

为解决铅铋反应堆多因素耦合影响下的复杂非线性多维优化问题,构建了基于径向基(RBF)代理模型预测、正交拉丁超立方抽样(OLHS)和小生境遗传算法(NGA)寻优的堆芯智能优化方法,开发了包含抽样、蒙卡程序耦合处理、堆芯参数预测寻优等功能... 详细信息

为解决铅铋反应堆多因素耦合影响下的复杂非线性多维优化问题,构建了基于径向基(RBF)代理模型预测、正交拉丁超立方抽样(OLHS)和小生境遗传算法(NGA)寻优的堆芯智能优化方法,开发了包含抽样、蒙卡程序耦合处理、堆芯参数预测寻优等功能的铅铋反应堆设计优化平台,并以堆芯最小燃料装载量为优化目标进行方案寻优验证。研究结果表明:RBF代理模型可准确快速地预测铅铋反应堆堆芯特性参数,与蒙卡程序计算值比较,其预测的堆芯有效增殖因子(k_(eff))相对误差在±0.1%以内;该智能优化方法应用于铅铋反应堆堆芯优化是可行的,能找到多因素共同变化约束下的最优目标方案,且极大缩减了设计方案的搜索计算时间。本研究建立的堆芯智能优化方法可为铅铋反应堆多物理、多变量、多约束耦合影响的优化设计提供思路。

关键词：铅铋反应堆堆芯设计径向基(RBF)代理模型小生境遗传算法(NGA) 正交拉丁超立方抽样(OLHS) 智能优化

加速器束流瞬变ADS次临界反应堆动态特性分析方法研究

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核动力工程 2014年第S2期35卷 48-51页

作者：于涛谢金森刘紫静南华大学湖南省核燃料循环技术与装备协同创新中心湖南衡阳421001 中国原子能科学研究院反应堆工程研究所北京102413

强流质子加速器(HPPA)的不稳定性产生的束流瞬变将导致加速器驱动次临界反应堆系统(ADS)的散裂中子源强度发生快速变化,进而对ADS次临界反应堆产生冲击。HPPA束流瞬变下的次临界反应堆动态响应特性是ADS研究的一个重要课题。本文在总结... 详细信息

强流质子加速器(HPPA)的不稳定性产生的束流瞬变将导致加速器驱动次临界反应堆系统(ADS)的散裂中子源强度发生快速变化,进而对ADS次临界反应堆产生冲击。HPPA束流瞬变下的次临界反应堆动态响应特性是ADS研究的一个重要课题。本文在总结目前ADS束流瞬变问题研究工作的基础上,对已建成的ADS次临界实验装置"启明星1#"开展了初步的与束流瞬变相关的计算分析,提出了在束流瞬变分析中针对有/无外源情况采用多模式堆芯群常数和中子动力学参数实时调用的建议。

关键词：加速器驱动次临界反应堆系统(ADS) 束流瞬变准静态近似多模式参数

基于Kriging代理模型的铅铋反应堆智能优化方法

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强激光与粒子束 2022年第5期34卷 49-59页

作者：李琼刘紫静肖豪肖英杰赵鹏程王昌于涛南华大学核科学技术学院湖南衡阳421001 南华大学湖南省数字化反应堆工程技术研究中心湖南衡阳421001

铅铋反应堆广泛应用的需求要求研究人员在现有堆芯方案的基础上开展大量优化设计工作。针对铅铋反应堆多物理、多变量、多约束耦合影响的多维非线性约束优化设计问题,基于Kriging代理模型、正交拉丁超立方抽样和SEUMRE空间搜索技术构建... 详细信息

铅铋反应堆广泛应用的需求要求研究人员在现有堆芯方案的基础上开展大量优化设计工作。针对铅铋反应堆多物理、多变量、多约束耦合影响的多维非线性约束优化设计问题,基于Kriging代理模型、正交拉丁超立方抽样和SEUMRE空间搜索技术构建铅铋反应堆智能优化方法,耦合物理蒙卡计算/热工分析程序,开发包含抽样、耦合程序前后处理、反应堆优化分析功能的优化平台,并以铅铋反应堆SPALLER-4,URANUS为原型分别开展最小燃料装载量的方案寻优与参数优化验证。验证结果表明,该智能优化方法用于铅铋反应堆设计方案寻优和堆芯参数优化可行、有效,相比传统蒙卡程序计算寻优,在保证预测精度前提下极大地降低了计算成本,与URANUS初始模型比较,燃料装载量、堆芯总质量、活性区体积、堆芯总体积分别优化10.8%,11.5%,18.1%,17.1%,为基于代理模型的智能优化方法应用于铅铋反应堆的优化设计提供参考。

