核动力工程

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娄磊, 王连杰, 陈长, 赵晨, 周冰燕, 严明宇, 马党伟

2023, 44(6): 1-8. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0001

摘要(397) HTML (125) PDF(104)

摘要:
为深入研究第四代核能系统堆型之一铅基快堆的物理性能，进一步提高模块化铅基快堆的安全性和经济性，对铀锆合金燃料装载的不同功率水平的模块化铅基快堆堆芯特性进行研究，发现当堆芯功率提升至一定水平时，堆芯的增殖优势在规定寿期内不能得到充分释放。基于此现象，对模块化铅基快堆铀锆合金燃料堆芯的概念设计进行优化，基于堆芯功率水平和寿期，选择合适的栅距棒径比和燃料芯体有效密度，通过调整单位体积内的铀装量和²³⁵U装量调整堆芯的增殖性能，最终使堆芯反应性变化与堆芯功率、寿期基本匹配，寿期内堆芯反应性几乎不发生变化。优化后降低了堆芯反应性控制难度，充分利用了堆芯的增殖性能，同时合理的栅距棒径比为堆芯热工分析提供了安全和设计裕量，有效提高了堆芯的经济性和安全性。

含强吸收体堆芯的各向异性SP₃两步法计算研究

李云召, 秦浚玮, 夏凡, 吴宏春, 曹良志

2023, 44(6): 9-15. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0009

摘要(274) HTML (115) PDF(33)

摘要:
核反应堆堆芯中出现的强吸收体，尤其是可移动的控制棒，会显著增强堆芯内中子角注量率的角度各向异性效应，传统的各向同性SP₃两步法不能进行有效刻画，需要构建各向异性SP₃两步法。本文首先从2个方面研究各向异性效应；推导了各向异性SP₃方程，建立了适用于各向异性SP₃方程的均匀化模型。通过材料试验堆（MTR）对本文方法进行验证与分析。结果表明，本文研究的各向异性SP₃方程及其均匀化方法较之传统计算方法偏差更小，对于有效增殖系数（k_eff）和功率分布改善较为明显。因此，本文研究的各向异性SP₃两步法能够有效处理含强吸收体堆芯问题。

基于改进BP神经网络实现后处理非均一工况的临界参数预测

孙铭泽, 成昱廷, 马骁笛, 夏兆东, 周琦, 朱庆福, 薛小刚

2023, 44(6): 16-22. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0016

摘要(286) HTML (79) PDF(30)

摘要:
作为后处理厂的关键工艺设备，萃取柱、贮槽经常出现溶液浓度波动工况（即非均一工况），而对其进行临界安全分析时，技术人员假定浓度扩大若干倍来进行保守分析——这虽满足保守性要求，但引入了过多的临界裕量，限制了后处理工艺的处理效率和能力。为解决这些问题，本研究基于改进BP神经网络方法，利用大型蒙特卡罗程序MCNP，针对典型设备结构尺寸完成了随机浓度分布的梯度建模，实现了基于浓度分布预测有效增殖因子（k_eff）的临界安全分析方法。数据测试结果表明，以本研究方法计算非均一工况k_eff的结果平均误差为1.82×10⁻⁴，损失函数均方差收敛值为3.34×10⁻⁶，远小于未改进的模型（2.4450×10⁻⁴）。同时与保守方法对比，本研究方法引入的临界裕量为–1.31×10⁻³，远小于传统方法（0.32951）。结果证明本研究方法在满足保守性的前提条件下，计算结果更精准、更有效，为后处理临界安全分析提供了方法参考。

程序二维/一维耦合特征线输运计算中的控制棒尖齿效应处理方法

张思凡, 刘宙宇, 赵寒冰, 陈兴, 王博

2023, 44(6): 23-31. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0023

摘要(248) HTML (97) PDF(24)

摘要:
在二维/一维耦合特征线输运的基础上，研究了控制棒移动的尖齿效应处理方法，包括自适应网格方法和双向均匀化方法。在双向均匀化方法中，通过建立径向通量密度形状因子和轴向通量密度形状因子降低均匀化的误差。在高保真数值反应堆程序NECP-X中开发了控制棒移动功能，通过C5G7-TD宏观问题和VERA #5全堆芯基准题对控制棒尖齿效应进行验证。数值结果表明：在计算控制棒价值和堆芯功率上自适应网格方法和双向均匀化方法都有较高的计算精度；通量密度形状因子可以很好地修正双向均匀化所带来的尖齿效应。

压水堆三维全堆芯Pin-by-pin瞬态分析

秦浚玮, 李云召, 王昆鹏, 吴宏春, 曹良志

2023, 44(6): 32-38. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0032

摘要(476) HTML (168) PDF(42)

