潘俊杰-西安交通大学核安全与运行研究室(Nuclear Safety and Operation Lab, NUSOL)

潘俊杰
工作单位：中国核动力院设计所九室
毕业时间： 2011年
科研方向：超临界水堆启动与不稳定性研究
论文题目：超临界水堆的不稳定性分析
摘要：
超临界水堆（SCWR）作为第四代反应堆堆型之一而受到世界各国广泛关注。它以具有丰富运行经验的超临界火电机组和轻水堆为设计基础，通过提高反应堆的运行压力和温度，简化系统结构，达到提高热效率并降低基础投资的目的。
由于SCWR运行于超临界压力和较高的温度，它的启动方案比当前轻水堆的启动方案更为复杂。在滑压启动和功率运行过程中，冷却剂的物性在堆芯内发生剧烈变化，有可能引发流动不稳定性。不稳定性增加反应堆的控制难度并降低系统的安全性，需要通过严格的分析和设计来保证系统在启动和运行过程都处于稳定区域。在堆芯设计和运行中，密度波不稳定性是最需要关注的不稳定性。
本文利用MATLAB编写FIAT程序分析了SCWR在启动和运行过程中的密度波不稳定性。程序以堆芯核热耦合模型为基础，在亚临界压力区域，采用三区模型以及无量纲参数（相变数和过冷数）；在超临界压力区域，则采用与亚临界压力下相似定义的三区模型，并通过无量纲化得到新的无量纲参数（膨胀数和拟过冷数）。程序使用频域法，通过堆芯进出口压降不变的假定，对燃料通道和水棒模型的质量、动量和能量守恒方程进行线性化和拉普拉斯变换得到整个堆芯的核热耦合特征方程。在不同的进口焓值和加热功率下使用牛顿迭代法求解特征方程并得到衰减率，最后将衰减率为1的工况点以无量纲参数为坐标绘出，得到不稳定边界。
本文首先对FIAT程序进行验证，然后逐步分析系统几何条件与运行工况，以及燃料棒和水棒对不稳定边界的影响，最后对超临界水堆的滑压启动方案进行分析与优化。结果表明：压力管式超临界水堆与压力容器式超临界水堆在运行条件下都是稳定的，压力管式超临界水堆在运行时具有更大的稳定裕量。燃料棒导热的阻尼效应和堆芯的中子负反馈效应增加堆芯的稳定性，但水棒的传热降低堆芯的稳定性。超临界水堆的滑压启动方案需采用两次加压并在加压过程之间提高堆芯冷却剂进口温度的方式才能同时满足热工水力和稳定性的要求。
本文的FIAT程序能够分析超临界压力和亚临界压力时的密度波不稳定性，可用于超临界水堆的设计及运行工况稳定性的快速判断，具有重要的应用价值和工程意义。