摘要
近年来，全球温室效应加剧，为应对气候变化，中国提出了“碳达峰，碳中和”战略目标，其中，核能作为重要的清洁能源，在未来有望得到进一步发展。目前世界范围内核能利用的主要方式为压水堆，以轻水为冷却剂和慢化剂。有机工质堆是指利用有机工质（如多联苯等）作为冷却剂（兼慢化剂）的核反应堆概念。有机工质作为冷却剂相比轻水有一系列优点，包括沸点高，蒸汽压低，可实现反应堆高温低压运行；材料兼容性好，能够避免一回路系统结构材料腐蚀；活性低，能够降低反应堆生物屏蔽要求等。目前，中国对于有机工质堆的研究较少，本文提出了一种有机工质堆堆芯的概念设计，并据此开展有机工质堆堆芯物理热工特性的研究，为后续有机工质堆的优化设计提供参考。 本文选用邻-三联苯、氢化三联苯混合物HB-40作为有机工质堆的冷却剂。HB-40在堆内快中子和伽马射线的作用下会发生分解，产生气体和高分子聚合物，针对该问题，本文对传统燃料元件进行优化，加设石墨包壳以提高中子慢化水平，减轻对HB-40的辐射损伤。HB-40的热导率较低，比热容较小，针对该问题，本文采用导热性能更好的碳化铀作为燃料。通过计算在冷态零功率状态下使堆芯的kinf达到最大值的最佳慢化剂燃料体积比确定堆芯栅元参数。整体的堆芯包含37个燃料组件，按富集度分三区布置，由内向外富集度分别为1.95w/o，2.75w/o，4.25w/o。每个燃料组件采用17×17布局，并设置控制棒束及可燃毒物棒束以控制反应性，同时展平功率分布。 针对寿期初，热态满功率，无控制棒插入，无氙毒状态下的堆芯，本文首先采用蒙特卡洛程序MCNP建立堆芯物理模型并进行物理特性分析，计算了堆芯中子能谱，中子通量密度分布，功率密度分布以及反应性系数，同时分析了若堆芯布置ZrH1.6作慢化剂及反射材料时对堆芯的影响。然后，基于单通道模型，采用多物理场仿真软件COMSOL建立堆芯的热工模型并进行热工特性分析，通过对平均管通道及热管通道展开热工计算，获得了燃料芯块的平均温度和最高温度，包壳的平均温度和最高温度，冷却剂的平均温度和密度等参数，并计算了堆芯最小偏离泡核沸腾比。最后，通过网格映射和数据传输，在上述模型基础上开展物理热工耦合计算，结果表明采用物理热工耦合计算有利于减小有机工质堆堆芯设计的保守裕量，提高经济性。
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