摘要:
为了保证核反应堆在瞬态过程中的安全性，需要进行三维全堆芯的瞬态分析，给出安全分析关注的燃料棒功率分布。本研究建立了压水堆三维全堆芯Pin-by-pin核热耦合瞬态分析的理论模型：采用全隐式向后差分方法和指数函数展开节块法实现了三维全堆芯Pin-by-pin时空中子动力学计算；采用栅元尺度的多通道模型进行三维全堆芯Pin-by-pin热工反馈计算；采用Picard迭代实现了核热紧耦合迭代计算；利用信息传递接口（MPI）并行技术，采用统一的空间区域分解方式，实现了核热耦合瞬态过程的并行计算。基于理论模型，开发了相应的程序Bamboo-Transient2.0，采用基准题和多组件问题对程序进行验证，并将其应用于商用压水堆瞬态分析。结果表明：Pin-by-pin瞬态分析程序较之组件均匀化的粗网扩散程序结果更加精细，有效改善了棒功率分布的偏差，同时能够给出栅元尺度下的各状态参数分布情况，可直接满足安全分析需求。

高温钠热管在空气中泄漏实验研究

刘帅, 周源, 康明铭, 袁园, 杜政瑀, 何晓强, 胡伟

2023, 44(6): 39-44. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0039

摘要(361) HTML (132) PDF(26)

摘要:
热管冷却反应堆中的高温金属钠发生泄漏后，会与空气反应产生燃烧甚至爆炸，危害堆芯安全。针对高温状态下热管钠泄漏存在实验稀少、现象不明等问题，本文开展了钠热管顶部泄漏模拟实验，将15 g钠放入不锈钢管加热至904.8℃，在湿度13.12 g/mL的湿润空气中打开，测量过程中用压力、温度变化衡量危险程度。结果为热管泄漏会发生燃烧产生黄色火焰，发出爆炸响声，反应室中检测到压力脉冲0.081 MPa，反应室最高升温192.1℃。实验结果（包括实验现象和泄漏过程分析）为后续热管冷却堆的设计和安全评估提供了参考。

基于非结构网格MCNP的KRUSTY热膨胀负反馈计算研究

王立鹏, 曹璐, 陈森, 张信一, 姜夺玉, 胡田亮, 李达, 陈立新, 江新标

2023, 44(6): 45-53. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0045

摘要(572) HTML (238) PDF(73)

摘要:
热管堆KRUSTY的热膨胀负反馈模拟一直是业内计算的难点。本文基于蒙特卡罗方法（MCNP）的非结构网格功能，将KRUSTY非结构网格的功率分布直接输入给有限元软件ABAQUS，利用ABAQUS进行KRUSTY的热力耦合，在统一的非结构网格下研究了KRUSTY热变形模拟、膨胀反应性反馈和密度反馈，重点研究了非均匀密度与均匀密度的差异。结果表明，热膨胀效应带来超过900pcm（pcm=10⁻⁵）的负反馈，特殊的燃料变形主要发生在上部和外边缘表面，总位移达到~0.9 cm，反应堆堆芯总温差足够小，只有23 K 左右，并且核热力耦合较核热耦合趋于使堆芯的温度分布更均匀，由于热管的冗余设计，反应堆的设计可以满足单点失效原则。相较于传统的组合实体（CSG）几何，本文基于非结构网格MCNP方法可以更真实地模拟金属燃料堆的热膨胀效应。

摇摆对低流量对流传热格架效应影响的数值研究

李楠, 丁冠群, 肖瑶, 李俊龙, 顾汉洋

2023, 44(6): 54-62. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0054

摘要(351) HTML (195) PDF(44)

摘要:
针对摇摆条件下低流量对流传热格架效应开展了数值研究。基于实验数据对摇摆模型进行了验证，确立了基于SST k-ω湍流模型的计算流体动力学（CFD）方法。结果表明：①对周向平均时均传热，摇摆会增强低流量工况格架下游传热。但在混合对流恶化恢复区和自然对流区，格架效应仍存在阻尼振荡衰减现象，且振荡幅度减小；②对局部时均传热，热点始终位于垂直摇摆轴方向，摇摆弱化该方向传热，且该方向格架导致的传热弱化现象被进一步增强；③对热点位置瞬时传热，计算工况中瞬时传热系数的最大弱化程度较充分发展稳态可达40%，安全分析中需重点关注。

NHR200-Ⅱ低温堆非能动余热排出系统多支路自然循环特性分析

耿一娲, 柳雄斌, 李笑天, 张亚军

2023, 44(6): 63-70. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0063

摘要(1266) HTML (153) PDF(73)

摘要:
多支路自然循环系统会出现流量分配不均的现象，为进一步分析系统流动特性，依托低温堆非能动余热排出系统（PRHR）试验台架，建立了多支路并行流道自然循环回路的简化数学模型，利用压降-流量特性图分析了支路倒流现象的机理，并讨论了多种因素对倒流支路数目的影响。分析结果表明：倒流现象降低了PRHR载热功率；增大主换热器（PHE）与空气冷却器（RHE）间的提升高差可以抑制PHE支路倒流现象；存在一临界提升高差，当提升高差小于临界提升高差时，改变PHE或RHE支路的阻力不会改变倒流PHE支路数量，当提升高差大于临界提升高差时，增加PHE支路阻力或减小RHE支路阻力均可以减少倒流支路数量直至完全抑制倒流。

