一种SCWR核能系统概念设计的水动力特性研究

【摘要】：在超临界压力下，水在拟临界点附近物性发生急剧变化，流动和传热相互耦合为复杂的非线性关系，使超临界水堆系统中流动与传热特性极其复杂。目前对于超临界压力下循环回路系统水动力特性（静态流动特性）的相关研究比较少，未形成统一的认识。本文以简化的自然循环和强制循环回路为对象，建立超临界水系统循环回路一维稳态热工水力模型，推导得到回路系统水动力特性模型方程；考虑超临界下回路系统方程的强烈非线性特点，在模型数值求解上引入基于延拓概念的DERPAR非线性数值方法，开发超临界水动力特性分析程序，并利用现有的超临界循环回路进行验证，验证结果表明了论文开发程序计算具有一定准确性。 然后针对一种典型的美国超临界水堆（US-SCWR）概念设计方案，对其堆芯与反应堆主回路系统（RCS），以及非能动余热排出回路系统(PRHRS)的进行了简化与等效。采用论文中开发的水动力特性分析程序，系统计算研究了US-SCWR主回路系统和PRHRS系统的水动力特性及输、排热能力，揭示了循环流量-堆芯功率的非单调关系及其机制，并讨论了冷却剂堆芯进口温度、功率分布以及泵特性、系统结构高度、局部阻力等因素对系统运行中水动力特性的影响规律。 分析表明，在US-SCWR概念设计方案中，主回路系统流量随堆芯功率提升先平缓变化，达到某一最高值后，开始较大幅度下降。US-SCWR运行工作点在水动力特性上处于稍不利的区域，概念设计中需考虑运行裕量；在较高堆芯功率工况下，堆芯进口温度升高可能会使主回路出现循环流量降低过多的现象，所以系统运行中应通过控制保护系统防止进口温度过高。主泵特性对US-SCWR主系统水动力学和输热也有影响，在较高的循环流量下，提高主泵有效功率、降低流量-扬程曲线陡度均可有利于系统输热。 相较于靠主泵强制循环的主系统，利用自然循环的PRHRS系统的水动力曲线更“不平坦”。当余热功率上升到堆芯出口处正好处于拟临界点附近区域时，PRHRS流量达到最大值。但其实际工作点远离输热不利区域，运行中不会进入最大流量以后的区域，表明系统是安全且对余热排出有利。系统对堆芯进口温度变化有一定的自调节与自适应能力；同时发现显著提高PRHRS换热器位置对提高PRHRS余热排出的作用有限。 【关键词】：超临界水堆 反应堆冷却系统 非能动余热排出系统 水动力特
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TL353
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 目录11-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 研究背景13-15
• 1.2 超临界水的热物理性质15-17
• 1.3 超临界压力下传热与流动研究17-21
• 1.3.1 超临界压力下传热研究17-18
• 1.3.2 超临界压力下流动特性研究18-20
• 1.3.3 超临界压力下回路的系统流动特性20-21
• 1.4 本文的主要工作与内容21-23
• 第二章 超临界水循环系统水动力程序开发及验证23-44
• 2.1 超临界流体模型和控制方程23-26
• 2.1.1 超临界流体模型23-24
• 2.1.2 流动控制方程24-26
• 2.2 离散数值模型26-29
• 2.2.1 网格划分与各物理量位置选取26-27
• 2.2.2 控制方程离散27-29
• 2.3 数值求解方法29-32
• 2.3.1 延拓方法的引入29-30
• 2.3.2 基于延拓的 DERPAR 数值方法求解流程30-32
• 2.4 程序求解及流程32-37
• 2.5 稳态系统程序验证37-43
• 2.5.1 Chartgroon 回路37-39
• 2.5.2 Sharma 回路39-40
• 2.5.3 HACA 回路40-43
• 2.6 本章小结43-44
• 第三章 美国 SCWR 电厂系统简化和热工水力模型44-53
• 3.1 美国 SCWR 总体介绍44-49
• 3.1.1 电厂总体特性介绍44-46
• 3.1.2 美国 SCWR 系统介绍46-49
• 3.2 美国 SCWR 电厂回路水动力模型的建立49-52
• 3.2.1 简化假设49-50
• 3.2.2 美国 SCWR 简化后主系统和 PRHRS 系统控制方程50-52
• 3.3 本章小结52-53
• 第四章 美国 SCWR 主系统水动力特性及输热53-66
• 4.1 堆芯稳态计算结果分析53-55
• 4.2 主系统的循环流量-功率关系水动力特性55-60
• 4.3 美国 SCWR 主系统水动力特性的主要影响因素60-65
• 4.3.1 堆芯进口温度的影响60-61
• 4.3.2 不同功率分布的影响61-62
• 4.3.3 主泵特性的影响62-64
• 4.3.4 系统压力的影响64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第五章 美国 SCWR 余热排出系统水动力特性及热排出66-73
• 5.1 余热排出系统水动力特性66-68
• 5.2 影响 PRHRS 水动力特性的因素68-72
• 5.2.1 回路高度的影响68-69
• 5.2.2 管径对循环流量的影响69-70
• 5.2.3 堆芯进口温度的影响70-71
• 5.2.4 系统阻力影响71-72
• 5.3 本章小结72-73
• 第六章 全文总结及展望73-75
• 6.1 全文总结73
• 6.2 工作展望73-75
• 参考文献75-78
• 致谢78-79
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的学术论文79

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