熔盐堆是第四代先进反应堆6个候选堆型之一,包括液态燃料熔盐堆和固态燃料熔盐堆,其中固态燃料熔盐堆采用高温熔盐作为冷却剂,具备高温、常压、高功率密度等优点,在固有安全性以及经济性上具有极大的优势和潜力。为了开展六角形燃料组件熔盐冷却先进高温堆瞬态分析和安全评估,基于指数变换和六角形节块展开法,开发了三维时空动力学程序TCORE3D-HEX。选取了两个俄罗斯VVER型压水堆国际基准题算例,通过对比及分析国际上几种适用于六角形几何的时空动力学程序,验证TCORE3D-HEX程序的正确性。结果表明:基于指数变换和六角形节块法开发的三维时空动力学程序数值计算结果与国际上其他程序计算结果符合得很好,初步验证了程序的正确性,为钍基熔盐堆核能系统(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)设计提供了可靠的分析和评估工具。
钍基熔盐堆(TMSR)核能系统项目是中科院未来10年先导研究专项之一,其研究目标是研发第四代裂变反应堆核能系统,计划至2020年之前建成2MW钍基熔盐实验堆,形成支撑未来TMSR核能系统发展的若干技术研发能力,并解决钍铀燃料循环和钍基熔盐堆相关重大技术挑战,研制出工业示范级钍基熔盐堆,实现钍资源的有效使用和核能的综合利用。钍基核燃料具有232Th/233U转换效率高、在热中子堆中也能增殖、产生较少的高毒性放射性核素、有利于防核扩散等优点,但也面临燃料制备困难、232U衰变子核的强γ辐射给乏燃料处理和燃料再加工带来的困难、钍铀转换反应链中间核233Pa会吸收堆内中子从而影响233U产量。核燃料利用的工作模式有开环模式、改进的开环模式和闭环模式。熔盐堆是第四代反应堆的6个候选堆型之一,非常适合用作钍铀燃料循环,熔盐堆加上干法在线分离技术有可能实现完全的钍铀燃料闭式循环。本世纪初提出的氟盐冷却高温堆(Fluoride salt-cooled High temperature Reactors,FHRs),用氟化熔盐作为冷却剂,采用TRISO燃料颗粒作为核燃料,其中球床型氟盐冷却高温堆可以在改进的开环模式实现钍铀燃料循环。熔盐堆良好的高温特性使其成为核能非电应用主要候选者之一,反应堆产生的高温热可直接用于页岩油开采和高温制氢等工业领域。
基于轻水堆最佳估算系统分析程序RELAP/SCDAPSIM/MOD4.0,添加新的FLi Na K熔盐热物性参数和适用于熔盐的对流换热系数,开发了适用于FHR系统的热工水力分析程序RELAP5-FHR。通过FLi Na K高温熔盐实验回路对RELAP5-FHR程序进行实验验证。结果表明:RELAP5-FHR程序计算值与实验值吻合较好,验证了程序的适用性。
由于熔盐堆液态燃料的流动、在线添料和后处理特性,现有的固态堆燃料管理程序不再适用于熔盐堆的燃耗计算分析。在自主开发的确定论节块法程序ThorCORE3D的基础上,耦合截面加工模块以及燃耗计算模块,开发了适用于液态燃料熔盐堆的燃料管理分析程序ThorNEMFM,以实现熔盐堆在线添料和裂变产物在线处理等功能。基于熔盐实验堆(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE)、熔盐增殖堆(Molten Salt Breeder Reactor,MSBR)和熔盐快堆(Molten Salt Fast Reactor,MSFR)算例对ThorNEMFM燃耗程序进行了验证。结果表明:ThorNEMFM计算结果与算例结果符合较好,ThorNEMFM适用于液态燃料熔盐堆的燃料管理计算分析。
