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热离子空间堆电源负荷跟踪特性研究

韩旭帆 欧阳泽宇 王钊 单建强

韩旭帆, 欧阳泽宇, 王钊, 单建强. 热离子空间堆电源负荷跟踪特性研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(2): 63-71. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.02.0063
引用本文: 韩旭帆, 欧阳泽宇, 王钊, 单建强. 热离子空间堆电源负荷跟踪特性研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(2): 63-71. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.02.0063
Han Xufan, Ouyang Zeyu, Wang Zhao, Shan Jianqiang. Study on Load-Following Characteristics of a Thermionic Space Reactor Power System[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(2): 63-71. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.02.0063
Citation: Han Xufan, Ouyang Zeyu, Wang Zhao, Shan Jianqiang. Study on Load-Following Characteristics of a Thermionic Space Reactor Power System[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(2): 63-71. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.02.0063

热离子空间堆电源负荷跟踪特性研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.02.0063
基金项目: 上海航天科技创新基金(SAST2021-022)
详细信息
    作者简介:

    韩旭帆(2000—),男,硕士研究生,现主要从事空间核反应堆热工水力与安全分析研究,E-mail: 2833882325@qq.com

  • 中图分类号: TL331

Study on Load-Following Characteristics of a Thermionic Space Reactor Power System

  • 摘要: 为分析热离子空间堆电源负荷跟踪运行特性,本研究采用可复用的层次化组件模型的Fortran语言建立热离子空间堆TOPAZ-II系统程序。分析了铯蒸汽压力和电极间隙对输出电功率的影响,利用堆芯反应性反馈和外部负载电阻协同控制的方法,分析不同载荷变化下热离子空间堆电源在轨运行的负荷跟踪运行特性。结果表明对于稳态电功率为5.5 kW的工况,电功率在0.95~7.25 kW之间变化时,慢化剂温度不会发生明显变化,此时堆芯具有自稳特性;超过这个范围,堆芯则失去自稳特性,这与慢化剂的正温度反应性反馈密切相关。

     

  • 图  1  TOPAZ-Ⅱ结构示意图

    TFE—热离子发电元件

    Figure  1.  Diagram of TOPAZ-Ⅱ Structure

    图  2  4个控制体示意图

    Figure  2.  Diagram of Four Control Bodies

    图  3  燃料元件径向温度分布

    Figure  3.  Radial Temperature Distribution of Fuel Element

    图  4  燃料元件温度瞬态变化对比

    Figure  4.  Comparison of Transient Changes in Fuel Element Temperature

    图  5  堆芯冷却剂进出口温度瞬态变化对比

    Figure  5.  Comparison of Transient Temperature Changes at Inlet and Outlet of Core Coolant

    图  6  局部J-V特性曲线

    Figure  6.  Partial J-V Characteristic Curve

    图  7  输出电功率随负载电阻的变化

    Figure  7.  Variation of Electric Power with Load Resistance

    图  8  电功率升高时慢化剂温度变化

    Figure  8.  Variation of Moderator Temperature with Increasing Electric Power

    图  9  电功率降低时慢化剂温度变化

    Figure  9.  Variation of Moderator Temperature with Decreasing Electric Power

    图  10  核功率变化

    Figure  10.  Variation of Nuclear Power

    图  11  燃料温度变化

    Figure  11.  Variation of Fuel Temperature

    图  12  发射极温度变化

    Figure  12.  Variation of Emitter Temperature

    图  13  收集极温度变化

    Figure  13.  Variation of Collector Temperature

    图  14  气体间隙温度变化

    Figure  14.  Variation of Gas Gap Temperature

    图  15  慢化剂温度变化

    Figure  15.  Variation of Moderator Temperature

    表  1  系统参数表

    Table  1.   System Parameters

    参数 参数值 参数 参数值
    堆芯直径/mm 260 冷却剂质量流量/
    (kg·s−1)
    1.3
    堆芯高度/mm 375 冷却剂入口温度/K 743
    额定热功率/kW 115 冷却剂出口温度/K 843
    输出电功率/kW 4.5~5.5 一回路管道材料 不锈钢
    燃料元件数量 37 TFE发射极材料 Mo-3%Nb
    燃料材料 UO2(96%富集度) TFE收集极材料
    装载燃料质量/kg 27 TFE隔离层材料 Al2O3
    堆芯冷却剂 NaK(78%K) 有效散热面积/m2 7.2
    慢化层材料 ZrH1.85 散热单元材料
    下载: 导出CSV

    表  2  稳态结果验证

    Table  2.   Verification of Steady-state Results

    参数 计算值 文献值
    堆芯冷却剂进口温度/K 742.6 743
    堆芯冷却剂出口温度/K 842.7 843
    堆芯冷却剂进出口温差/K 100.1 100
    堆芯裂变热功率/kW 114.95 115
    产生电功率/kW 5.526 5.5
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-06
  • 修回日期:  2023-08-02
  • 刊出日期:  2024-04-12

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