铅铋回路自然循环瞬态特性与腐蚀沉积研究

为了解决液态铅铋回路在自然循环状态下腐蚀沉积对堆内结构材料的影响问题,本文开展了铅铋回路自然循环瞬态热工水力行为分析与溶解腐蚀沉积研究。通过对铅铋实验回路进行数学建模,开发了适用于瞬态自然循环的热工水力程序和腐蚀沉积程序。进行了瞬态启动、功率阶跃等典型工况下的瞬态热工水力行为分析,以及在无氧、氧控状态下的回路腐蚀沉积分布研究。结果表明:在瞬态启动过程中,铅铋回路温度波动较大,功率阶跃与入口温度增加均会导致自然循环流量的增加;铅铋回路自然循环运行且无氧控时腐蚀非常严重,在引入氧控后(c_(0)=1×10^(-8)),最大腐蚀速率仅为无氧控时的1/1000,并且加热功率的提高会导致回路的腐蚀沉积速率增加,无氧和氧控状态下结果一致。本文为铅铋回路安全稳定运行提供参考。

微流体惯性撞击器气溶胶过滤行为研究

微流体惯性撞击器可作为安全壳过滤排放系统的第一级过滤装置,实现严重事故后安全壳快速泄压并对壳内放射性气溶胶进行初效过滤。为了探究惯性撞击器内气溶胶的过滤行为,开展可视化实验对气溶胶在惯性撞击器内的沉积分布进行研究。研究表明,可视化实验能反映撞击器内气流流向及气溶胶运动轨迹。气溶胶在过滤单元处的沉积位置主要集中在过滤单元的上表面及微流道的内壁面,过滤效率可达60%以上。同时,由于撞击器通道表面特性随气溶胶的沉积而改变,容尘条件下的气溶胶过滤效率逐渐增加。而当惯性撞击器内载气流速大于临界值时,过滤效率会因气溶胶的再悬浮而降低。

基于最大气泡压力法的液态碱金属密度和表面张力测量

液态碱金属是空间核反应堆的冷却剂材料之一,其热物性参数是冷却剂材料选取的重要依据。现有的液态碱金属的密度及表面张力实验研究数据较少,当今空间堆发展对其有更高要求。根据最大气泡压力法,研制了一套可同时测量液态碱金属密度和表面张力的实验装置,并以纯度为99.9%的锂为被测介质,对该装置的可靠性和可用性进行验证。结果表明,在200~650℃温度范围内,标准大气压下,实验结果与文献参考值相比,密度平均偏差为0.47%,表面张力平均偏差[12]为0.93%,具有较好的线性度。在此基础上,给出了液态锂密度和表面张力与温度的经验关系式。最后分析了管径、鼓泡速度对液态锂密度和表面张力测量结果的影响,并给出相应实验建议。本文工作可对高温液态碱金属的密度及表面张力开展高精度测量提供参考。

气泡在液态铅铋合金内上升行为的数值模拟

为利用气泡提升泵的概念设计来增加铅铋合金非等温回路的自然循环能力,需对充入回路的气泡大小进行选择。气泡的初始直径能显著影响气泡提升泵提升自然循环的能力。利用VOF模型,对不同初始直径的氦气泡在液态铅铋合金中的提升作用进行了数值模拟研究。结果表明,对于单个气泡,随着初始直径增大,提升能力呈先增加后趋于不变的趋势;初始直径较大的气泡易分裂生成较小的子气泡附着在管壁上,有影响传热效率的潜在可能。研究了在静止液态铅铋合金中,不同初始直径的氦气泡上升速度和上升高度与时间的关系及气泡分裂的原因。

密度锁内分区模型研究

通过实验研究流速对密度锁内温度场和分层的影响,并建立了分区模型。研究结果表明:密度锁可分为混合区、分层区和恒温区,其中分层区又可分为强分层与弱分层,分层界面则位于混合区与分层区之间。此外,本文还将密度锁内温度场分为5类,其中第2类温度场最好,是密度锁正常工作时的最佳选择。

