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液态金属冷却快堆子通道分析软件SACOS-LMR研发与工程应用

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原子能科学技术 2024年第3期58卷 581-592页

作者：王金顺陈荣华朱昕阳田家豪田文喜秋穗正苏光辉西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049

子通道分析方法是反应堆堆芯设计和热工水力分析的重要手段之一,对于我国提出的压水堆-快堆-聚变堆三步走核能发展战略,开发适用于液态金属冷却快堆热工安全分析的子通道分析程序具有重要意义。本文基于西安交通大学热工水力研究室自主... 详细信息

子通道分析方法是反应堆堆芯设计和热工水力分析的重要手段之一,对于我国提出的压水堆-快堆-聚变堆三步走核能发展战略,开发适用于液态金属冷却快堆热工安全分析的子通道分析程序具有重要意义。本文基于西安交通大学热工水力研究室自主开发的压水堆子通道程序SACOS,通过添加液态金属快堆特有的模型,如绕丝模型、盒间流模型、液态金属对流换热模型等,扩展至适用于液态金属快堆的子通道分析程序SACOS-LMR,该程序具备对液态金属快堆组件开展稳态和瞬态热工水力分析的功能。结合卡尔斯鲁厄开展的37棒钠冷瞬态实验,完成了SACOS-LMR程序的瞬态功能验证。基于验证后的SACOS-LMR程序,对欧洲铅冷快堆(ALFRED)堆芯开展了稳态工况和瞬态事故工况下的热工安全特性分析,计算结果合理,且与同类程序保持一致,表明SACOS-LMR程序可用于液态金属快堆的堆芯设计和热工水力分析研究。

关键词：液态金属冷却快堆堆芯热工水力分析子通道分析方法 ALFRED

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熔盐沿螺旋十字型单棒层流混合对流传热数值研究

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核动力工程 2024年第3期45卷 76-84页

作者：姜殿强张大林陈凯龙田文喜秋穗正苏光辉西安交通大学核科学与技术学院西安710049

西安交通大学提出的小型氟盐冷却高温堆(FuSTAR)概念设计采用了螺旋十字型燃料组件。为研究熔盐在螺旋十字型燃料组件的混合对流传热特性,建立了螺旋十字型单棒通道模型。采用计算流体力学(CFD)方法,以实验数据验证数值计算模型,94%壁... 详细信息

西安交通大学提出的小型氟盐冷却高温堆(FuSTAR)概念设计采用了螺旋十字型燃料组件。为研究熔盐在螺旋十字型燃料组件的混合对流传热特性,建立了螺旋十字型单棒通道模型。采用计算流体力学(CFD)方法,以实验数据验证数值计算模型,94%壁温数据点的数值计算值与实验测量值之差在±5℃的范围内,94%平均传热系数数据点的数值计算值与实验测量值相对误差范围是−15%~15%。熔盐沿螺旋十字型棒混合对流传热的结果表明,自然对流在整体混合对流传热的影响程度与入口温度、热流密度有关;Φ/Gz(Φ为自然对流无量纲数的组合变量,Gz为格雷兹数)能更合理地评估自然对流在整体对流传热中的影响程度。此外,拟合了在30≤Re≤500,6≤Pr≤26,600≤Gr≤42000(Re为雷诺数,Pr为普朗特数,Gr为格拉晓夫数)时熔盐沿螺旋十字型单棒的层流混合对流传热关系式。

关键词：氟盐冷却高温堆 FuSTAR 螺旋十字型燃料层流混合对流计算流体力学(CFD)

核反应堆两相流和严重事故关键现象粒子法模拟研究

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中国科学：技术科学 2024年第7期54卷 1318-1328页

作者：陈荣华田文喜郭凯伦张魁秋穗正苏光辉西安交通大学核科学与技术学院西安710049 陕西省先进核能技术重点实验室西安710049

针对核反应堆冷却剂两相流动沸腾和严重事故熔融物迁移行为等热工安全领域重要难点问题,开发了高精度移动粒子半隐式法求解技术,建立了大密度比相间复杂界面捕捉及汽液相变模拟的两相流粒子法模型,开发了核反应堆严重事故中堆芯降级行... 详细信息

针对核反应堆冷却剂两相流动沸腾和严重事故熔融物迁移行为等热工安全领域重要难点问题,开发了高精度移动粒子半隐式法求解技术,建立了大密度比相间复杂界面捕捉及汽液相变模拟的两相流粒子法模型,开发了核反应堆严重事故中堆芯降级行为的氧化共晶、高温蠕变、消熔凝固及再定位过程粒子法模型,形成了基于粒子法的核反应堆关键热工安全现象复杂过程分析软件平台PANDA,实现了核反应堆冷却剂两相流汽泡动力学、严重事故等复杂现象过程的准确模拟.