5×5花瓣形燃料棒组件内过冷沸腾流动与换热特性数值研究

蔡伟华, 黄泽全, 张文超, 韦徵圣, 崔军, 金光远

2023, 44(6): 71-79. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0071

摘要(276) HTML (129) PDF(41)

摘要:
使用欧拉两流体模型和伦斯勒理工学院（RPI）壁面沸腾模型并考虑燃料棒组件内流固耦合传热，探究了5×5花瓣形燃料棒组件在均匀体积热源条件下的过冷沸腾流动与换热特性，分析了不同子通道内的速度场、温度场、空泡份额分布以及换热系数分布规律等。研究发现，棒束通道内二次流强度沿轴向呈周期性波动变化；过冷沸腾工况下花瓣形燃料组件内空泡份额峰值出现在靠近出口处，汽泡主要在燃料棒内凹弧处产生，呈逆时针偏心分布，且角子通道的汽相体积份额明显大于中心子通道；在本文模拟工况下，芯块最高温度达到657.9 K，沿轴向燃料棒芯块高温区面积逐渐增大，且角子通道的冷却剂温度高于边子通道，中心子通道冷却剂平均温度最低，各子通道的换热系数沿轴向呈周期性波动。

基于不稳定波理论的钠雾化粒径预测研究

徐震, 胡培政, 佟立丽, 曹学武

2023, 44(6): 80-85. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0080

摘要(293) HTML (149) PDF(24)

摘要:
钠雾化粒径是影响钠雾火燃烧强度的关键因素。由于钠的化学性质不稳定，通常采用水模拟钠开展雾化实验，以得到两者粒径关系。本文基于不稳定波理论，建立了由液体物性参数和雾化压差表征的液体雾化粒径相似性模型，并从压差和物性参数2个角度利用多种液体的不同雾化实验验证模型的适用性。搭建了采用喷嘴模拟破口的水雾化实验装置，得到压差范围在0.1~0.5 MPa范围的水雾化液滴平均粒径，预测了300~600℃的钠在不同压差下雾化液滴的平均粒径。通过本文建立的粒径相似性模型和水模拟钠雾化实验装置，可以实现不同压差下钠泄漏雾化粒径的预测，为钠雾火事故研究提供参考。

两流体双压力热工水力系统分析软件LOCUST 2.0架构设计

徐财红, 袁红胜, 柳焕楠, 琚忠云, 李昌莹, 王婷, 厉井钢

2023, 44(6): 86-94. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0086

摘要(1145) HTML (243) PDF(79)

摘要:
中国广核集团（CGN）研发了一款新的热工水力系统分析软件LOCUST 2.0，它采用两流体两场双压力七方程模型，从理论上保证了守恒方程的严格适定性。LOCUST 2.0的应用对象为华龙一号失水事故类的安全分析，目前已初步完成代码开发。本文简要描述了该软件的守恒方程、数值算法、软件功能、源代码架构设计；给出了6个典型案例的分析计算，结果表明该软件能够合理预测热工水力进程，性能良好。

铅铋冷却紧密栅内环形燃料棒外周向温度分布不均匀性研究

曾付林, 张小龙, 赵鹏程

2023, 44(6): 95-103. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0095

摘要(284) HTML (112) PDF(28)

摘要:
对于采用紧密排布结构的反应堆，分析燃料棒外包壳周向温度分布不均匀性对防止包壳热应力失效尤为重要。本文采取理论分析模型和数值拟合模型结合的方式，得出了在稳态工况下铅铋冷却紧密栅内环形燃料棒外周向温度分布的数值拟合式，并与计算流体动力学（CFD）数值模拟数据进行了对比。结果表明，本文得出的数值拟合式具有良好的准确性，可为采用环形燃料元件的铅铋反应堆的燃料包壳周向温度分析研究提供理论依据。

2×2棒束通道内流动沸腾空泡份额分布实验研究

刘浩, 张卢腾, 周文雄, 朱隆祥, 万灵峰, 张宏, 马在勇, 孙皖, 潘良明, 邓杰文

2023, 44(6): 104-110. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0104

摘要(313) HTML (124) PDF(39)

摘要:
电导探针方法是一种获取两相界面参数的重要手段。通过单探头电导探针测量并分析了2×2棒束通道内流动沸腾空泡份额的径向分布，结果表明，在当前实验工况下，从汽泡信号的波动特性来看，通道中心处的汽泡信号主体波动幅度较小，棒间隙处的汽泡信号主体波动幅度较大；空泡份额径向分布均呈现出中心峰的分布特性，中心峰呈现出下凹的现象，这是由于中心处的汽泡相对于壁面处的汽泡吸收的热量更小而发生冷凝。

脉动流条件下5×5环形燃料阻力与流量分配特性研究

李金阳, 马俊, 乔守旭, 郝思佳, 李旭鹏, 谭思超, 田瑞峰

2023, 44(6): 111-118. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0111

摘要(353) HTML (107) PDF(26)