AP1000安全壳流动循环与热分层一维模型分析

非能动安全壳冷却系统是先进大型压水堆AP1000核电厂的重要安全系统之一,该系统利用安全壳内及安全壳外空气流道中的自然循环过程将安全壳内的热量带至环境中,大空间内的循环与热分层现象对安全壳内的传热及流动特性具有重要影响。本文基于热分层理论,针对钢制安全壳内、外的自然循环过程,建立一维计算模型,在提高计算效率的基础上,得到安全壳内的温度分布,并与三维模型的计算结果进行了对比,验证了模型的合理性;同时得到了安全壳内压力及组分的分布。

应用VASP分析含氧碳化硅的拉伸性能

利用VASP模拟了含氧碳化硅晶体的理想拉伸过程,研究间隙位氧原子和替换位氧原子对碳化硅机械性能的影响。研究发现掺氧碳化硅的应力-应变曲线在峰值之后出现突然下降,说明含氧碳化硅的机械性能发生了变化。同时还分析了不同掺氧方式碳化硅模型的拉伸强度和杨氏模量,结果显示,含氧碳化硅的拉伸强度和杨氏模量均有不同程度的减弱。

优势融合,方法创新,打造核电厂系统与设备“金课”

文章针对核电厂系统与设备课程的内容特点和教学实际,总结了对学生学习本门课程的三个层次要求,重点介绍了华北电力大学核科学与工程学院在本课程教学方面的改革和创新性尝试。应充分利用现有教学资源,将多方优势融入教学,从而进一步实现教学方式方法创新,包括:完善课程体系建设,传统与新型教学方式相结合,采用先进的多媒体技术,融入科研优势;同时,努力推动课堂内外实践与教学的有机结合,将核电厂系统与设备课程打造成为更加丰富、高效、充实的本科教学"金课"。

氧含量对碳化硅晶体的拉伸性能的影响

碳化硅具有良好的抗腐蚀和抗氧化性能,是先进核反应堆核燃料包壳的候选材料之一,但杂质元素会对碳化硅材料的机械性能产生重要影响。杂质元素对材料拉伸性能的影响可用第一性原理进行分析。首先构建一个2×2×2的3C-SiC超晶胞结构,使用VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)程序模拟SiC晶体的理想拉伸过程;在不同间隙位增加1个或2个氧原子,构建不同的碳化硅晶胞模型,并计算含氧SiC晶体拉伸强度;通过模拟计算了一个掺杂原子和两个掺杂原子在不同间隙位的拉伸强度,最后总结含氧量对SiC拉伸强度的影响。计算结果表明,掺氧后SiC材料更容易发生脆性断裂,同时氧原子增加后SiC的抗拉强度变小了,说明氧含量对SiC的拉伸性能有明显影响。

重要厂用水系统地震情况下可靠性分析

重要厂用水系统是核电厂重要的安全系统之一,其失效概率通常由系统可靠性分析获得。而地震情况下设备的失效概率是地震动峰值加速度的函数,且地震的发生又具有随机性,目前概率安全评价中传统的故障树分析方法对此种情况缺乏足够的处理能力。本文采用蒙特卡罗模拟方法解决条件概率的问题,针对地震情况系统可靠性分析,提出了评价模型,并对核电厂重要厂用水系统进行了分析计算,得到地震情况下重要厂用水系统的年失效概率为1.46×10-4。计算结果与设备抗震性能数据符合,验证了分析模型的合理性。

非能动安全壳局部分层及分区计算研究

搭建小型非能动钢制安全壳台架,以蒸汽为工质,通过实验研究破口事故下非能动安全壳内的环流与热分层现象。结果表明:不同的喷射流量下,安全壳内均存在分层现象;分层属于局部分层而非大空间整体分层。对当前国内外常用的安全壳计算程序进行对比分析,并结合实验研究结果,提出一种根据壳内传热和流动的特点进行分类分区,然后再各自建立模型进行计算的新方法。

