摇摆条件下棒束通道自然循环换热特性实验研究

棒束燃料组件是浮动堆的燃料形式之一,浮动堆在运行期间受风浪等影响会发生起伏、摇摆等运动,导致系统流量、压降等热工参数发生周期性波动,影响棒束通道内流动换热特性。针对摇摆条件下自然循环系统棒束通道传热问题,开展了摇摆运动工况下棒束通道换热特性实验研究。结果表明:摇摆运动会增强系统平均换热性能,使得平均换热系数发生周期性波动,功率越高,相对波动幅度越小;对于子通道局部换热特性,其受二次流影响较大,以通道中央为轴,摇摆运动会增强靠近摇摆轴一侧子通道内局部换热性能,降低远离摇摆轴一侧;功率越大,子通道局部换热系数波动越小。

基于深度确定性策略梯度算法的自适应核反应堆功率控制器设计

核电厂需要大量控制系统来实现系统有效控制与安全运行,其中核电站堆芯是放射性核燃料热源的关键部件,反应堆功率控制关系到核电厂运行的安全性与经济性。为解决传统PID控制器难以准确应对非线性、大功率范围的功率控制问题,本研究以某压水堆核电厂为对象推导并建立了反应堆堆芯模型,采用基于策略梯度的深度强化学习方法与PID控制器结合建立的自适应控制器进行功率控制仿真。仿真结果表明:相较于传统PID控制器,所设计的基于深度确定性策略梯度算法的自适应功率控制器,响应速度更快、控制精度与稳定性更高,同时具有较高的鲁棒性,可以准确快速地控制堆芯功率,跟踪负荷变化。

超临界二氧化碳破口喷放特性数值分析

超临界二氧化碳布雷顿循环系统在发生小破口事故时破口位置处因系统内外压差出现的复杂喷放现象尚未研究清楚。为探究不同上游滞止参数与管道长径比对喷放特性的影响,本文采用数值模拟方法开展三维压力容器小破口喷放现象研究。研究结果表明:上游滞止压力升高或滞止温度降低引起质量流量增加,长径比增加时质量流量减少。上游滞止参数对流量的影响机理主要是参数变化引起密度发生较大改变从而影响喷放质量流量,管道长径比对流量的影响主要因为直径的变化。滞止压力升高时3组工况流量增加值相差5.3%,滞止温度降低时3组工况流量增加值相差90.7%,相比于压力对喷放流量的影响,温度对流量增加速率影响更为显著。

超临界CO_(2)印刷电路板换热器热工水力特性研究

对于超临界CO_(2)布雷顿循环中的印刷电路板换热器,其复杂结构与工作介质的特殊物理性质将导致集总参数方法出现较大的计算误差。为提升印刷电路板换热器的换热参数的计算精度,本文基于Modelica语言,采取分节点建模方法,开发了印刷电路板换热器的热工水力特性计算程序,对其稳态运行时的换热参数进行了分析。结果表明:印刷电路板换热器的通道内超临界CO_(2)的对流换热系数沿流动方向发生显著变化。与设计值相比,分节点计算程序的最大相对误差小于3%,计算精度相比于集总参数方法显著提升,因此有必要采取分节点计算方法以提高计算精度。研究结果可为超临界CO_(2)布雷顿循环系统中印刷电路板换热器的设计和仿真提供参考。

摇摆条件下棒束通道自然循环核热耦合特性实验研究

为研究海洋条件下核热耦合对棒束通道自然循环热工参数波动特性的影响,在机械摇摆台上设计并搭建了5×5棒束通道自然循环实验回路。基于单群点堆中子动力学模型,通过实时采集热工参数并计算实时核功率,实现了运动-热工-物理的耦合。对棒束通道单相自然循环核热耦合的瞬态特性进行了实验研究,研究结果显示:在静态工况下,核热耦合使得系统功率发生小幅度波动,当温度反馈系数低于-5×10^(-4)℃^(-1)时,燃料温度反馈对功率的影响比冷却剂温度反馈更大。核热耦合对热工系统的时均参数无显著影响,增大燃料温度反馈系数会降低系统的稳定性。在摇摆运动工况下,摇摆幅度越小或摇摆周期越短,核热耦合引入的功率波动幅度就越小。此外,在摇摆运动启动的瞬态过程中,核热耦合使得系统重新建立稳定自然循环的时间大幅延长。