摘要:
环形燃料棒束通道相较于传统实心棒束通道，具有增强冷却能力、提高功率密度等优点，其特殊几何形状使阻力特性与流量分配特性密切相关。在脉动流条件下，环形燃料内外流道流量呈周期性波动，影响冷却剂换热效率，威胁核反应堆安全。本文基于计算流体动力学（CFD）方法对5×5环形燃料棒束通道建立模型，在稳态与脉动流条件下开展模拟计算，模拟结果与粒子图像测速（PIV）实验测量速度场、摩擦阻力系数经验公式相比具有一致性。计算分析了内外流道摩擦阻力系数随雷诺数的变化规律，稳态条件下环形燃料的流量分配比（内流道流量比外流道流量）与压降比呈负相关；脉动流条件下，周期平均流量分配比与脉动频率呈负相关，与脉动振幅呈正相关。

自然循环特性曲线在降高度比例模化中的失真评价

程诚, 卢冬华, 苏前华, 张戈

2023, 44(6): 119-126. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0119

摘要(259) HTML (109) PDF(21)

摘要:
基于多级双向比例分析（H2TS）比例模化方法，设计建造了原型、1/2高度比与1/4高度比的模型实验装置，开展了不同加热功率下的自然循环实验，对自然循环特性曲线在降高度比例模化中的失真进行了分析，实验结果表明：自然循环流量、雷诺数、格拉晓夫数、修正格拉晓夫数等表征自然循环主要特征的参数在降高度比例模化后，能够保持自然循环流量-加热功率、雷诺数-格拉晓夫数及雷诺数-修正格拉晓夫数等特征关系曲线不严重失真，原型与模型间的拟合曲线能够形成一对一映射。自然循环特性曲线在降高度比例模化过程中能够较准确复现原型规律，自然循环降高度比例模化实验数据在模拟原型中自然循环特性曲线时的可靠性得到有效验证。

基于阻力分析的矩形通道内弹状流向搅混流转变特性研究

何清澈, 张卢腾, 潘良明, 许汪涛, 闫美月, 孙皖, 马在勇

2023, 44(6): 127-133. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0127

摘要(252) HTML (130) PDF(20)

摘要:
确定两相流流型是两相流动相间阻力和传热计算的先决条件，因此不同流型间的过渡准则对反应堆安全分析有十分重要的意义。本文选取了截面尺寸为4 mm×66 mm、6 mm×66 mm、8 mm×66 mm、10 mm×100 mm共4种规格矩形通道开展了空气-水垂直向上两相流动流型实验研究，采用阻抗式空泡仪和差压变送器对截面空泡份额和轴向压降进行测量。研究结果表明，在相同液相表观流速下，随空泡份额的增加，两相摩擦压降波动的振幅在弹状流向搅混流转变时达到最大；在空泡份额为0.6时，开始发生弹状流向搅混流转变。实验结果还显示，在流型转变点后相间阻力梯度随空泡份额而快速增加，在力学特性层面，可以采用相间阻力梯度作为弹状流向搅混流转变的判据。

主泵转矩在两相条件下特性试验研究

王阔, 苏前华, 卢冬华, 彭帆, 邢军, 洪荣坤

2023, 44(6): 134-139. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0134

摘要(1344) HTML (75) PDF(33)

摘要:
为掌握主泵的两相转矩特性，本研究搭建专设台架，以经过模化缩比设计的试验泵为对象，开展试验研究。首先对泵多转速单相液条件下的正常工况、反水泵工况、正反耗能工况、正反水轮机工况等的流动特性开展试验，之后选取单相气和0.1~0.9空泡份额（空泡份额跨度为0.1）两相条件下的主泵针对上述工况逐一开展研究。利用比例定律对多转速下的实验数据进行整理，掌握了其转矩在不同空泡份额、不同流量、不同工况下的变化规律，在此数据基础上可同时处理得到适用于一回路安全分析软件的泵同源曲线。研究结果表明，随着空泡份额的增加，相同工况下的转矩不断减小，比例定律曲线逐渐向零点漂移，而同源曲线会存在先降级再回归的过程，当空泡份额达到0.7左右时，降级程度达到最大。

Al元素对20Cr25NiNb耐热钢热老化行为的影响研究

舒茗, 周钦, 李刚, 刘肖, 孙永铎, 赵可, 肖军

2023, 44(6): 140-147. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0140

摘要(378) HTML (258) PDF(57)

摘要:
为深入研究超临界气冷堆包壳材料的高温热老化行为以及Al元素对力学性能退化的影响，本文对添加Al元素和不含Al元素的2种20Cr25NiNb奥氏体耐热钢进行了750℃热老化试验，并开展了相应的微观组织分析和力学性能测试。研究发现，固溶态合金基体为奥氏体相，并含有少量微米级NbC。热老化后合金基体中析出了Laves相和σ相，而含Al钢中还观察到了NiAl相的析出。Al元素对20Cr25NiNb的热老化行为产生了双重影响，一方面，Al元素具有固溶强化效果，同时使得热老化后析出的Laves相尺寸更小、数密度更高，从而提升了高温拉伸强度；另一方面，蠕变裂纹主要沿晶界萌生并扩展，热老化后含Al合金中σ相体积分数更高，粗化更严重，严重降低了蠕变断裂寿命。不含Al合金晶界处析出的细小Laves相能有效阻止σ相生长，提升材料的蠕变性能。因此，本研究为超临界气冷堆包壳材料的成分优化提供了有力的支持。

