内冷式压水反应堆热工水力特性研究

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1、第一章绪论1.1研究背景及意义MIT最近的研究表明:传统堆芯几何形状的普通压水堆功率主要受到三个方面的限制[1]：①、堆芯压降；②、临界热流密度；③、燃料棒与定位格架之间的流致震颤。目前的研究不仅仅是采取手段解决以上的限制，而是研究哪一种几何形状的堆芯有可能减小上面三个方面的限制对反应堆功率的影响。Malen于2009年在轻水堆中循环利用核废料和利用氢化物燃料嬗变錒系核素计划首次提出了内冷式压水反应堆(IPWR，InvertedPressurizedWaterReactor)的概念[1]。这项工程是由加州理工伯克利分校、麻省理工学院和阿格涅国家实验

2、室合作研究的，研究利用氢化物燃料代替二氧化铀的可行性，由UZr3.13H5.01组成，通常被称作为U(45%w/o)ZrH1.6，或者铀钍锆的氢化物。然而，对氢化物燃料的所有研究，这种创新只考虑燃料的类型，即氢代替氧，而Malen的IPWR设计在堆芯几何方面也有创新。IPWR是一种新型的以氢化物（UTh0.5Zr2.25H5.625）为燃料的反应堆，它的燃料元件将传统的棒束状PWR元件的冷却剂与燃料位置互换，从根本上改变了堆芯的几何布置。与普通压水堆相比，IPWR具有以下优点：①、在相同燃料装载量的情况下，具有更低的堆芯压降和燃料温度；②、圆柱形流

3、道周向更加均匀，有利于提升临界热流性能；③、IPWR燃料组件可以不需要横向支撑结构，降低冷却剂流道的复杂性，有效的避免了流致震颤。IPWR的一份综合分析报告表明，这种反应堆的产热功率为4078MW，在同等压降限制情况下，IPWR比参照的普通压水反应堆增加了19%的功率。IPWR功率密度和比功率分别为119MW/m3和73.6kW/kgHM，燃料富集度为15%，反应堆周期为17.2个月[1]。尽管实现了功率的提升，但IPWR需要更高富集度的燃料，这使得它的制造成本有所提高。但从整体经济分析来看，IPWR这种创新设计带来的利益还是值得考虑的。内冷式压水

4、反应堆是新概念堆型设计的补充，有助于丰富动力堆概念设计1万方数据方案，为未来新概念反应堆探索奠定了基础，对军用核动力装置提高功率性能和安全性具有积极意义。1.1IPWR简介1.2.1IPWR结构介绍IPWR的燃料棒中心为圆柱形冷却剂通道，以三角形方式排列在六边形组件中，如图1.1所示，图1.2为普通压水堆的燃料栅元；IPWR燃料栅元（如图1.3）由六边形UTh0.5Zr2.25H5.625燃料块组成，包壳材料为Zr2.5Nb合金，燃料-包壳间隙中填充具有较高热导率的Sn-Pb-Bi液态金属，能够防止燃料温度过高发生蠕变和裂变气体的产生；IPWR燃料

5、组件（如图1.4）外壁为Zr2.5Nb合金制成的六边形导管，活性高度为3.68m，组件与组件之间是Y型控制棒，如图1.5所示；图1.6为堆芯示意图。图1.1IPWR燃料栅元示意图图1.2压水堆燃料栅元示意图图1.3IPWR单个燃料栅元横截面示意图图1.4IPWR燃料组件示意图2万方数据图1.5IPWR控制棒示意图图1.6IPWR堆芯示意图1.1IPWR的燃料IPWR的燃料是UTh0.5Zr2.25H5.625，选择氢化物作为IPWR的燃料，主要与它在内冷式结构中的性质有关[2-20]。氢化物燃料是一种低裂变气体释放的材料，并且可以在氢化前对燃料进行

6、加工，而且不管结构是否是内冷式的，燃料中的氢元素可以在使用更少的冷却剂的情况下达到同样的慢化程度，这样就能够有更大的燃料体积份额。表1.1UTh0.5Zr2.25H5.625主要物性参数性质单位值备注相关文献燃料化学式UTh0.5Zr2.25H5.625Terranietal.(2009A)燃料密度kg/m39096燃料中U的密度kg/m33829燃料中Th的密度kg/m31870通过化学计算得到燃料中Zr的密度kg/m33308燃料中H的密度kg/m389氢化引发的体积膨胀%17.7Terranietal.(2009A)除了发电能力外，装载U-T

7、h-Zr氢化物燃料的LWRs还能够用来焚烧PU/MA，因此它能够使TRU（超铀元素）的破坏因子提高到MOX燃料的两倍。UTh0.5Zr2.25H5.625的热导率和比热还没有计算过，但它具有类似结构的氢化物燃料的导电性，这些导电性由Terrani(2009B)等人收集，并以温度的函数形式表示出来。对于IPWR3万方数据的设计，可以假设UTh0.5Zr2.25H5.625的热导率kfuel与U(45％w/o)ZrH1.6在0-600℃之间是一样的，在600℃以上保持不变。但这种假设只是一种保守估计，因为UTh0.5Zr2.25H5.625比U(45％

8、w/o)ZrH1.6具有更高的密度并且包含钍元素，其中Th的热导率要比U大两倍，表1.1列出了IPWR燃料的主要物性参数。