基于值学习与策略梯度的深度强化学习在核工程领域的适配性分析

深度强化学习能够实现端到端处理,将高维度的原始输入数据直接转化为输出动作。深度强化学习按照间接和直接的策略优化方式,主要可分为基于值学习和基于策略梯度的两类方法。二者因原理不同,在解决问题的能力和适用场景上存在差异。核领域中的决策问题状态参数维度高,同时决策参数与状态参数之间存在强非线性关系,是深度强化学习的潜在应用场景。本文从强化学习的基本原理出发,归纳了基于值学习和基于策略梯度的强化学习方法的机理差异,并结合目前研究现状对两类方法在核工程领域可能的应用场景进行了深入分析。最后,总结了深度强化学习在后续应用中所面临的挑战及应用趋势。

棒束子通道空泡份额及相界面浓度分布特性实验研究

棒束通道相态分布特性对反应堆内传热传质及流动阻力具有重要影响。本文对5×5棒束通道空气水两相流开展实验研究,采用四头电导探针测量了子通道内部的空泡份额、相界面浓度、气泡直径、气泡速度等相界面参数的局部分布。结果表明,气泡受横向作用力的影响,在子通道内会形成两种典型分布,随液相流速升高和气相流速降低,轴峰分布逐渐转变为壁峰分布;不同类型子通道空泡分布不均匀,中心子通道受壁面影响较小,气泡数量最多,边通道和角通道几乎被液相占据;本实验工况下,现有的空泡份额和相界面浓度计算关系式预测性能良好,平均最小误差分别为±18.2%与±12.2%。

整体试验台架非能动换热器的比例模化及设计

针对整体试验台架中非能动换热器(PHX)的缩比设计问题,本文对不同核电堆型、不同事故中PHX的工作特点进行了分析。通过建立PHX控制方程并进行模化分析,获得了PHX模拟体与原型PHX之间应满足的通用相似准则,确定了缩比PHX参数设计应满足的比例关系,并以ACME台架为例进行了缩比PHX的模化设计和失真评估。结果表明:通流面积比和热源数是整体台架PHX设计应遵循的主要相似准则,浮升数和阻力数主要通过PHX系统回路阻力调节来满足;根据通流面积比和热源数相似准则设计的PHX可以满足整体台架对破口和非破口等不同类型事故的模拟要求,且具有较小的比例失真。

交叉学科在通识教育中的探求——以走进海洋之“三海一核”课程为例

社会发展和科学技术进步促进了学科之间相互融合与渗透,交叉学科正逐渐成为科学发展的主流。大学教育应该适应社会发展和科技进步的需要,构建合理的课程体系,使其符合大学通识教育课程的培养目标,同时能够体现学科交叉与融合,促进学生的全面发展,提高学生综合素质和能力。

棒束通道内温度场分布特性研究

可视化实验技术越来越多地被应用于核反应堆系统参数的测量,本文基于激光诱导荧光(LIF)技术的特点,介绍该技术的难点和解决方案,并对棒束通道定位格架下游稳态流和脉动流下温度分布进行了研究。结果显示,通过对系统光学特性和染色剂特性研究,可提高LIF技术的应用范围和测量精度。同时采用后处理技术,可获得更准确的温度场分布。通过对棒束通道定位格架下游全场温度进行测量,获得了稳态流和脉动流两种工况下温度的分布。定位格架能显著增强下游的流动搅混,提高换热能力。流速的波动也会对温度分布产生显著影响。研究表明,LIF技术可实现对棒束通道内流体温度分布的全场测量,根据温度分布特性研究可实现对定位格架性能的评价。

