熔盐反应堆堆芯动态特性的计算分析

曾文杰　谢金森　李志峰

摘 要：基于点堆动力学和热平衡原理建立熔盐堆堆芯仿真模型，模拟了熔盐实验堆MSRE入口温度恒定工况下，引入50 pcm阶跃反应性后的功率瞬态及温度瞬态。计算结果表明，在小的正反应性引入情况下，堆芯功率一开始将快速增长，但由于负的温度反应性反馈，堆芯功率很快又会下降，并最终维持在比原先功率略高的新功率水平；熔盐温度的变化趋势与堆芯功率类似；由于石墨的温度主要来自熔盐向石墨的传热，因此在反应性引入后，石墨的温度一直上升并逐渐稳定在新的温度水平。本文计算结果与ORNL的结果在趋势上吻合较好，验证了物理模型和数值方法的正确性，为开展熔盐堆系统瞬态特性研究奠定了基础。

关键词：熔盐堆 点堆 反应性事故 安全分析

中图分类号：TL329 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（c）-0107-02

熔盐堆（MSR）最早由美国橡树岭国家实验室（ORNL）提出，采用流动的熔盐作为燃料，具有良好的中子学性能、固有安全性、可在线后处理、放射性废物少、可持续发展、防核扩散等优点[1]。20世纪40年代后期，ORNL开始研发熔盐堆，1965年，ORNL建造的MSRE达到临界，并成功运行了10000多个小时论证了熔盐堆的可行性[2]。1970年至1976年期间，ORNL提出并完成了采用232Th-233U燃料循环的MSBR概念设计[3]。Antonio C等采用双群理论建立了包含燃料流动方程组的一回路动态仿真模型，对MSBR（Molten Salt Breeder Reactor，MSBR）引入阶跃反应性、泵失效等瞬态进行了仿真分析，研究结果表明系统引入的阶跃反应性超出总的缓发中子份额，系统将出现瞬发临界[4]；在文献[5]中，Antonio C等对比了零维、一维、二维三种维度下MSRE一回路系统在引入50 cpm阶跃反应性下，堆芯熔盐及石墨的平均温度随时间的响应情况，三种结果与ORNL公布的结果[6]相一致；Matthias V等基于点堆动力学对MSBR的反应性控制进行了初步分析，研究表明在任何稳态工况下，堆芯平均温度与燃料质量流量具有一定的关系[7]；程懋松等基于点堆动力学模型对MSBR一回路系统进行了安全分析研究[8]。

本研究选取MSRE为对象，基于点堆动力学与热平衡原理建立堆芯仿真模型，模拟无紧急停堆情况下，MSRE阶跃反应性事故与线性引入反应性事故下各个相关参数的响应，分析系统的安全性能，为进一步分析改进熔盐堆提供参考。

1 物理模型

1.1 MSRE一回路系统

将MSRE一回路系统简化成图1所示。假设堆芯由一个石墨块和两个熔盐块组成。采用点堆动力学方程组建立中子密度求解模型[6]；根据质量守恒原理和能量守恒原理建立一回路系统热工模型[6，8]。模型暂不考虑一回路与二回路之间的能量交换，并假定堆芯入口温度始终不变。

1.2 熔盐堆点堆动力学模型

依据堆芯中子守恒原理，可得堆芯中子平衡方程如下[6]：

在熔盐堆一回路系统中，缓发中子先驱核随燃料流出堆芯，在回路中发生衰变，然后重新回到堆芯。因此，熔盐堆内缓发中子先驱核平衡方程[6]：

式（1）和（2）中，为中子密度；为反应性；为时间；为中子代时间；为第组缓发中子份额；为总的缓发中子份额；为第组缓发中子先驱核浓度；为第组缓发中子先驱核的衰变常数；为燃料流经堆芯内时间；为燃料流经堆芯外部的时间。

考虑到堆芯燃料熔盐和石墨温度变化引起的温度反应性反馈，建立温度的反应性反馈[6]：

1.3 熔盐堆堆芯热工模型

基于堆芯熔盐和石墨的能量守恒，假设堆芯熔盐和石墨的物性参数为常数，系统的流动为不可压缩流动，建立堆芯热量传递模型[6，8]：

2 反应性引入下的动态特性分析

利用该模型模拟MSRE在堆芯入口温度恒定，初始时刻为满功率运行情况下，引入50 pcm阶跃反应性后的功率瞬态及温度瞬态。

如图2、3、4所示，堆芯功率、熔盐温度、石墨温度的计算值与ORNL[5]结果趋势相一致，验证了模型的正确性。但由于ORNL在建模过程中，考虑了温度反馈系数的变化，因此两者存在一定的差异。

从图2中可以看出，在50 pcm正反应性引入情况下，堆芯功率、熔盐温度一开始随时间快速上升，但由于负的反应性温度反馈的存在，很快堆芯功率、熔盐温度开始下降，并恢复到比原更高的水平；由于熔盐堆中的主要热量来自于熔盐中易裂变核素的裂变反应，石墨的温度主要来自于熔盐对石墨传热，因此石墨温度变化的速度要慢于堆芯功率和熔盐温度，并且由于熔盐温度最终温度要高于反应性引入之前，因此石墨的温度随正反应性的引入是一直增大的。

3 结论

本文基于点堆动力学与集总参数热工模型，建立了熔盐堆堆芯一回路动态特性分析程序，并计算了MSRE入口温度恒定情况下小反应性引入后的堆芯功率、熔盐、石墨温度随时间的变化，结果在趋势上与ORNL公布的数据吻合较好，验证了本文物理模型与数值算法的正确性，可为进一步分析改进熔盐堆提供参考。

参考文献

[1] Rosenthal M W， Briggs R B， Kasten P R. Molten-salt reactor program： semiannual progress report for period ending[R].ORNL-4449，USA：ORNL， 1970.

[2] Paul N H，Engel J R. Experience with the molten-salt reactor experiment[J]. Nuclear Applications & Technology，1970，8：118-170.endprint

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[7] Matthias V，Greet J M. Consideration on saftey and proliferation-resistant aspects for the MSBR design[J].Nuclear Engineering and Design， 2010，240： 482-488.

[8] 程懋松，戴志敏.熔盐增殖堆初步安全分析[J].核技术，2013，36（6）：1-8.Cheng Maosong， DAI Zhimin.Preliminary safety analysis of Molten Salt Breeder Reactor[J].Nuclear Techniques， 2013，36（6）：1-8.endprint

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