空间核反应堆冷却剂热物性比较分析

冷却剂是空间核反应堆(空间堆)的重要材料,选择合理、高效的冷却剂对于空间核反应堆的安全运行有重要意义。通过对空间堆常用冷却剂工质钠、钾、锂、钠钾合金、氦气等进行对比分析,得出不同冷却剂工质在密度、比定压热容、热导率、黏度等热物性参数下的差异。结合反应堆特点及冷却剂性质给出应用不同冷却方式堆型的冷却剂推荐,对于空间核反应堆的设计尤其是堆冷却剂的选取有一定参考价值。

机翼型微通道高效紧凑换热器流动换热特性

超临界二氧化碳(S-CO 2)布雷顿循环系统是第4代反应堆采用的新型高效热能转化系统,系统采用微通道高效紧凑换热器作为高低温回热器,其流动换热特性对整体系统热能转化效率有着显著影响。本文采用数值模拟方法,以S-CO 2为流动工质,建立机翼型翼片结构的换热器模型,研究翼片的不同间距对流动换热性能的影响。研究结果表明,交错排列翼片的综合流动换热性能优于翼片并排布置,翼片交错间距为左右间距一半时,增加左右间距,换热器流动换热性能更好。将机翼型微通道换热器与折线型微通道换热器模拟结果进行对比分析表明,机翼型微通道换热器在压降仅为折线型微通道换热器54.174%的情况下,换热性能提升了25.67%。

竖直向下浸没式蒸汽直接接触冷凝流型研究

直接接触冷凝直接影响核反应堆安全壳抑压系统的性能。本文针对竖直向下浸没式直接接触冷凝流型开展实验研究,采用高速摄影仪记录不同湿阱过冷度条件下的蒸汽冷凝过程,依据流型特征划分了喘振、管外颈缩、向上球型脱落、向上T型脱落4种冷凝流型。研究了各流型对湿阱热分层的影响。实验结果表明,喘振流型和管外颈缩流型会增强湿阱内流体搅混,不易发生热分层,而向上球型脱落流型和向上T型脱落流型易引起热分层。理查森数(Ri)可作为流型转变的无量纲数,Ri<1时为管外颈缩流型,Ri>1时为向上脱落流型。

基于正交试验的抑压水池抑压特性研究

抑压水池可降低反应堆冷却剂失水事故(LOCA)初期安全壳的峰值压力。抑压能力的影响因素主要为抑压管淹没深度、蒸汽流速、不凝性气体含量的影响。各影响因素参数组合方式多变,造成敏感性分析需要进行庞大的试验次数和数据处理,正交试验不仅可以降低试验次数,而且可以直观地分析影响因素的主次顺序,所以本文采用正交试验法对影响因素进行敏感性分析,以抑压水池的峰值压力为指标,通过正交试验极差分析获得影响因素从大到小依次为:淹没深度、蒸汽流速、不凝性气体含量。

箭鱼形翅片微通道流动换热特性研究

超临界二氧化碳布雷顿循环是第4代核能采用的新一代热能循环系统。紧凑式微通道换热器作为超临界二氧化碳布雷顿循环的高低温回热器,其流动换热特性直接影响整体热电转化的效率。降低回热器的流动阻力,同时维持较高的换热效率是微通道换热器优化设计的重要研究内容。箭鱼形翅片微通道设计借鉴仿生学原理,理论上可显著降低流动阻力。本文以超临界二氧化碳为流动工质,建立箭鱼形翅片换热器的模型并进行三维数值模拟,分析不同排列下的箭鱼形翅片设计对换热器流动换热特性的影响。同时对箭鱼形翅片设计与传统商用折线形微通道换热器流动换热特性进行对比分析。研究分析表明,在相同雷诺数下,箭鱼形翅片微通道的努塞尔数为折线形流道的2倍,而压降仅为其1/2,所以箭鱼形翅片微通道换热器的流动换热特性明显优于折线形换热器。通过优化分析,发现箭鱼形翅片设计最优的排列间距为沿流动方向的翅片间距La=8 mm,垂直于流动方向的翅片间距Lb=6 mm。

