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池式铅冷快堆SGTR事故多组分多相流动过程数值模拟研究

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原子能科学技术 2024年

作者：陈宇彤张大林林悦张熙司田文喜秋穗正苏光辉西安交通大学能源与动力工程学院中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所

本研究使用欧拉坐标下的多组分多相分析程序ACENA，首先介绍了ACENA程序的基本数学物理模型，然后通过铅铋-氮气两相流动实验HESTIA-2、KYLIN-Ⅱ-S铅铋-水相互作用实验和点堆中子动力学方程解析解，对程序热工水力模块和中子动力学模块... 详细信息

本研究使用欧拉坐标下的多组分多相分析程序ACENA，首先介绍了ACENA程序的基本数学物理模型，然后通过铅铋-氮气两相流动实验HESTIA-2、KYLIN-Ⅱ-S铅铋-水相互作用实验和点堆中子动力学方程解析解，对程序热工水力模块和中子动力学模块进行了验证计算，在此基础上，针对欧洲先进铅冷示范堆ALFRED的设计方案分别开展了热态满功率稳态校核计算和假想无保护蒸汽发生器传热管破裂（SGTR）事故瞬态模拟，重点关注了SGTR事故后铅池内多相流动过程以及包壳最高温度、燃料最高温度、堆芯相对功率以及主容器压力等参数的演变，并分析了断管数量、铅冷却剂循环路径以及所采用的机理模型等影响因素对ACENA程序计算结果的影响。本文研究结果表明，Ishii-Chawla-Suzuki相间曳力系数模型结合Ishii等提出的相间界面面积浓度输运模型能够较好地模拟圆形/环形铅铋流道中上升气泡的扩散迁移特性；通过对KYLIN-Ⅱ-S实验的模拟说明ACENA程序能够较为合理地预测熔融铅基合金-水相互作用过程中，铅池内压力波动和温度瞬变等现象；ACENA程序对ALFRED堆稳态满功率下关键热工参数的计算结果与国际认可的一维系统程序TRACE/FRED的计算结果基本一致，证明了ACENA程序全堆级计算结果的可靠性；对ALFRED堆假想SGTR事故的计算验证了ACENA程序对铅冷快堆SGTR事故下复杂多组分多相流动现象的模拟能立，且计算结果表明合理设计一次侧冷却剂循环路径、尽可能降低管道破损数量均对消减铅冷快堆SGTR事故后果具有重要意义。本工作可为我国池式铅冷快堆SGTR事故安全分析提供技术参考。

关键词：铅冷快堆 ALFRED 蒸汽发生器传热管破裂 ACENA程序多相流动机理模型安全分析

基于PCA-SVM的小型自然循环铅冷快堆传感器故障诊断方法研究

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核科学与工程 2024年第2期 464-471页

作者：马永健冯云孙培伟魏新宇西安交通大学核科学与技术学院

离岸式小型自然循环铅冷快堆运行在恶劣环境下，且通常少人值守，在这种情况下，传感器故障可能对系统的安全性产生严重影响。为及时检测和诊断传感器故障，提出了一种结合主成分分析(PCA)和支持向量机(SVM)的方法。所提方法基于数据驱... 详细信息

离岸式小型自然循环铅冷快堆运行在恶劣环境下，且通常少人值守，在这种情况下，传感器故障可能对系统的安全性产生严重影响。为及时检测和诊断传感器故障，提出了一种结合主成分分析(PCA)和支持向量机(SVM)的方法。所提方法基于数据驱动，不需要系统的详细数学模型或特定状态的先验知识。采用PCA方法，能够有效降低数据维度。使用MATLAB/Simulink中构建的小型铅冷快堆动态模型，产生传感器数据，以训练和建立故障诊断模型，并进行了性能测试，验证了所提出的故障诊断方法的准确性和有效性。

关键词：铅冷快堆传感器故障故障诊断主成分分析支持向量机

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MORPHY程序在铅冷快堆中的应用

强激光与粒子束 2024年第6期36卷 138-149页

作者：李金洲张滕飞何东豪潘清泉刘晓晶上海交通大学核科学与工程学院上海200240

铅冷快堆在燃料增殖和核废料处理方面的优势明显,针对欧洲铅冷系统(ELSY),基于“两步法”,使用蒙特卡罗软件产生少群组件参数,经过截面修正后,传递给确定论程序MORPHY进行堆芯计算。分析截面修正处理、角度展开阶数对计算精度的影响,量... 详细信息

