圆管内氦氙混合气体与超临界二氧化碳换热特性对比分析

小型化、高紧凑反应堆系统是陆上多用途能源供给的研究重点,直接热-动循环下的能量转换对冷却剂工质选型提出极高要求。为了明确氦氙混合气体、超临界二氧化碳的工质适用性,本文采用数值模拟方法,对二者在圆管内的换热特性进行计算,对比了2种冷却剂的物性,分析了不同加热功率、入口速度、入口温度对冷却剂换热系数的影响,拟合提出了2种冷却剂工质圆管内换热的经验模型。研究结果表明:反应堆在加热功率超过100 kW/m~2、入口流速大于10 m/s下,对流换热系数较大;氦氙混合气体入口温度在1 000~1 200 K、超临界二氧化碳在入口温度550~600 K附近时,对流换热系数存在极大值;在高雷诺数区(Re>10~4),2冷却剂的修正关系式与计算值吻合良好。本文计算能够为新型反应堆开发提供数据及模型基础。

球床堆在空间核动力系统中的应用

球床堆以高温气冷堆技术为基础,采用TRISO型包覆燃料颗粒,堆芯出口温度不受常规燃料元件包壳和冷却剂相变等因素限制,是一种理想的超高温空间热源。根据具体的空间核能需求,气体冷却剂可选用氢气或氦、氙惰性气体,其中氢气由于摩尔质量小、比冲大等特点,一般用在核热推进中。本文重点关注空间核电源及核电推进方面的应用,在调研国外空间核动力系统研究进展的基础上,对球床堆的概念设计方案、技术特点、堆芯结构布置、能量转换系统等进行简要介绍。结果表明,球床堆结合气体布雷顿循环可满足空间MW级电力需求,且系统比功率可达100 We/kg以上,具有明显的经济竞争优势,在空间技术应用中具有广阔的发展前景。

斯特林动力转换技术在微型核装置中的应用分析

斯特林循环是一种由两个等温过程和两个等容过程组成的概括性卡诺循环,具有理论上最高的动力转换效率,在空间电源、潜艇动力、太阳能发电、低温制冷等领域具有独特的应用优势。对比了百瓦级同位素-斯特林热电装置和千瓦级空间堆-斯特林电源系统的主要性能指标,对斯特林发电机的热力循环效率、关键技术瓶颈等进行了初步分析,可以为斯特林动力转换技术的工程应用和选型论证提供技术支撑。

小型化气冷球床堆方案设计与应用研究

商用核电站的大规模建造和并网,缓解了我国电力供应和环境污染等问题,但很难满足孤立岛屿、小型基地、航天推进等潜在的应用环境。因此,须发展不同功率范围的小型化、可移动式核反应堆系统,以适应未来电力市场和动力装置对核能的需求。考虑到球床堆具有出口温度高、安全性好等特点,设计了一个基于闭式布雷顿循环、热功率为5 MW的核反应堆系统,给出了总体设计参数和反应堆部分的物理、热工特性。结果表明,该系统的能量转换效率约为35.2%,可达到6.14kg/kWe的比重量。反应堆寿期初和寿期末的剩余反应性分别为4.88$和2.28$,满足10a设计寿命的燃耗要求。反应堆进、出口温度分别为868.7K和1 295.8K,额定功率下燃料最高温度为1 576K,低于设计温度限值1 600K。

MW级空间核反应堆系统热管式辐射散热器分析及优化

空间核反应堆是空间核电源和核推进的研究基础,大功率核反应堆的体积和质量一直是限制航空航天设计的重要因素。针对这一问题,本文对MW级空间核反应堆系统热管式辐射散热器进行建模和分析,建立热管式辐射散热器的热阻模型,利用穷举法和遗传算法在给定工况下探讨裸碳纤维翅片长度Lf和厚度δf、冷却剂质量流量m、辐射散热器入口温度Tf1对散热器质量M的影响。结果表明,当Tf1=800 K、Lf=5 cm、δf=0.16 mm、m=9 kg/s时,M达到最优,为906.593 kg,优化了0.63%的系统质量。

