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基于OTTO模式下HTR-PM的950℃冷却剂出口温度初步研究

刘嵩阳 王朗 李雪琳 郭若楠 刘伟 罗勇 周勤

刘嵩阳, 王朗, 李雪琳, 郭若楠, 刘伟, 罗勇, 周勤. 基于OTTO模式下HTR-PM的950℃冷却剂出口温度初步研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(S1): 41-51. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0041
引用本文: 刘嵩阳, 王朗, 李雪琳, 郭若楠, 刘伟, 罗勇, 周勤. 基于OTTO模式下HTR-PM的950℃冷却剂出口温度初步研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(S1): 41-51. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0041
Liu Songyang, Wang Lang, Li Xuelin, Guo Ruonan, Liu wei, Luo Yong, Zhou Qin. Preliminary Study on 950℃ Coolant Outlet Temperature in HTR-PM under the OTTO Scheme[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(S1): 41-51. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0041
Citation: Liu Songyang, Wang Lang, Li Xuelin, Guo Ruonan, Liu wei, Luo Yong, Zhou Qin. Preliminary Study on 950℃ Coolant Outlet Temperature in HTR-PM under the OTTO Scheme[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(S1): 41-51. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0041

基于OTTO模式下HTR-PM的950℃冷却剂出口温度初步研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0041
基金项目: 华能集团总部科技资助项目(HNKJ22-H07 HN-750)
详细信息
    作者简介:

    刘嵩阳(1995—),男,硕士研究生,现主要从事高温堆反应堆物理方面研究,E-mail: sy_liu@hntc.chng.com.cn

    通讯作者:

    李雪琳,E-mail: xl_li@hntc.chng.com.cn

  • 中图分类号: TL424

Preliminary Study on 950℃ Coolant Outlet Temperature in HTR-PM under the OTTO Scheme

  • 摘要: 模块化高温气冷堆(HTR-PM)采用氦气作为冷却剂,入口温度为250℃,出口温度为750℃,本文基于现有HTR-PM公开设计参数,采用单批次通过堆芯(OTTO)换料模式,冷却剂出口温度设定为950℃,通过VSOP-THERMIX程序分析HTR-PM在平衡堆芯阶段下的各重要参数分布。核热耦合计算结果显示稳态工况下堆芯最高燃料温度为1157℃,低于1200℃安全限值,满足稳态运行工况下燃料元件对放射性裂变产物包容的温度限值。为进一步研究950℃出口温度设计在事故工况下的安全性,本文选取失冷失压(DLOFC)事故分析其最大燃料温度变化情况。结果显示事故发生后14.4 h,最高燃料温度达到最大值1931.7℃,超过1620℃事故温度限值,但低于石墨和碳化硅熔点,堆芯不会发生熔毁事故。该时间节点后,燃料最高温度逐步降低。同时结果显示,DLOFC下最大热点从堆芯底部逐渐上移至堆芯上部。为分析燃料元件富集度对事故温度的影响,本文采用相同换料方案和运行工况,选取8.0%~9.5%共4组富集度装载方案进行对比,结果显示OTTO换料模式下平衡堆芯稳态功率峰随着燃料元件富集度增加而上移,同时在DLOFC事故下,最大燃料温度分别为1949.2、1931.7、1916.2、1900.8℃,依次降低。

     

  • 图  1  燃料元件中TRISO分布示意图与TRISO颗粒结构图

    Figure  1.  TRISO Particle Distribution in Fuel Element & TRISO Particle Structure

    图  2  VSOP中子学模型

    Figure  2.  Neutronics Model in VSOP

    图  3  主要参数随换料计算的变化趋势

    Figure  3.  Trend of changes in Key Parameters with Refueling Calculations

    图  4  不同高度下堆芯径向中子注量率分布

    Figure  4.  Radial Neutron Flux Distribution at Different Axial Heights in the Core

    图  5  堆芯各群中子注量率分布

    Figure  5.  Neutron Flux Distribution by Energy Group in the Core

    图  6  反应堆热群中子分布

    Figure  6.  Thermal Neutron Distribution in the Reactor

    图  7  堆芯功率密度分布和固体温度分布

    Figure  7.  Power Density Distribution in the Core & Solid Temperature Distribution in the Reactor

    图  8  不同半径/高度下堆芯固体温度纵向/径向分布

    Figure  8.  Axial/Radial Solid Temperature Distribution in the Core at Different Radius/Heights

    图  9  冷却剂温度分布

    Figure  9.  Coolant Temperature Distribution

    图  10  DLOFC事故下各材料温度变化情况

    Figure  10.  Temperature Variation of Different Materials under DLOFC Accident

    图  11  DLOFC下堆芯固体温度变化趋势

    Figure  11.  Solid Temperature Variation in the Reactor under DLOFC Accident

    图  12  DLOFC事故工况下堆芯固体温度分布变化趋势

    Figure  12.  Solid Temperature Distribution Variation in the Core under DLOFC Accident