铅冷快堆在燃料增殖和核废料处理方面的优势明显,针对欧洲铅冷系统(ELSY),基于“两步法”,使用蒙特卡罗软件产生少群组件参数,经过截面修正后,传递给确定论程序MORPHY进行堆芯计算。分析截面修正处理、角度展开阶数对计算精度的影响,量化比较ELSY堆芯的有效增殖因数、归一化通量水平以及控制棒组的控制棒价值。对于不同算例,采用输运修正和中子倍增效应修正,堆芯计算采用S4阶展开条件下,有效增殖因数偏差最大为38×10^(−5),控制棒价值计算偏差在45×10^(−5)之内,归一化中子通量密度最大绝对偏差为9.73%,平均绝对偏差在2%以内,初步验证MORPHY程序在铅冷快堆物理分析中具备可行性。

关键词： MORPHY程序铅冷快堆 Serpent 程序应用

欧洲铅冷快堆水平螺旋管式蒸汽发生器热工水力性能分析

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核动力工程 2022年第3期43卷 38-45页

作者：张巍李净松施慧烈乔鹏瑞王聪张天清何莹钊中核武汉核电运行技术股份有限公司武汉430074 核动力运行研究所武汉430074 中国原子能科学研究院北京102413

以欧洲铅冷堆(ELSY)水平螺旋管式蒸汽发生器(HST-SG)为研究对象,结合其结构参数和运行参数,选取了合适的传热阻力模型开发了一维稳态热工水力计算程序,采用该程序首先对ELSY HST-SG进行校核计算,以验证程序计算的准确性,再结合计算结果,... 详细信息

以欧洲铅冷堆(ELSY)水平螺旋管式蒸汽发生器(HST-SG)为研究对象,结合其结构参数和运行参数,选取了合适的传热阻力模型开发了一维稳态热工水力计算程序,采用该程序首先对ELSY HST-SG进行校核计算,以验证程序计算的准确性,再结合计算结果,对ELSY HST-SG热工水力性能进行详细分析,并针对不同运行参数开展对比分析研究。分析结果表明,ELSY HST-SG各项参数选择合理,热工水力性能优良,结构紧凑。因此,该程序可用于ELSY HST-SG的设计开发和性能分析。

关键词：水平螺旋管蒸汽发生器铅冷快堆热工水力

耦合S-CO_(2)布雷顿循环的自然循环铅冷快堆控制策略研究

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核动力工程 2023年第4期44卷 138-147页

作者：刘桂秀易经纬李根梁铁波方华伟陈伟雄西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049 中国核动力研究设计院成都610213 华南理工大学电力学院广州510641

自然循环铅冷快堆与超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环耦合发电系统是未来先进核能系统的发展方向。基于Apros软件搭建了该耦合发电系统的动态模型,并设计了2种反应堆控制方案,一种为参考压水堆堆芯功率控制系统的常规控制方案,另一... 详细信息

自然循环铅冷快堆与超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环耦合发电系统是未来先进核能系统的发展方向。基于Apros软件搭建了该耦合发电系统的动态模型,并设计了2种反应堆控制方案,一种为参考压水堆堆芯功率控制系统的常规控制方案,另一种为添加控制棒棒位限制的补偿控制方案。研究结果表明,在3%FP/min(FP为满功率)的小变负荷速率下,2种控制方案下的负荷跟随动态偏差皆在-2%~1%之间,但对于堆芯出口冷却剂温度的稳定,补偿控制方案优于常规控制方案;在6%FP/min~18%FP/min的大变负荷速率下,常规控制方案下的堆芯出口温度变化幅度为-40~0℃,而补偿控制方案下的堆芯出口温度的变化幅度为-5~2℃。因此,补偿控制方案可作为自然循环铅冷快堆控制的有效手段。

关键词：铅冷快堆自然循环 S-CO_(2)布雷顿循环反应堆控制

铅-超临界二氧化碳换热器耦合流动传热特性研究

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西安交通大学学报 2024年

作者：李良星雷振欣赵浩翔石尚许向阳向祖涛西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室

为探究螺旋盘管式主换热器内的耦合流动传热机理，基于等长度分段模型，构建了以液态铅和超临界二氧化碳为工质的螺旋盘管式主换热器原型及模化比例样件的理论设计方法，并利用相似性原理完成了主换热器小比例样件设计。以主换热器小比... 详细信息

为探究螺旋盘管式主换热器内的耦合流动传热机理，基于等长度分段模型，构建了以液态铅和超临界二氧化碳为工质的螺旋盘管式主换热器原型及模化比例样件的理论设计方法，并利用相似性原理完成了主换热器小比例样件设计。以主换热器小比例样件为研究对象，通过SST k-ω湍流模型数值分析了液态铅和超临界二氧化碳在螺旋盘管换热器内的流动传热特性。计算结果表明：螺旋盘管换热器内耦合流动传热性能主要受壳侧质量流量、管侧质量流量和壳侧工质入口温度影响；管侧超临界二氧化碳质量流量对螺旋盘管换热器内耦合流动传热性能的影响最为显著，在超临界二氧化碳质量流量增加52.4%的条件下，螺旋管的平均表面换热系数增大了21.2%；壳侧液态铅的质量流量和入口温度分别增大94.6%和20 K的情况下，螺旋管内的表面传热系数增大了5.5%和3.3%。该研究可为螺旋盘管式换热器的工况选择和高效设计提供理论指导。