双钩波形板汽水分离器疏水钩优化研究

为提高双钩波形板汽水分离器的分离性能,采用计算流体力学方法建立波形板内的两相流动模型,并对不同结构疏水钩的波形板汽水分离器进行研究。通过数值计算得到了波形板内的速度云图和液滴运动轨迹,并分析了不同进口速度下疏水钩结构对压降和分离效率的影响。结果表明:大部分液滴在前两级通道被分离,进口速度为0.922 m/s时其质量份额可超过50%;疏水钩通过影响流场的局部流速和湍流强度进而影响压降和分离效率,疏水钩对液滴的直接拦截作用有利于提高分离效率。综合考虑分离效率和压力损失获得了综合性能良好的双钩波形板汽水分离器结构型式。

高温圆柱配合面接触热阻数值模拟研究

在众多核工程应用中,如燃料元件芯块与包壳的热力相互作用以及热管堆的传热过程中,界面接触热阻是热工分析的一个基础参数,也是传热系统温度分布预测的一个重要不确定性来源。准确预测和调控接触热阻可为系统的热防护和能量传递提供助益。本研究采用粗糙表面重构技术以及有限元热力耦合方法,对高温下的圆柱配合面结构进行热力耦合分析。本研究建立的数值预测方法能够应用于其它圆柱配合面的接触和传热预测,其方法和预测结果可为整个系统的热力耦合分析提供合理的分析方法和基础参数支撑。

Brayton空间核能系统质量估算模型

空间核能系统具有输出功率高、持续时间长等特点,是中国未来大型太空任务的理想选择,与地面核装置相比,其质量和体积直接决定着系统性能。该文在系统部件分析的基础上,建立了一个适用于闭式Brayton循环的质量估算模型,并开发了对应的MATLAB计算程序SPRBC。模型涵盖了核反应堆、屏蔽层、Brayton单元、回热器、热辐射器等主要部件。其中,核反应堆和屏蔽层的质量根据物理设计得到,Brayton单元的质量根据经验公式得到,回热器和热辐射器的质量根据换热器设计得到。该文研究不同功率下的系统质量,可以得出百千瓦级时系统比质量在30kg/kWe左右。当输出功率达到兆瓦级水平时,系统比质量有可能降低到10kg/kWe以下。此外,该文还对一个电功率为1.76MW的Brayton空间核能系统进行了质量分析。结果表明：系统比质量可达到6.14kg/kWe,热辐射器面积约为665m2;系统总质量约为10.8t,其中核反应堆、屏蔽层和Brayton单元的份额较大,分别占22.5%、22%和26.4%。

回热式闭式空间核能布雷顿循环系统性能分析及优化

随着深空探测的不断发展,作为最具发展潜力的能源之一,空间核动力在国内外得到大量关注和研究。空间核动力系统中热电转换技术至关重要,在大功率阶段下,布雷顿循环动态热电转换系统因其功率较大,效率较高等优点得到广泛应用和发展,对其进行特性分析和参数优化具有重要意义。对运用闭式布雷顿循环的次临界安全空间(S4)反应堆系统建立回热式布雷顿循环理论模型,分析其特性,并研究了回热度、工质变外部条件对循环效率等参数的影响;在此基础上,运用遗传算法对系统进行双目标优化,为布雷顿循环优化提供理论基础。

基于液态金属朗肯循环的空间双模式核热推进系统性能分析

随着深空探测技术的进步,空间核动力越来越成为载人航天任务的理想选择,将双模式空间核动力推进系统应用于航天推进系统已成为一种新的趋势。基于空间核能液态金属朗肯循环,提出一种新型的双模式核热推进系统,并对该推进系统发电模式下的液态金属朗肯循环进行了性能分析。利用能量分析和[火用]分析的方法对双模式核热推进系统下的朗肯循环进行热力计算,得出各部件的能量损失和[火用]损,找出损失最大的部件并分析原因,取不同的空间环境温度研究其对[火用]损和[火用]效率的影响,为系统的进一步优化提供理论依据。