熔鹽反應堆堆芯動態特性的計算分析

曾文杰　謝金森　李志峰

摘 要：基于點堆動力學和熱平衡原理建立熔鹽堆堆芯仿真模型，模擬了熔鹽實驗堆MSRE入口溫度恒定工況下，引入50 pcm階躍反應性后的功率瞬態及溫度瞬態。計算結果表明，在小的正反應性引入情況下，堆芯功率一開始將快速增長，但由于負的溫度反應性反饋，堆芯功率很快又會下降，并最終維持在比原先功率略高的新功率水平；熔鹽溫度的變化趨勢與堆芯功率類似；由于石墨的溫度主要來自熔鹽向石墨的傳熱，因此在反應性引入后，石墨的溫度一直上升并逐漸穩定在新的溫度水平。本文計算結果與ORNL的結果在趨勢上吻合較好，驗證了物理模型和數值方法的正確性，為開展熔鹽堆系統瞬態特性研究奠定了基礎。

關鍵詞：熔鹽堆 點堆 反應性事故 安全分析

中圖分類號：TL329 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0107-02

熔鹽堆（MSR）最早由美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）提出，采用流動的熔鹽作為燃料，具有良好的中子學性能、固有安全性、可在線后處理、放射性廢物少、可持續發展、防核擴散等優點[1]。20世紀40年代后期，ORNL開始研發熔鹽堆，1965年，ORNL建造的MSRE達到臨界，并成功運行了10000多個小時論證了熔鹽堆的可行性[2]。1970年至1976年期間，ORNL提出并完成了采用232Th-233U燃料循環的MSBR概念設計[3]。Antonio C等采用雙群理論建立了包含燃料流動方程組的一回路動態仿真模型，對MSBR（Molten Salt Breeder Reactor，MSBR）引入階躍反應性、泵失效等瞬態進行了仿真分析，研究結果表明系統引入的階躍反應性超出總的緩發中子份額，系統將出現瞬發臨界[4]；在文獻[5]中，Antonio C等對比了零維、一維、二維三種維度下MSRE一回路系統在引入50 cpm階躍反應性下，堆芯熔鹽及石墨的平均溫度隨時間的響應情況，三種結果與ORNL公布的結果[6]相一致；Matthias V等基于點堆動力學對MSBR的反應性控制進行了初步分析，研究表明在任何穩態工況下，堆芯平均溫度與燃料質量流量具有一定的關系[7]；程懋松等基于點堆動力學模型對MSBR一回路系統進行了安全分析研究[8]。

本研究選取MSRE為對象，基于點堆動力學與熱平衡原理建立堆芯仿真模型，模擬無緊急停堆情況下，MSRE階躍反應性事故與線性引入反應性事故下各個相關參數的響應，分析系統的安全性能，為進一步分析改進熔鹽堆提供參考。

1 物理模型

1.1 MSRE一回路系統

將MSRE一回路系統簡化成圖1所示。假設堆芯由一個石墨塊和兩個熔鹽塊組成。采用點堆動力學方程組建立中子密度求解模型[6]；根據質量守恒原理和能量守恒原理建立一回路系統熱工模型[6，8]。模型暫不考慮一回路與二回路之間的能量交換，并假定堆芯入口溫度始終不變。

1.2 熔鹽堆點堆動力學模型

依據堆芯中子守恒原理，可得堆芯中子平衡方程如下[6]：

在熔鹽堆一回路系統中，緩發中子先驅核隨燃料流出堆芯，在回路中發生衰變，然后重新回到堆芯。因此，熔鹽堆內緩發中子先驅核平衡方程[6]：

式（1）和（2）中，為中子密度；為反應性；為時間；為中子代時間；為第組緩發中子份額；為總的緩發中子份額；為第組緩發中子先驅核濃度；為第組緩發中子先驅核的衰變常數；為燃料流經堆芯內時間；為燃料流經堆芯外部的時間。

考慮到堆芯燃料熔鹽和石墨溫度變化引起的溫度反應性反饋，建立溫度的反應性反饋[6]：

1.3 熔鹽堆堆芯熱工模型

基于堆芯熔鹽和石墨的能量守恒，假設堆芯熔鹽和石墨的物性參數為常數，系統的流動為不可壓縮流動，建立堆芯熱量傳遞模型[6，8]：

2 反應性引入下的動態特性分析

利用該模型模擬MSRE在堆芯入口溫度恒定，初始時刻為滿功率運行情況下，引入50 pcm階躍反應性后的功率瞬態及溫度瞬態。

如圖2、3、4所示，堆芯功率、熔鹽溫度、石墨溫度的計算值與ORNL[5]結果趨勢相一致，驗證了模型的正確性。但由于ORNL在建模過程中，考慮了溫度反饋系數的變化，因此兩者存在一定的差異。

從圖2中可以看出，在50 pcm正反應性引入情況下，堆芯功率、熔鹽溫度一開始隨時間快速上升，但由于負的反應性溫度反饋的存在，很快堆芯功率、熔鹽溫度開始下降，并恢復到比原更高的水平；由于熔鹽堆中的主要熱量來自于熔鹽中易裂變核素的裂變反應，石墨的溫度主要來自于熔鹽對石墨傳熱，因此石墨溫度變化的速度要慢于堆芯功率和熔鹽溫度，并且由于熔鹽溫度最終溫度要高于反應性引入之前，因此石墨的溫度隨正反應性的引入是一直增大的。

3 結論

本文基于點堆動力學與集總參數熱工模型，建立了熔鹽堆堆芯一回路動態特性分析程序，并計算了MSRE入口溫度恒定情況下小反應性引入后的堆芯功率、熔鹽、石墨溫度隨時間的變化，結果在趨勢上與ORNL公布的數據吻合較好，驗證了本文物理模型與數值算法的正確性，可為進一步分析改進熔鹽堆提供參考。

參考文獻

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