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SARAX在船用热管堆设计中的应用研究

李凡琛 郑友琦 王夏雨 王释笛

李凡琛, 郑友琦, 王夏雨, 王释笛. SARAX在船用热管堆设计中的应用研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(S1): 58-65. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0058
引用本文: 李凡琛, 郑友琦, 王夏雨, 王释笛. SARAX在船用热管堆设计中的应用研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(S1): 58-65. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0058
Li Fanchen, Zheng Youqi, Wang Xiayu, Wang Shidi. Research on the Application of SARAX in the Design of Marine Heat Pipe Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(S1): 58-65. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0058
Citation: Li Fanchen, Zheng Youqi, Wang Xiayu, Wang Shidi. Research on the Application of SARAX in the Design of Marine Heat Pipe Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(S1): 58-65. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0058

SARAX在船用热管堆设计中的应用研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0058
详细信息
    作者简介:

    李凡琛(1999—),女,博士研究生,现主要从事堆芯设计及屏蔽设计研究,E-mail: fanchenli@stu.xjtu.edu.cn

    通讯作者:

    郑友琦,E-mail: yqzheng@mail.xjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TL371

Research on the Application of SARAX in the Design of Marine Heat Pipe Reactor

  • 摘要: 随着热管堆技术的逐步成熟,其在水下无人潜航器(UUV)上的应用潜力不断提升。本文针对水下平台对小型化、长寿命、高可靠性核动力系统的需求,提出了一种适用于核动力潜航器的兆瓦级热管堆,设计寿期为10 a。基于SARAX程序对该堆型进行中子学分析,内容包括燃耗趋势、功率分布、反应性系数及控制棒价值等关键参数。计算结果表明,该反应堆具备良好的中子学性能和均匀的功率分布,10 a寿期内燃料的平均燃耗深度为9.455 GW·d/t(U);堆芯径向相对功率峰出现在最外圈燃料组件;补偿棒在寿期内的反应性补偿量小于2000pcm(1pcm=10−5);单根控制棒价值不超过1β,满足反应堆体积小、重量轻、控制安全的设计目标。该堆型有望为UUV提供稳定、持续的水下动力支持,以提升其续航能力与任务执行能力。

     

  • 图  1  UUV示意图

    Figure  1.  Schematic Diagram of UUV

    图  2  程序参数传递过程

    Figure  2.  Parameter Transfer Process in the Code

    图  3  热管元件结构图

    Figure  3.  Heat Pipe Structure Diagram

    图  4  热管堆燃料组件布置

    Figure  4.  Fuel Assembly Arrangement for Heat Pipe Reactor

    图  5  热管堆控制组件布置

    Figure  5.  Control Assembly Arrangement for Heat Pipe Reactor

    图  6  热管堆堆芯布置

    Figure  6.  Core Arrangement for Heat Pipe Reactor

    图  7  计算模型

    wt%—质量分数;图7b图例同图7a

    Figure  7.  Computational Model

    图  8  热管堆的燃耗特性

    Figure  8.  Burnup Characteristics of Heat Pipe Reactor

    图  9  热管堆的径向相对功率分布

    Figure  9.  Radial Relative Power Distribution in Heat Pipe Reactor

    图  10  热管堆的轴向相对功率分布

    Figure  10.  Axial Relative Power Distribution in Heat Pipe Reactor

    图  11  堆内控制棒分布示意

    Figure  11.  Schematic Distribution of Control Rods in the Reactor

    图  12  主控制系统微分价值曲线

    Figure  12.  Differential Value Curve of the Main Control System

    图  13  主控制系统积分价值曲线

    Figure  13.  Integral Value Curve of the Main Control System

    表  1  候选燃料性能

    Table  1.   Properties of Candidate Fuels

    参数 UO2 UN UC U-10Mo
    密度/
    (g·cm−3)
    10.96 14.31 13.60 16.90
    熔点/ K 3138 3120 2670~2800 1387
    热导率/
    (W·m−1·K−1)
    2.1
    (1273.5 K)
    15.8
    (1000 K)
    18.8
    (1000 K)
    37.5
    (1073 K)
    热膨胀系数/
    10−6K
    12.83 9.90 12.80
      热导率为括号中特定温度下参数值。
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    表  2  常用固体慢化材料物理性能

    Table  2.   Physical Properties of Commonly-used Solid Moderating Materials

    慢化材料种类 密度/
    (g·cm−3)
    中子慢化
    能力
    宏观吸收
    截面/cm−1
    慢化比 氢密度/
    cm−3
    石墨(C) 1.70 0.065 3.3×10−4 200
    铍(Be) 1.84 0.16 1.23×10−3 130
    氧化铍(BeO) 3.00 0.12 7.4×10−4 163
    氢化锆(ZrH2 5.62 1.45 3.0×10−2 49 7.3×10²²
    氢化钇(YH2 4.30 1.20 4.8×10−2 25 5.8×10²²
    氢化钛(TiH2 3.78 1.85 2.9×10−1 6.3 9.1×10²²
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    表  3  燃料组件主要材料参数

    Table  3.   Main Material Parameters of Fuel Assembly

    元件参数名参数值
    燃料燃料棒数目/根25
    UO2富集度/%19.75/55/95/73
    可燃毒物丰度/%60/30/60/19.75
    密度/(g·cm−3)10.42
    基体材料种类SiC
    密度/(g·cm−3)3.2
    包壳材料种类不锈钢
    密度/(g·cm−3)7.98
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    表  4  热管堆堆芯参数

    Table  4.   Core Parameters for Heat Pipe Reactor

    参数名参数值
    燃料组件数/个31
    UO2富集度/%19.75/55/95/73
    燃料棒数目/根747
    热管数目/根372
    反射层材料Be
    可燃毒物材料B4C
    控制棒吸收体材料B4C
    活性区高度/mm700
    活性区等效直径/mm1110
    反应堆堆芯高度/mm800
    反射层外径/mm1400
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    表  5  热管堆的多普勒系数

    Table  5.   Doppler Coefficient for Heat Pipe Reactor

    参数名 参数值
    反应性变化/pcm −22.871
    多普勒系数/ (pcm·K−1) −0.0254
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    表  6  热管堆的安全棒价值

    Table  6.   Safety Rod Value of Heat Pipe Reactor

    工况类型keff价值/pcm
    安全棒全提1.01835
    安全棒全插0.969164919
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-30
  • 修回日期:  2025-03-10
  • 刊出日期:  2025-07-09

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