关键词：核反应堆汽泡动力学严重事故粒子法 PANDA平台

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多层各向异性包壳力学模型开发与应用

核动力工程 2024年第S01期45卷 110-116页

作者：张睿潇贺亚男巫英伟田文喜秋穗正苏光辉西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

由高致密度纯SiC和SiC纤维/基体复合材料(SiCf/SiC)组成的多层SiC复合包壳是当前事故容错燃料(ATF)包壳的热门选型,当前应用的典型燃料性能分析程序缺乏对于SiCf/SiC材料各向异性力学行为的建模能力,为提高燃料性能分析中复合SiC包壳力... 详细信息

由高致密度纯SiC和SiC纤维/基体复合材料(SiCf/SiC)组成的多层SiC复合包壳是当前事故容错燃料(ATF)包壳的热门选型,当前应用的典型燃料性能分析程序缺乏对于SiCf/SiC材料各向异性力学行为的建模能力,为提高燃料性能分析中复合SiC包壳力学计算的准确性,本文开发了一套适用于多层各向异性材料的力学模型,并将其集成到燃料性能分析程序FRAPCON4.0中,采用多层SiC包壳热力耦合算例对模型正确性进行了验证。实现了对具有正交各向异性力学特性和多轴类塑性行为的SiC复合包壳的力学计算功能,分析了双层SiC包壳燃料元件堆内稳态运行工况的性能。本研究建立的力学模型适用于任意多层圆柱结构燃料元件,并具备正交各向异性力学参数及行为的分析能力,可应用于多种新型燃料元件分析。

关键词： SiC包壳事故容错燃料(ATF) 芯块-包壳机械相互作用(PCMI) 各向异性材料

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基于网格变形法铅铋快堆组件堵流事故模拟

核动力工程 2024年第3期45卷 95-103页

作者：刘政隆秋涵瑞王明军孙浩田文喜苏光辉西安交通大学核科学与技术学院西安710049 中广核研究院有限公司广东深圳518000

铅铋快堆中,燃料包壳或堆内结构材料会受铅铋合金腐蚀而脱落,堵塞冷却剂通道,引起局部传热恶化,最终导致包壳失效,因此需要分析堵流条件下组件内流动换热特性。绕丝组件结构复杂,非结构化网格划分方法网格量大,对计算资源要求较高。为... 详细信息

铅铋快堆中,燃料包壳或堆内结构材料会受铅铋合金腐蚀而脱落,堵塞冷却剂通道,引起局部传热恶化,最终导致包壳失效,因此需要分析堵流条件下组件内流动换热特性。绕丝组件结构复杂,非结构化网格划分方法网格量大,对计算资源要求较高。为减少网格量,采用基于径向基函数(RBF)的网格变形法对光棒组件网格进行变形,得到带绕丝组件全六面体网格并开展数值计算。与实验数据相比,全六面体网格计算结果与实验值符合良好,其网格量远少于非结构化网格,能够实现带绕丝组件堵流事故快速计算。开展典型61棒带绕丝组件堵流计算,结果显示柱状堵流流场恢复更快而局部温升更高;板状堵流流场需要更长距离恢复但局部温升小。

关键词：铅铋快堆组件堵流事故计算流体动力学(CFD) 径向基函数(RBF) 网格变形

基于CFD方法的铅铋堆组件操作头射流搅混特性研究

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核动力工程 2024年第4期45卷 77-86页

作者：张吉王莹杰王明军田文喜秋穗正苏光辉西安交通大学陕西省先进核能技术重点实验室西安710049 西安交通大学核科学与技术学院西安710049

在铅铋堆上腔室内,不同功率组件流出的铅铋搅混过程中流体温度波动可能导致固体结构发生热疲劳,危害铅铋堆运行安全。本文基于计算流体动力学(CFD)方法,建立了适用于铅铋堆组件操作头射流模拟的计算模型并通过实验数据进行了验证,之后... 详细信息

在铅铋堆上腔室内,不同功率组件流出的铅铋搅混过程中流体温度波动可能导致固体结构发生热疲劳,危害铅铋堆运行安全。本文基于计算流体动力学(CFD)方法,建立了适用于铅铋堆组件操作头射流模拟的计算模型并通过实验数据进行了验证,之后对不同入口参数的操作头射流工况进行了模拟。研究结果表明:入口温差的增加会导致操作头下游轴向截面上温度分布不均匀性显著增加,且影响范围持续到测量柱的位置,在计算工况范围内,温差每减小20K时,下游各个截面上温度均方根约减小23.5%;入口速度增加使得二次流增加,但是二次流强度会减小,在计算范围内搅混程度随入口速度增加呈现先减小后增大的变化趋势。本文可为铅铋堆组件操作头下游流场分析、操作头结构优化设计和堆芯流量分配设计等研究提供参考。

