聚变—裂变混合能源堆非能动安全系统的应用及安全分析

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核裂变能发展中面临的两个关键问题是可裂变材料235U储量有限和乏燃料及核废料处置问题。核聚变能是更为清洁安全的能源,但其距离全面的商业应用还有很长一段时间。聚变-裂变混合能源堆为更早地利用聚变能提供了一种途径,并有望解决核裂变能发展过程中面临的两大难题。聚变-裂变混合能源堆处在概念设计阶段。本文将非能动安全系统概念应用于聚变-裂变混合能源堆,并验证其可行性。利用系统分析程序RELAP5建立了聚变-裂变混合能源堆模型,包括次临界能源包层、主冷却剂回路以及非能动安全系统。本文选取了几种最为典型的事故进行安全分析,包括主冷却剂泵卡转子事故、冷管段小破口失水事故、冷管段双端剪切断裂大破口失水事故,考察了在这些事故工况中,系统各项重要参数的变化以及非能动安全系统的响应动作和对事故的缓解情况。主冷却剂泵卡转子事故中,一回路系统压力及燃料最高温度等参数均在安全范围内,燃料表面不会发生沸腾临界;主给水隔离之后,非能动余热排出系统不能有效地载出衰变热,将其热交换器的总流通面积优化后,换热情况得到很大改善,能与衰变热相匹配。冷管段2英寸、4英寸和10英寸小破口失水事故中,由于非能动安全系统的动作响应,包层燃料区在整个瞬态过程中没有完全裸露,燃料的最高温度低于限值;为了改善包层坍塌液位的最小值,分别增大安注箱和堆芯补水箱容积的初步设计值,发现增大堆芯补水箱容积能有效增大坍塌液位的最小值,而增大安注箱容积效果不明显。冷管段双端剪切断裂大破口失水事故中,包层燃料区在短时间内完全裸露,燃料温度也急剧上升,先后出现两次燃料峰值温度,分别为938.2K和608.7K,均低于燃料的熔点温度,随着再淹没过程,包层趋于安全。通过对这几种事故的定性和定量分析,考察了非能动安全系统对事故的缓解能力,指出了非能动专设安全设施的优化方向,初步验证了非能动安全系统概念应用于聚变-裂变混合能源堆的可行性。
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