    图  13  平衡堆芯稳态径向中子注量率分布(H=55 cm)

    Figure  13.  Steady-State Radial Neutron Flux Distribution in Equilibrium Core (H=55 cm)

    图  14  平衡堆芯稳态功率密度纵向分布(R=0 cm)

    Figure  14.  Steady-State Axial Power Density Distribution in Equilibrium Core (R=0 cm)

    图  15  平衡堆芯稳态固体温度纵向分布(R=0 cm)

    Figure  15.  Steady-State Axial Temperature Distribution of Solid Materials in Equilibrium Core (R=0 cm)

    图  16  不同富集度燃料在DLOFC事故下最高温度值的变化情况

    Figure  16.  Variation of Maximum Temperature with Different Fuel Enrichments under DLOFC Accident

    表  1  燃料元件和石墨元件物理参数[2]

    Table  1.   Physical Parameters of Fuel Elements and Graphite Elements

    参数 数值 参数 数值
    燃料元件 燃料元件铀装料/g 7.0 TRISO颗粒 核心半径/μm 250
    235U富集度/% 4.2/8.5 疏松碳解层厚度/μm 95
    直径/cm 6.0 密致内碳解层厚度/μm 40
    燃料区直径/cm 5.0 SiC包覆层厚度/μm 35
    石墨密度(基体和外壳区间)/(g·cm−3) 1.74 密致外碳解层厚度/μm 40
    铀杂质等效硼浓度/ppm 4.0 UO2密度/(g·cm−3) 10.4
    石墨杂质等效硼浓度/ppm 0.795 疏松碳解层密度/(g·cm−3) 1.05
    石墨元件 直径/cm 6.0 密致内碳解层密度/(g·cm−3) 1.9
    石墨密度/(g·cm−3) 1.74 SiC包覆层密度/(g·cm−3) 3.18
    等效硼浓度/10−6 1.0
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    表  2  区间材料组成成分[2]

    Table  2.   Material Composition by Model Zones

    编号(ID)材料成分/(barn−1·cm−1)
    12C硼(天然)
    18.92947×10–24.41429×10–8
    30.91×ID1
    50.84×ID1
    60.6286×ID1
    190.719×ID1
    380.99×ID1
    460.6679×ID1
    490.7135×ID1
    520.5079×ID1
    540.8315×ID1
    550.8741×ID1
    580.9317×ID1
    95.62021×10–23.69779×10–6
    102.30380×10–23.68139×10–6
    517.49075×10–21.26898×10–4
    568.14783×10–21.22899×10–4
    618.39217×10–23.79675×10–3
    628.53015×10–23.79190×10–5
      注:①N×ID1表示该编号(ID)的填充材料是体积占比为N的ID1材料;1 barn=10−28 m2
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    表  3  中子能群划分方案

    Table  3.   Energy Group Boundary of Neutron

    中子能群能量边界/eV
    第1群1×105~2×108
    第2群130~1×105
    第3群1.86~130
    第4群0~1.86
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    表  4  OTTO方案下HTR-PM平衡堆芯稳态工况重要参数

    Table  4.   Key Parameters of HTR-PM Equilibrium Core under Steady State and OTTO Scheme

    参数 数值 参数 数值
    换料步首keff 1.01496 换料步尾keff 0.99917
    每天投入新燃料元件个数 382 最大单球功率/kW 2.43
    最大功率密度/(W·cm−3) 13.11 最高燃料温度/℃ 1157
    卸料燃耗/[MW·d·t−1(U)] 69801 冷却剂出口温度/℃ 947
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    表  5  不同富集度下稳态与DLOFC事故的燃料最高温度等参数变化情况

    Table  5.   The Changes of Parameters with Different Fuel Enrichments Under Steady States and DLOFC Accident Conditions

    富集度/% 最大功率密度/(W·cm−3) 最大单球功率/kW 最大燃料温度/℃ DLOFC事故下燃料温度/℃
    最大值 平均值
    8.0 12.77 2.37 1154 1949.2(14.4 h) 959.5 (2.4 h)
    8.5 13.11 2.43 1157 1931.7(14.4 h) 956.9 (2.4 h)
    9.0 13.44 2.49 1159 1916.2(14.4 h) 954.9 (2.4 h)
    9.5 14.19 2.63 1158 1900.8(14.4 h) 952.9 (2.4 h)
      注:①括号内数据为事故发生后时间。
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-03-01
  • 修回日期:  2025-05-13
  • 刊出日期:  2025-07-09

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