关键词：射流搅混堆芯出口铅铋合金计算流体动力学(CFD)

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压水堆棒状燃料氧化与吸氢模型开发及验证

核技术 2024年第9期47卷 112-120页

作者：陈楠向烽瑞贺亚男巫英伟章静苏光辉田文喜秋穗正西安交通大学核科学与技术学院陕西省先进核电技术重点实验室西安710049

核反应堆长期运行过程中,锆合金包壳与冷却水接触会发生氧化反应、吸氢脆化行为,使包壳的导热性能和力学性能恶化,威胁燃料元件的安全特性。因此,开展棒状燃料氧化与吸氢行为研究具有重要意义。本文实现了MOOSE-BEEs燃料性能分析程序中... 详细信息

核反应堆长期运行过程中,锆合金包壳与冷却水接触会发生氧化反应、吸氢脆化行为,使包壳的导热性能和力学性能恶化,威胁燃料元件的安全特性。因此,开展棒状燃料氧化与吸氢行为研究具有重要意义。本文实现了MOOSE-BEEs燃料性能分析程序中压水堆棒状燃料堆内腐蚀计算模型的开发,主要包括氧化腐蚀模型和吸氢腐蚀模型。基于相关的实验数据和BISON程序计算结果,对氧化腐蚀、氢扩散、氢析出等单个模型及耦合模型开展了验证。验证结果表明BEEs的模拟结果与实验数据和BISON程序吻合较好,说明BEEs能够准确模拟燃料棒的氧化与吸氢行为。

关键词：棒状燃料氧化腐蚀氢扩散氢析出 BEEs

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板状燃料富集度对燃料性能的影响研究

核技术 2024年第6期47卷 159-167页

作者：岳智瑛贺亚男刘洪权巫英伟章静苏光辉田文喜秋穗正西安交通大学核科学与技术学院陕西省先进核电技术重点实验室西安710049 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

核燃料的富集度对燃料性能有着重要的影响。为探究燃料富集度对U3Si2-Al板状燃料性能的影响,本研究基于BEEs-Plates/OpenMC/ZEBRA耦合程序,针对15%、20%和25%富集度的组件开展了中子物理-热工水力-燃料性能耦合计算,并分析了组件平均燃... 详细信息

核燃料的富集度对燃料性能有着重要的影响。为探究燃料富集度对U3Si2-Al板状燃料性能的影响,本研究基于BEEs-Plates/OpenMC/ZEBRA耦合程序,针对15%、20%和25%富集度的组件开展了中子物理-热工水力-燃料性能耦合计算,并分析了组件平均燃耗达125.71 GWd·tU^(-1)时的中子物理参数和燃料性能参数。计算结果表明,燃料组件富集度越高,其体积应变、蠕变应变和塑性应变越大。对中子物理参数的分析结果表明,25%富集度的组件功率密度比15%富集度的组件高出约18%,且富集度越高的组件最大燃耗也越大。对燃料性能参数的分析结果表明,25%富集度的组件塑性应变比15%富集度的组件最大高约40%,说明富集度越高的组件越容易发生失效。

关键词：中子物理热工水力燃料性能 U3Si2-Al燃料多物理场耦合

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热管冷却反应堆系统研究进展和挑战

原子能科学技术 2024年第S02期58卷 340-354页

作者：田文喜王成龙郭凯伦秋穗正苏光辉西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049

热管是一种高效的非能动热量传递元件,热管冷却反应堆核动力系统在多场景特种应用领域具备独特优势。本文概述了热管冷却反应堆特种核动力系统发展情况。首先介绍了热管冷却反应堆概念提出以及在海陆空天等领域的应用场景分析,同时总结... 详细信息

热管是一种高效的非能动热量传递元件,热管冷却反应堆核动力系统在多场景特种应用领域具备独特优势。本文概述了热管冷却反应堆特种核动力系统发展情况。首先介绍了热管冷却反应堆概念提出以及在海陆空天等领域的应用场景分析,同时总结了国内外典型堆型的发展现状。其次探讨了当前热管冷却反应堆面临的关键技术挑战,包括高性能材料研究、高性能热管研制、高效能量转换技术研究、设计分析技术研究。最后对未来发展趋势进行了分析和展望,强调了整体系统一体化研制、发电器件特性研究以及智能自主控制技术在热管冷却反应堆领域的重要性。本文的系统性总结将推动热管冷却反应堆技术的进一步发展,为未来特种核动力系统的应用提供重要支持。

关键词：热管热管冷却反应堆特种核动力系统关键技术挑战