关键词：铅冷快堆螺旋盘管换热器模化比例样件耦合流动传热

液态铅-超临界二氧化碳换热器设计及多目标优化研究

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核动力工程 2024年

作者：李良星石尚赵浩翔赵佳元西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室

为提高铅冷快堆主换热器的综合换热性能，本研究建立了以液态铅和超临界二氧化碳（S-CO2）为工质的螺旋盘管式主换热器的热工水力模型，采用MATALB语言编写了设计程序，并利用非支配排序遗传算法（NSGA-II）开展了对主换热器的换热面积... 详细信息

为提高铅冷快堆主换热器的综合换热性能，本研究建立了以液态铅和超临界二氧化碳（S-CO2）为工质的螺旋盘管式主换热器的热工水力模型，采用MATALB语言编写了设计程序，并利用非支配排序遗传算法（NSGA-II）开展了对主换热器的换热面积和综合性能评价因子的多目标优化设计。结果表明，本文建立的优化设计方法可以在提高主换热器综合性能的同时，有效降低其换热面积。在主换热器的设计中，应优先考虑管外径、螺旋管层数以及第一层螺旋管数，以达到减小换热面积、提高综合换热性能的目的。

关键词：铅冷快堆换热器遗传算法优化设计

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MAX相材料的耐铅铋腐蚀性能研究进展

材料导报 2024年第S1期38卷 397-404页

作者：杨璇冰张晓新燕青芝北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

铅冷快堆(LFR)以具有良好的热物理特性和化学稳定性的液态铅或铅铋合金(LBE)作为冷却剂,但是高温下LBE与结构材料长期接触带来的腐蚀问题会导致材料失效并带来安全隐患。MAX相材料因其优异的力学性能、高温耐腐蚀性能和抗辐照性能,成为... 详细信息

铅冷快堆(LFR)以具有良好的热物理特性和化学稳定性的液态铅或铅铋合金(LBE)作为冷却剂,但是高温下LBE与结构材料长期接触带来的腐蚀问题会导致材料失效并带来安全隐患。MAX相材料因其优异的力学性能、高温耐腐蚀性能和抗辐照性能,成为铅冷快堆的重要结构材料之一。Ti-Si-C、Ti-Al-C和Zr-Al-C是目前被用于进行LBE腐蚀研究的三种常见MAX相材料体系。近年来,有越来越多的研究者们在不同腐蚀条件下的LBE中开展了腐蚀实验,但是对于MAX相材料的LBE腐蚀机理的分析仍不够系统和深入,也少有提高耐腐蚀性能的改性方法被提出。本文在简要介绍MAX相材料的结构、化学组成和制备方法之后,归纳综述了MAX相材料在高温液态LBE中的腐蚀行为及腐蚀机理的研究进展,提到了温度、氧浓度、时间和流速等不同因素对腐蚀层结构的影响。最后,探讨将用于提升MAX相材料在其他高温介质中耐腐蚀性能的改性方法,引入到针对耐LBE腐蚀性能研究的可能性。

关键词： MAX相材料 LBE腐蚀腐蚀机理铅冷快堆结构材料

耦合S-CO布雷顿循环的自然循环铅冷快堆控制策略研究

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核动力工程 2023年

作者：刘桂秀易经纬李根梁铁波方华伟陈伟雄中国核动力研究设计院华南理工大学电力学院西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室

自然循环铅冷快堆与超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环耦合发电系统是未来先进核能系统的发展方向。基于Apros软件搭建了该耦合发电系统的动态模型，并设计了两种反应堆控制方案，一种为参考压水堆堆控系统的常规控制方案，另一种为添加... 详细信息

自然循环铅冷快堆与超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环耦合发电系统是未来先进核能系统的发展方向。基于Apros软件搭建了该耦合发电系统的动态模型，并设计了两种反应堆控制方案，一种为参考压水堆堆控系统的常规控制方案，另一种为添加棒位限制的补偿控制方案。研究结果表明，在3%FP/min(FP为满功率)的小变负荷速率下，两种控制方案下的负荷跟随动态偏差皆在-2%～1%之间，但对于堆芯出口冷却剂温度的稳定，补偿控制方案优于常规控制方案；在6%FP/min～18%FP/min的大变负荷速率下，常规控制方案下的堆芯出口温度变化幅度为-40℃～0℃，而补偿控制方案下的堆芯出口温度的变化幅度为-5℃～2℃。因此，补偿控制方案可作为自然循环铅冷快堆控制的有效手段。

关键词：铅冷快堆自然循环 S-CO 布雷顿循环反应堆控制