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月基核电源堆芯设计及物理热工特性分析

宁可为 宋帅 赵富龙 谢林 谭思超

宁可为, 宋帅, 赵富龙, 谢林, 谭思超. 月基核电源堆芯设计及物理热工特性分析[J]. 核动力工程, 2022, 43(S2): 118-124. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0118
引用本文: 宁可为, 宋帅, 赵富龙, 谢林, 谭思超. 月基核电源堆芯设计及物理热工特性分析[J]. 核动力工程, 2022, 43(S2): 118-124. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0118
Ning Kewei, Song Shuai, Zhao Fulong, Xie lin, Tan Sichao. Core Design and Analysis of Physical and Thermal Characteristics of Lunar-based Nuclear Power Source[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(S2): 118-124. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0118
Citation: Ning Kewei, Song Shuai, Zhao Fulong, Xie lin, Tan Sichao. Core Design and Analysis of Physical and Thermal Characteristics of Lunar-based Nuclear Power Source[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(S2): 118-124. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0118

月基核电源堆芯设计及物理热工特性分析

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0118
基金项目: 黑龙江省自然科学基金 (YQ2020A002),黑龙江省博士后基金 (LBH-Z19013)
详细信息
    作者简介:

    宁可为(1997—),男,博士研究生,核科学与技术专业, E-mail: ningkewei@hrbeu.edu.cn

    通讯作者:

    赵富龙,E-mail: zfl970041611@foxmail.com

  • 中图分类号: TL325

Core Design and Analysis of Physical and Thermal Characteristics of Lunar-based Nuclear Power Source

  • 摘要: 核能具有长续航、长寿期的特点,能够为月球探索提供可靠能源保障。本文提出月基300 kW(热功率)热离子反应堆方案,通过蒙特卡罗方法进行堆芯物理特性分析,并通过堆芯单通道流动换热计算对反应堆热工安全进行数值模拟研究。计算结果表明,方案能够实现10 a寿期,具备足够停堆深度,但部分温度区间内出现正温度反馈,需要依赖精细控制满足反应堆安全性要求;处于月面微重力环境下,冷却剂流速不小于0.9 m/s时,堆芯最热通道不超过热工安全限值。

     

  • 图  1  燃料元件及堆芯概念设计图

    Figure  1.  Conceptual Design of Fuel Elements and Reactor Core       

    图  2  反射层温度对keff的影响

    Figure  2.  Influence of Reflector Temperature on keff

    图  3  keff和燃耗深度随时间变化

    Figure  3.  keff and Burnup Depth Change Versus Time        

    图  4  寿期内主要核素质量随时间变化

    Figure  4.  Mass of Major Nuclides During Lifetime Change Versus Time

    图  5  冷却剂通道及网格划分图

    Figure  5.  Coolant Channel and Meshing

    图  6  通道出口温度分布云图

    Figure  6.  Temperature Distribution Nephogram at Channel Outlet      

    表  1  堆芯计算结果

    Table  1.   Reactor Core Calculation Results

    参数名参数值
    有效增殖因子1.01940
    总中子注量率/(cm2·s13.41×1016
    裂变率/(cm3·s12.06×1014
    中子泄漏率/(cm2·s11.196×1014
    平均每次裂变释放的中子数/个2.50
    平均每次裂变释放的能量/ MeV202.30
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    表  2  不同能量中子注量率及裂变反应份额

    Table  2.   Neutron Flux and Fission Reaction Share of Different Energies

    能量中子注量率/
    (cm2·s1
    中子注量率
    占比/%
    裂变反应率/
    (cm3·s1
    引起裂变反
    应占比/%
    0~0.625 eV1.57×10154.67.65×10123.7
    0.625 eV~0.1 MeV1.40×101641.17.53×101336.6
    0.1~2 MeV1.85×101654.31.23×101459.7
    全部3.41×10161002.06×1014100
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    表  3  堆芯在不同温度下的温度系数

    Table  3.   Temperature Coefficient of Core at Different Temperatures

    温度/K300~600600~900900~12001200~15001500~1800
    温度系数/(10−5 K−1)0.11−0.210.070.30−0.35
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    表  4  数值模拟结果

    Table  4.   Numerical Simulation Results

    通道类型质量流量/
    (kg·s−1)
    出口平均流
    速/(m·s−1)
    出口平
    均温度/K
    出口最
    大温度/K
    出口最
    小温度/K
    三角形0.0470.93852.3903.5835.1
    梅花形0.0910.44852.1957.8827.1
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-20
  • 修回日期:  2022-09-19
  • 刊出日期:  2022-12-31

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