超临界水冷堆用候选奥氏体耐热不锈钢热时效组织研究

李俊, 李绍宏, 熊茹, 杨红梅, 李萌蘖

2023, 44(6): 148-154. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0148

摘要(319) HTML (101) PDF(34)

摘要:
为了研究热时效过程中超临界水冷堆（SCWR）用候选包壳材料含铝奥氏体耐热钢（AFA）热时效组织和冲击性能的变化，对铝含量为2.5%的AFA钢在650℃进行了500~3000 h热时效处理。利用场发射扫描电镜对析出相及冲击断口进行观察，利用透射电镜对热时效试验钢中析出相的类型和结构进行研究。结果表明：试验钢的冲击韧性随时效时间延长而逐渐降低，试验钢断裂由韧窝断裂逐渐向韧窝断裂和解理断裂的混合断裂方式过渡。热时效过程中Laves相在晶界上析出以及γ'-Ni₃Al相大量析出并粗化是AFA钢冲击韧性随时效时间延长而降低的主要原因。

残余气孔对TRISO颗粒高温堆内热-力学行为影响研究

赵艳丽, 刘仕超, 李垣明, 唐昌兵, 路怀玉

2023, 44(6): 155-161. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0155

摘要(211) HTML (83) PDF(21)

摘要:
为了明确SiC层中可能出现残余气孔对三向同性燃料（TRISO）颗粒堆内性能影响，确定残余气孔的临界尺寸，本文采用多物理场耦合COMSOL软件对含有残余气孔的TRISO颗粒的堆内行为进行数值模拟，以分析TRISO颗粒裂变气体、CO释放量及内压和残余气孔尺寸对TRISO颗粒包覆层应力分布的影响。分析结果表明，在辐照后期，TRISO颗粒的CO释放比例远高于裂变气体原子，颗粒内压可达49.5 MPa。残余气孔的存在使得碳化硅（SiC）层、内致密热解碳（IPyC）层和外致密热解碳（OPyC）层应力迅速增大，尤其是SiC层，当残余气孔尺寸达到9 μm时，SiC层最大应力达600 MPa，远高于其本征强度；当残余气孔尺寸为5 μm时，SiC层的最大应力约为450 MPa，与其本征强度相当。因此，在制备过程中为保证SiC层的结构完整性， SiC层的残余气孔尺寸应小于5 μm。

基于GA-BP神经网络对控制棒水力缓冲器的性能预测和结构参数优化

张相文, 范晨光, 何安, 武闯, 杨宇静

2023, 44(6): 162-169. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0162

摘要(354) HTML (149) PDF(37)

摘要:
为通过遗传算法（GA）改进的反向传播（BP）神经网络模型预测控制棒组件水力缓冲器的缓冲性能，并实现结构参数优化，本研究对一种特定的控制棒组件水力缓冲器静水中的落棒进行模拟试验，变换试验可调参数，设置不同的试验工况，获取了大量的试验数据，通过GA-BP神经网络对控制棒组件落棒过程的最大冲击力进行预测，并构建优化数学模型，使用非线性规划函数（fmincon）进行求解，获得更优的结构参数组合。结果表明：GA-BP神经网络模型相较于BP神经网络模型具有更高的预测精度，通过fmincon函数可以实现对控制棒组件最大冲击力优化数学模型的快速求解。因此，本文的优化方法可为水力缓冲器的结构优化设计提供一定的参考。

极限安全地震作用下不同预应力工况对核安全壳地震反应的影响

王薪旭, 李小军, 唐晖

2023, 44(6): 170-178. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0170

摘要(289) HTML (141) PDF(24)

摘要:
为了研究极限安全地震作用下混凝土预应力对核安全壳结构地震反应的影响，本文设定仅考虑预应力的瞬时损失、考虑预应力的长期损失和孔道灌浆后预应力均布等3种预应力工况和无预应力工况，并建立核安全壳结构精细有限元模型，进行核安全壳结构地震反应的非线性时程分析。计算结果显示，极限安全地震作用下无预应力工况下安全壳结构在抗震薄弱位置产生大量贯穿截面厚度的裂缝，基本上进入了功能失效状态；而3种有预应力工况下安全壳结构整体处于弹性状态，但是在安全壳主要开洞区域产生了开裂，并且在预应力均布工况下核安全壳在筒身底部产生了一定数量的受拉裂缝。研究表明采用预应力混凝土结构能显著提高核安全壳结构的抗震能力，但设计中需要关注孔道灌浆后可能产生的预应力均布对核安全壳结构抗震安全性能的不利影响。研究结果可为核安全壳结构设计合理利用预应力混凝土的抗震优势提供指导。