饱和氧浓度铅铋合金中Bi/Bi2O3型氧传感器性能测试与研究

铅冷快堆中,控制液态铅铋合金(LBE)中的氧浓度常被作为预防冷却剂对于结构材料的腐蚀作用的方法。可靠的液态铅铋合金氧浓度测量装置是实现氧浓度控制的前提。以铋和三氧化二铋(Bi/Bi2O3)作为参比电极的氧传感器由于其信号准确、测温范围广等优点被广泛应用。本文在自主研制的池式液态铅铋合金固态氧控平台上对Bi/Bi2O3传感器进行了测试研究。实验结果表明,自主研制的Bi/Bi2O3氧传感器具有良好的准确性、稳定性、响应性。传感器在连续的40h内,能及时地对因温度变化引起的氧浓度变化做出响应。在300~500℃测量温度范围,传感器电动势与理论电动势值相对误差保持在±1.5%以内,传感器测得饱和氧浓度铅铋合金中氧浓度与理论值最大相对误差仅为-3.65%;在300~350℃低温区间传感器仍保持准确性,在300℃,传感器电动势相对误差在±1%内,氧浓度相对误差为0.56%;恒温阶段传感器信号波动小于2mV。

微流体惯性过滤器的参数优化与数值模拟

气溶胶的过滤效率和压降是衡量安全壳过滤排放系统中过滤器性能的重要指标。过滤排放系统内过滤器的过滤效率与众多因素有关,并且各因素对过滤效率和压降的影响程度不同。选取转折角、截面长度、管长和气流速度4个主要因素进行了优化研究,旨在分析各因素对过滤效率和压降的影响程度,并对微流体惯性过滤器的工艺参数进行合理的设计。运用正交试验原理,对4个因素的16组试验方案,进行了相关的数值模拟试验。基于试验结果,运用正交试验法中的极差分析法和方差分析法对4个因素进行详细的分析。结果表明,气流速度、截面长度、转折角对过滤效率的影响特别显著,均满足F>F_(0.01);气流速度对压降影响显著,满足F_(0.01)>F>F_(0.05)。该研究可为过滤排放系统中过滤器的设计提供指导和参考。

微流体惯性冲击器过滤性能模拟计算

用微流体惯性冲击器收集μm尺寸气溶胶颗粒是一种新型的过滤方式,弥补了现有过滤收集方式的不足,已有学者进行了可行性论证,但气流在现有的T型惯性冲击器内压力损失较大且冲击器的加工工艺较为繁琐。本文设计并研究了一种新型微流体惯性冲击器,采用CFD软件对微流体惯性冲击器的过滤性能进行了数值模拟。建立了数学模型,对气相采用层流模型,对颗粒相采用离散相模型(DPM)。通过模拟计算,分析了不同尺寸的微流体惯性冲击器对粒子收集效率的影响。结果表明,冲击器转折角和尺寸D对收集效率均有较大影响:转折角越小,收集效率越高;当D≤1/2时,效率曲线基本不变。

铅铋合金固态氧控旁路性能影响因素研究

求解复杂的几何结构体内长时段瞬态氧浓度时,点堆模型比计算流体动力学(CFD)方法具有明显计算优势,未来能更好地移植到模型预测系统中。本研究结合液态铅铋合金(LBE)腐蚀经验公式与氧化铅(PbO)溶解模型,同时基于点堆模型并使用汇编语言编程,研究CRAFT回路的氧控旁路性能的影响因素。分析了主回路质量流量、氧控旁路质量流量与主回路质量流量比、质量交换器(MX)内温度、PbO装量的影响。研究表明主回路质量流量、PbO装量与回路建立平衡的时长及平衡氧浓度值正相关,氧控旁路质量流量与主回路质量流量比与其反相关,而MX内温度与平衡氧浓度值正相关。因此,可通过提升氧控旁路与主回路的流速比提高控氧性能,MX的运行温度和氧化铅装量应与回路匹配。