关键词：铅铋反应堆智能优化 Kriging代理模型 SEUMRE空间搜索正交拉丁超立方抽样

基于RELAP5和FLUENT的多尺度耦合分析方法研究

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原子能科学技术 2018年第9期52卷 1598-1608页

作者：赵鹏程刘紫静于涛南华大学核科学技术学院湖南衡阳421001 中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究部北京102413

基于二次开发得到的铅冷快堆一维系统程序RELAP5_LEAD和三维计算流体力学程序FLUENT,利用动态链接库技术和FLUENT用户自定义函数,开发了多尺度耦合分析程序RELAP5/FLUENT。在单相范围内,分别利用耦合程序RELAP5/FLUENT开展简单铅冷串联... 详细信息

基于二次开发得到的铅冷快堆一维系统程序RELAP5_LEAD和三维计算流体力学程序FLUENT,利用动态链接库技术和FLUENT用户自定义函数,开发了多尺度耦合分析程序RELAP5/FLUENT。在单相范围内,分别利用耦合程序RELAP5/FLUENT开展简单铅冷串联管道的瞬态流动和传热模拟、简单铅冷闭式回路的瞬态流动模拟,并与RELAP5_LEAD计算结果开展Code-to-Code对比分析。研究结果表明,RELAP5/FLUENT计算结果与RELAP5_LEAD模拟结果吻合良好,耦合程序的开发取得了初步成功,可用于分析铅冷快堆堆内的复杂三维热工水力现象。

关键词：多尺度耦合系统程序计算流体力学程序 RELAP5程序 FLUENT程序铅冷快堆

小型自然循环铅冷快堆无保护最热组件局部堵流瞬态分析

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核动力工程 2019年第1期40卷 23-27页

作者：赵鹏程刘紫静于涛南华大学核科学技术学院湖南衡阳421001 中国原子能科学研究院北京102413

铅冷快堆内液态重金属的腐蚀作用严重制约铅冷快堆技术发展。基于程序ATHLET建立100MW小型模块化自然循环铅冷快堆SNCLFR-100一回路主冷却系统模型,对无保护最热组件局部堵流事故开展瞬态热工安全分析。结果显示,当阻塞率β达到0.6时,... 详细信息

铅冷快堆内液态重金属的腐蚀作用严重制约铅冷快堆技术发展。基于程序ATHLET建立100MW小型模块化自然循环铅冷快堆SNCLFR-100一回路主冷却系统模型,对无保护最热组件局部堵流事故开展瞬态热工安全分析。结果显示,当阻塞率β达到0.6时,最热组件内冷却剂流量将降为额定流量的50%左右,而最热棒包壳最高温度将达到650℃。当β达到0.9时,最热组件内冷却剂流量将降为额定流量的12.6%左右,包壳最高温度将超过包壳材料熔点1400℃,此时最热组件内将出现包壳熔化现象。

关键词：小型自然循环铅冷快堆堵流事故无保护事故 ATHLET 瞬态分析

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可增殖快谱超临界水冷堆物理初步设计计算

核动力工程 2013年第1期34卷 19-25页

作者：于涛刘紫静谢金森南华大学核科学技术学院湖南衡阳421001

建立改进型快谱超临界水冷堆(SCFR-M)堆芯模型,探讨点火区燃料棒直径和增殖区水棒直径对堆芯转换比的影响,得到合理的燃料组件设计形式。设计并计算6种不同堆芯布置的反应堆增殖特性和空泡反应性,并分析燃料中235U和239Pu成分对堆芯转... 详细信息

建立改进型快谱超临界水冷堆(SCFR-M)堆芯模型,探讨点火区燃料棒直径和增殖区水棒直径对堆芯转换比的影响,得到合理的燃料组件设计形式。设计并计算6种不同堆芯布置的反应堆增殖特性和空泡反应性,并分析燃料中235U和239Pu成分对堆芯转换比和空泡系数的影响,提高了转换比;研究燃料成分对堆芯转换比的影响。结果表明:减小氢原子数与重金属原子数之比(H/HM),增加堆芯增殖燃料组件数目并采用合理布置可满足堆芯负空泡反应系数,且可以提高堆芯转换比;降低燃料中Pu同位素质量分数可以使堆芯转换比大幅增加,同时使堆芯的空泡反应性系数负值更大;当点火燃料组件采用Pu同位素质量分数为20.8%的MOX燃料,增殖燃料组件采用0.2%富集度235U的贫铀燃料,6号设计方案可以使堆芯的初始转换比达到1.03128,且空泡反应性系数为负,初步达到超临界水冷快堆的增殖要求。进一步对堆芯的缓发中子有效份额、能谱、中子注量率、功率分布进行计算,分析研究增殖堆芯的物理特性。

关键词：改进型快谱超临界水冷堆增殖负空泡系数