[发明专利]一种熔盐堆氚输运特性耦合计算方法

摘要

一种熔盐堆氚输运特性耦合计算方法，主要步骤如下：1、获取熔盐堆的几何参数、运行参数以及程序计算参数；2、计算石墨对氚的吸附量限值；3、计算堆芯处氚的产生量、石墨吸附量；4、计算热管段处氚对铬的腐蚀量和铬离子的沉积量；5、计算换热器处氚对铬的腐蚀量、铬离子的沉积量和氚气渗透量；6、计算冷管段处氚对铬的腐蚀量和铬离子的沉积量；7、若当前时间等于熔盐堆稳态运行时间，则输出计算结果，否则应返回至第2步，再次计算，直至计算结束。本发明考虑了氚在熔盐堆中的产生、石墨吸附、腐蚀/沉积和渗透等输运特性以及中子辐照对石墨吸附能力的影响，从而可以得出熔盐堆中氚的产生量、吸附量和渗透量，为熔盐堆的辐射防护提供参考。

主权项

1.一种熔盐堆氚输运特性耦合计算方法，其特征在于：步骤如下：符号说明：上标N表示整个计算回路中的第N个控制体，下标graphite表示石墨，下标deposition表示Cr2+的沉积，下标corrosion表示Cr的腐蚀；上标pipe表示热管段或冷管段，上标HX表示换热器；步骤1：获取熔盐堆的几何参数和运行参数以及程序计算参数，几何参数包括熔盐堆堆芯处冷却剂与石墨的总接触面积、热管段内侧表面积、冷管段内侧表面积和换热器与冷却剂的总接触面积，堆芯、热管段、换热器、冷管段内冷却剂的体积；运行参数包括熔盐堆堆芯入口冷却剂温度、堆芯出口冷却剂温度、熔盐堆运行压力、石墨温度、冷却剂流速、冷却剂压力、给定温度下熔盐中Li‑6、Li‑7和Be‑9的初始核子数密度、堆芯中子通量密度，石墨吸附系数、Cr2+沉积系数、Cr腐蚀系数、T2渗透系数和Cr2+的平衡浓度值，氚生成后对于T+和T2的分配比例；程序计算参数包括熔盐堆稳态运行时间、时间步长，堆芯、热管段、换热器和冷管段划分的控制体数；步骤2：计算熔盐堆运行过程中石墨对氚的吸附量限值，石墨在受到中子辐照前后对氚的吸附量饱和值之比根据实验数据拟合的公式如下：式中：R——辐照前后石墨对氚的吸附量饱和值之比；x——中子通量/×1024n/m2；上式中，x表示中子通量，为堆芯中子通量密度与熔盐堆稳态运行时间的乘积；堆芯中子通量密度和熔盐堆稳态运行时间均由步骤1获取；石墨对于氚吸附量的限值由下述经验关系式得到：式中：S——石墨对氚的吸附限值；P——熔盐堆运行压力；R——通用气体常数；T——石墨温度；若石墨对氚的吸附达到该值即已经饱和，其吸附量不再增加；式中熔盐堆运行压力和石墨温度均由步骤1获取；步骤3：根据T2、TF和Cr2+的质量守恒，得式中：——冷却剂的流速；——第N‑1及N个控制体中T₂的浓度；——第N‑1及N个控制体中TF的浓度；——第N‑1及N个控制体中Cr²⁺的浓度；——第N个控制体中T₂的物质的量/mol；——第N个控制体中TF的物质的量/mol；——第N个控制体中Cr²⁺的物质的量/mol；σ_TF——氚生成后的转化比例，由步骤1获得；——运行时间为t时的产氚率/mol·s^‑1；——石墨对T₂的吸附量/mol·s^‑1；——石墨对TF的吸附量/mol·s^‑1；——沉积反应中T₂产生量/mol·s^‑1；——沉积反应中TF产生量/mol·s^‑1；——沉积反应中Cr²⁺产生量/mol·s^‑1；——腐蚀反应中T₂消耗量/mol·s^‑1；——腐蚀反应中TF消耗量/mol·s^‑1；——腐蚀反应中Cr²⁺消耗量/mol·s^‑1；其中，氚的产生量由下式计算：式中：t——熔盐堆稳态运行时间/s；φ——堆芯中子通量密度/n·cm‑2·s‑1；——Li‑7反应产生氚的微观截面/b；NLi‑7——冷却剂中Li‑7的核子密度/cm‑3；——Li‑6反应产生氚的微观截面/b；——给定温度下熔盐中Li‑6的初始核子数密度/cm^‑3；Vcore——堆芯中熔盐的体积/m3；Vloop——一回路中熔盐堆的总体积/m3；——Li‑6的微观吸收截面/b；——Be‑9的微观反应截面/b；NBe‑9——冷却剂中Be‑9的核子密度/cm‑3。其中，和为常数，通过查手册获得；一回路中熔盐堆总体积为堆芯、热管段、换热器和冷管段内冷却剂体积之和；由步骤1获得的堆芯处冷却剂与石墨的总接触面积、热管段内侧表面积、冷管段内侧表面积和换热器与冷却剂的总接触面积，分别除以堆芯、热管段、换热器和冷管段划分控制体的数目，得到堆芯、热管段、换热器和冷管段每个控制体内的面积；堆芯、热管段、换热器、冷管段内冷却剂的体积除以堆芯、热管段、换热器和冷管段划分的控制体数，得到堆芯、热管段、换热器和冷管段的控制体内的冷却剂的体积；控制体内的面积分别乘以石墨吸附系数、Cr2+沉积系数、Cr腐蚀系数和T2渗透系数即得石墨吸附量、Cr2+沉积量、Cr腐蚀量和T2渗透量；石墨吸附量在低于饱和值时，吸附量持续增加；石墨吸附量达到饱和值后，吸附量则不再增加；Cr2+的沉积与Cr的腐蚀是一对可逆反应，当控制体内的Cr2+浓度低于平衡浓度值时，发生Cr的腐蚀；当控制体内Cr2+浓度高于平衡浓度值时，发生Cr2+的沉积；上述石墨吸附系数、Cr2+沉积系数、Cr腐蚀系数、T2渗透系数和Cr2+平衡浓度值均由步骤1获取；步骤4：计算熔盐堆热管段处T2、TF和Cr2+的物质的量的变化。计算公式为：步骤5：计算熔盐堆换热器处T2、TF和Cr2+的物质的量的变化，计算公式分别为：式中：步骤6：计算熔盐堆冷管段处T2、TF和Cr2+的物质的量的变化，计算公式分别为：步骤7：计算时间加上时间步长，得到当前时间，再回到步骤3进行计算，直至当前时间为步骤1中设定的熔盐堆稳态运行时间，结束计算；输出熔盐堆堆芯、热管段、换热器和冷管段处T2、TF和Cr2+的物质的量计算结果，以及T2在换热器处的渗透量、Cr的腐蚀量、石墨对氚的吸附量；其中，T2在换热器处的渗透量为T2在换热器处各控制体内渗透量之和，Cr的腐蚀量为各控制体内Cr的腐蚀量之和，石墨对氚的吸附量为各控制体内石墨对氚的吸附量之和。