核电厂主子系统抗震解耦准则研究

黄毅, 栾霖, 高付海, 齐敏, 柯国土, 李晓轩

2023, 44(6): 179-185. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0179

摘要(342) HTML (204) PDF(27)

摘要:
为拓展核电厂中主子系统抗震解耦范围，本文研究了核电规范中抗震解耦准则的要求、制定依据、适用范围和局限性，据此提出了一种修正刚度抗震解耦模型；采用两质点弹簧振子模型推导了主子系统耦联频率，基于误差分析绘制了各解耦模型解耦图；对各解耦模型进行适用性分析，并将解耦图准则与条款抗震解耦准则进行对比分析。结果表明：当主子系统频率比λ_fi<1且质量比λ_m<0.166时，本文提出的修正刚度抗震解耦模型可较好地模拟耦联效应引起的主子系统频率偏移，较规范中的解耦模型具有更小的频率误差；采用规范提供的解耦模型进行抗震设计时，条款抗震解耦准则基本可以保证解耦后主子系统的频率误差均小于10%。本文提出的修正刚度抗震解耦模型拓展了解耦图准则的适用范围，研究工作可为核电厂主子系统抗震解耦判断和解耦模型的选择提供参考。

基于RISMC分析方法的全厂断电叠加汽动辅助给水失效事故研究

王照, 李琼哲, 郭建兵

2023, 44(6): 186-192. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0186

摘要(244) HTML (117) PDF(21)

摘要:
为研究某在运CPR1000核电机组在全厂断电（SBO）叠加汽动辅助给水失效事故下的安全性能，采用风险指引的安全裕度特性（RISMC）分析方法，结合事故情景分析、系统可靠性分析、人因工程分析、热工水力学分析，使用CARS软件耦合RELAP5程序对机组在事故情况下的安全裕度进行了量化。研究得到了核电机组在事故情景下的安全性能和机组运行的安全边界。研究结果表明，RISMC分析方法可以有效分析机组的安全特性，为核电厂的运维和决策提供支持。

小型一体化铅铋冷却反应堆仿真模型研究

孙原理, 宋志浩, 吕襄波

2023, 44(6): 193-198. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0193

摘要(405) HTML (109) PDF(52)

摘要:
铅铋冷却反应堆在安全性、设计简化、防扩散和经济性方面具有巨大的潜力。本文以一体化小型铅铋冷却反应堆为研究对象，建立了基于四方程漂移流模型的螺旋管直流蒸汽发生器二次侧模型、一回路主冷却系统模型、本构模型和比例-积分-微分（PID）控制模型，开展了铅铋冷却反应堆运行控制特性研究。结果表明，稳态计算结果与设计值符合较好，模型能够准确模拟铅铋冷却反应堆的运行特性；快速变负荷运行工况下系统参数超调较小，能够实现反应堆功率跟随蒸汽流量的快速变化；传热管堵塞对反应堆运行有较大的影响，每堵塞1根传热管，蒸汽流量降低约6.7%。

大型钠冷快堆负荷跟踪运行能力分析

戴饶棋, 段天英, 刘勇, 张厚明, 张玮瑛, 徐伟栋

2023, 44(6): 199-205. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0199

摘要(207) HTML (116) PDF(33)

摘要:
为了研究国内某大型钠冷快堆的负荷跟踪运行能力，基于MATLAB/Simulink平台，建立了该钠冷快堆全系统仿真模型，在负荷阶跃且无控制系统介入的极端情况下，分层次考验快堆一、二、三回路系统的负荷跟踪能力。仿真结果表明，该快堆系统的一、二回路能够承受±10%的负荷阶跃，而三回路的负荷跟踪能力不能满足这一指标。在目前工艺设计和关键参数限值条件下，该大型钠冷快堆的负荷跟踪运行能力较差，无法承受±10%的负荷阶跃，在90%额定功率（P_n）功率水平运行时，最多能承受2.9%的负荷阶跃上升，且其采用的直管式直流蒸汽发生器（OTSG）是主要限制因素。

水下燃料组件转运系统负载振荡分析与抑制

袁占航

2023, 44(6): 206-212. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0206

摘要(209) HTML (117) PDF(11)

摘要:
核电厂水下燃料组件转运系统运行的平稳性对确保其装载的燃料组件安全至关重要。由于钢丝绳的柔性，系统中的电机驱动钢丝绳传动的水下运行负载小车在运行过程中的振荡问题难以避免。考虑钢丝绳的弹性，建立了水下运行负载小车的完整动力学模型，将负载小车速度分解并适当简化后，完整动力学模型化为简化模型并依此进行分析及控制系统的校正。依据简化模型设计了抑制负载小车振荡的串联陷波滤波器，将设计的陷波滤波器应用于完整动力学模型进行仿真计算，仿真结果显示负载小车的振荡得到有效抑制，也验证了简化模型的有效性。本文分析方法在低速运行时可以有效抑制负载小车振荡，简单有效且易于工程实现。

海上小型堆实物保护设计优化分析

刘建, 张继伟, 李恒, 张龙强, 陈华平

2023, 44(6): 213-219. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0213

摘要(271) HTML (87) PDF(26)

摘要:
较高的经济性是小型模块化反应堆（简称小型堆）的重要特征之一，按照当前核电站实物保护体系建设小型堆实物保护系统将对其经济性产生不利影响。本文以海上小型堆为分析对象，探索降低实物保护系统费用的优化方案，并对方案进行两轮优化及计算论证。通过分析，海上小型堆虽然取消了高成本的海面实体屏障及驻场武装响应力量，但通过增加舱室通道的延迟时间仍可保证系统的有效性。小型堆实物保护设计中，应根据堆型特点进行优化，在保证系统有效性的同时优先选择经济性更好的实物保护方案。

核电厂乏燃料水池移动式应急冷却系统研究

王之肖, 胡剑, 彭跃, 谢恩飞, 万前

2023, 44(6): 220-225. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0220

摘要(452) HTML (168) PDF(37)

摘要:
为应对类似于福岛核电厂4号机组事故后乏燃料水池安全排热问题，通过分析该类事故下现场无电源可用、冷链丧失、应急时间紧急等特点，研究出一套可用于核电厂乏燃料水池的移动式应急冷却系统。该系统将主要设备集中布置在同一移动平台上，形成一个集成的移动式应急冷却装置，该装置自带动力源，冷却设备直接向大气环境排热，具备动力自给和独立热阱功能；该装置采用冷却功能模块化设计，装置内各设备已固定连接，事故后通过软管与预先铺设的乏燃料水池引水、回水管线连接即可，可在事故后快速投运，稳定导出乏燃料水池中的衰变热；此外，通过对移动式应急冷却装置外形尺寸标准化设计，满足厂内及厂外普通公路通行相关国家标准，可在本厂内不同机组间实行机动应急，也可以对其他厂址机组进行应急驰援。

核电厂应急柴油发电机先导电磁阀改进研究

符江, 张兰岐, 陶国良, 向方成, 刘胜智, 初向南, 王小军, 殷玉龙

2023, 44(6): 226-230. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0226

摘要(379) HTML (147) PDF(30)

摘要:
核电厂内应急柴油发电机的压缩空气启动系统采用的先导电磁阀频繁故障，主要表现为无法正常开关和卡涩漏气，此故障将影响柴油发电机的压缩空气启动系统的可靠性和可用性，直接导致柴油发电机不可启动。针对该问题，通过功能测试和拆解发现了先导电磁阀结构设计上的缺陷，明确了故障发生的根本原因为先导电磁阀复位结构不合理。改进措施主要包括主阀体结构改进、阀芯装配干涉结构改进、主阀芯导向结构改进、主阀芯复位弹簧改进以及先导电磁阀中的动铁芯压接喷嘴通径及线圈功率改进。改进后的先导电磁阀顺利完成了全部鉴定试验测试。测试结果表明，改进后的先导电磁阀解决了无法正常开关及卡涩漏气的故障，提升了应急柴油发电机空气启动回路的可靠性。

一种适用范围更广的核主泵惰转计算方法

钟云, 周文霞

2023, 44(6): 231-236. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0231

摘要(327) HTML (171) PDF(33)

摘要:
采用成熟的RELAP数值计算模型研究了基于相似理论的惰转转速和惰转流量理论公式的适用范围，进而首次提出了一种适用范围更广的核主泵惰转计算方法。基于相似理论的惰转转速理论公式基本适用于初始动能比（ε）< 3时的工况；惰转流量理论公式适用于ε < 0.3时的工况。在 ε≥0.3时，惰转过程流量、转矩、扬程和ε特性偏离相似工况，导致惰转转速和惰转流量理论公式的假设前提不成立，故理论公式计算结果产生较大偏差。一般压水堆核电厂反应堆冷却剂回路、主泵试验台架的ε < 0.3，惰转转速和惰转流量理论公式均适用，计算误差总体上不超过10%，且惰转转速计算误差小于惰转流量计算误差。本文提出了用于 ε≥0.3情况的惰转流量理论公式修正公式，拓展了惰转理论公式的应用范围，可用于新型反应堆的研发。

燃料棒氧化膜厚度测量系统关键技术研究

肖湘, 高三杰, 高光勇, 文俊浩, 蒋维宇

2023, 44(6): 237-241. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0237

摘要(1116) HTML (179) PDF(54)

摘要:
核反应堆燃料组件长期服役过程中，锆合金与高温水作用会产生氧化形成一层氧化膜，由于膜层较薄，测量精度需要达到±5 μm，测量精度的高要求为氧化膜厚度测量系统的研发带来难度。为此，本文在涡流提离效应的基础上研制了一套燃料棒氧化膜厚度测量系统，讨论了测量系统中的关键技术，同时对涡流提离效应的电磁场进行仿真。测试结果表明，该测量系统测量精度高、稳定可靠，可实现在役燃料棒氧化膜的厚度测量。

匹配高温氟盐堆的SCO₂系统冷端变工况运行特性研究

赵全斌, 赵凯, 种道彤, 刘秀婷, 张大林, 卓文斌

2023, 44(6): 242-248. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0242

摘要(830) HTML (116) PDF(17)

摘要:
高温氟盐堆与超临界二氧化碳（SCO₂）布雷顿循环耦合的小型发电系统具有高效、紧凑和高固有安全性而被认为在小型核动力/核发电领域具有良好发展前景。本文针对高温氟盐堆与SCO₂布雷顿循环的耦合系统开展了系统优化设计与变工况运行特性研究。基于高温氟盐堆热端特征和冷端环境条件设计和对比了多种循环构型下的系统性能，发现对于2种反应堆循环回路系统，采用再压缩循环在循环热效率和紧凑性综合方面具有优势，在此基础上研究了冷端系统SCO₂布雷顿循环系统变工况运行特性，发现当主压缩入口温度改变时，采用定压比运行模式不仅循环效率高，且对冷端环境温度变化适应性范围也大。因此当环境温度变化时，布雷顿循环推荐采用定压比运行模式。

压水堆核电站一回路氟离子异常升高问题分析

张华政, 阙良生, 张嘉康

2023, 44(6): 249-253. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0249

摘要(223) HTML (73) PDF(22)

摘要:
针对某压水堆核电站大修后反应堆冷却剂系统（RCS）氟离子异常升高的问题，本文通过化学分析干扰因素排查、取样代表性验证排查、RCS补水水质排查、工艺系统添加物排查、燃料包壳引入杂质排查、化学辅材使用情况排查以及各相关系统水质排查，经排查之后得出原因是：建筑安装期间用于换料水池和乏燃料池不锈钢表面酸洗钝化的酸洗钝化膏未被清洗彻底而残留于不锈钢表面，经辐照分解后产生的氟离子对一回路水质造成污染，并造成净化离子床氟离子饱和，失去净化能力，换水过程中持续向一回路释放氟离子。

压水堆核电厂一回路水化学条件下304L不锈钢表面钝化研究

程伟, 金成毅, 汲大朋, 王磊, 刘航, 汪浩川, 李华儒

2023, 44(6): 254-259. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0254

摘要(335) HTML (203) PDF(28)

摘要:
通过实验模拟304L不锈钢（304L SS）在压水堆核电厂一回路B+Li水化学环境下的钝化反应过程，研究了时间和温度变化对于钝化反应过程的影响。结果表明，304L SS表面钝化生成的氧化膜呈双层膜结构，并且在300 h范围内，氧化膜处于一个不断生长的状态，膜厚度、抗腐蚀能力与钝化时间呈正相关关系。提高钝化温度可以让304L SS表面的氧化膜生长得更加均匀，从而提升表面氧化膜的整体抗腐蚀能力。基于实验结果，本文分析提出了一种氧化膜综合生长模型，并对相关结论应用于热态功能试验首次钝化试验的工程前景进行了讨论。

长循环铅冷快堆堆芯装载方法研究

夏榜样, 徐灿, 秦天骄, 李晴

2023, 44(6): 260-265. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0260

摘要(2367) HTML (199) PDF(96)

摘要:
铅冷快堆具有系统简单、自然安全的特点，是最具发展潜力与现实性的四代核电堆型之一。由于铅冷却剂具有密度大、运行温度高、不透明等特性，导致铅冷快堆倒换料技术难度大、过程复杂且耗时，影响核电厂的经济性和安全性，因而增加循环长度、减少倒换料次数，成为大型商用铅冷快堆设计研究的重要内容。本文从工程需求出发分析了核燃料类型、燃料元件及组件形式、反射层材料、控制棒布置方式、易裂变核素再生区设置方法等因素对铅冷快堆循环长度的影响规律，建立铅冷快堆长循环堆芯装载方法，为大型商用铅冷快堆堆芯物理设计优化提供参考。

基于蒙特卡罗程序的热管微堆少群截面制作方法研究

肖鹏, 罗琦, 夏榜样, 姚栋, 周亚婧, 方超, 秦天骄

2023, 44(6): 266-274. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0266

摘要(328) HTML (124) PDF(33)

摘要:
为了提高热管微堆物理计算效率，基于栅元均匀化-堆芯输运计算两步法，从各向异性散射、燃料均匀化模型、泄漏修正、能群结构等方面，开展了基于蒙特卡罗程序的热管微堆输运计算所需少群截面制作方法研究。数值结果表明：采用输运修正、泄漏修正等方法，并且外围燃料采用专门的“燃料-反射层”均匀化模型，两步法计算得到的有效增殖因子（k_eff）偏差小于100pcm（1pcm=10⁻⁵），功率分布偏差小于3%，控制鼓总价值偏差小于5%，且堆芯输运计算代价比蒙特卡罗一步法全堆计算小2个量级。因此，本文研究的栅元均匀化-堆芯输运两步法满足工程设计的精度要求，同时大幅提高了热管微堆物理计算效率。

留言板

2023年第44卷第6期

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