低压低流速条件下的过冷沸腾换热特性

为探究低压低流速条件下的过冷沸腾换热特性,开展本实验研究。通过分析实验中采集的热工参数和可视化图像,探究了沸腾滞后现象、沸腾失稳现象以及沸腾换热特性。实验发现沸腾起始点壁面过热度较高,而沸腾的发生大幅提高了换热系数,因此出现了显著的沸腾滞后现象。实验中较为光滑的加热面可达到较高的过热度,而低压下快速产生的气泡尺寸较大,在较低的热流密度下气液界面发生剧烈变化,使气泡破裂为多个小气泡并成为核化点。在过冷沸腾换热系数的预测中,Dittus-Boelter对流换热关系式不再适用,采用Hallman关系式和Gnielinski关系式计算对流换热系数,并引入壁面过热度对池式沸腾换热系数进行修正,可使过冷沸腾换热系数的预测精度大幅提高。

竖直下降两相流相界面结构输运特性

竖直下降两相流具有与竖直上升两相流不同的相界面结构特征及输运特性。本文对竖直下降管内的气水两相流进行了实验研究,运用微型四头电导探针对7.5、31.5及55.5倍管径横截面处的空泡份额、相界面浓度、气泡直径、气泡频率及气泡速度等相界面结构参数的局部分布进行了测量。分析获得了相界面结构参数的沿程变化规律,并研究了气相表观流速对相界面结构发展的影响及一维相界面结构输运特性。发现竖直下降泡状流的升力指向管中心,导致相界面结构参数基本呈中心峰值分布;气相表观流速的增大会提高空泡份额和相界面浓度分布的峰度;竖直下降两相流在距入口31.5倍管径处基本达到充分发展。

钠冷快堆直流蒸汽发生器跨尺度耦合分析

直流蒸汽发生器(OTSG)中存在全流型沸腾换热、两侧耦合换热及结构复杂且尺寸跨度大等特征,使得采用计算流体力学(CFD)与三维精细化建模方法分析包含大规模换热管束的OTSG三维温度场时面临计算难度高、求解效率低和求解稳定性差等问题。本文基于全流型沸腾传热模型与流型判别模型,以印度快堆直流蒸汽发生器测试模型(SGTF)为研究对象,建立了管侧从过冷水到过热蒸汽的一维全流型沸腾传热模型及其与壳侧三维精细化CFD模型的跨尺度耦合求解模型,实现了OTSG每根换热管与壳侧三维流体域的独立耦合,并开展了堵管分析。通过与实验数据的对比分析验证了该方法的有效性。研究结果表明:采用管侧一维全流型沸腾传热模型与壳侧三维CFD模型的跨尺度耦合方法,可准确预测每根换热管全高度上的温度分布及主要传热特征点,能获得不同换热管及管壁之间的温度差,且易于实现堵管分析;跨尺度耦合求解方法避免了直接采用三维多相流模型,大幅提高了OTSG三维温度场的求解效率及稳定性。本文研究为OTSG的设计与安全校核提供了一种高效的三维精细化数值分析方法。

直接布雷顿循环气冷反应堆系统运行特性分析

基于Matlab/simulink程序,针对小型直接布雷顿循环反应堆系统,通过模块化思想建立该系统数学物理模型,开发了系统分析程序。通过改变反应堆、透平、压缩机、换热器等关键设备的运行参数或引入阶跃扰动,模拟了系统稳态工况与瞬态变工况运行,得到了关键设备功率、进出口压力、温度等关键参数的变化曲线。结果表明,系统分析程序对小型直接布雷顿循环反应堆系统稳态与瞬态运行特性的模拟结果较合理,能为小型直接布雷顿循环反应堆系统的设计、优化与安全分析提供依据。

平面激光诱导荧光法硼浓度分布特性研究

针对高浓度硼酸溶液进入反应堆压力容器后的对堆芯安全性的影响,本文应用平面激光诱导荧光技术对压力容器环形下降段内流体混合过程进行了实验研究和理论分析。通过平面激光诱导荧光技术对流体混合过程及浓度场分布进行定量的可视化测量,采用标定法测量了不同流速下观测区域内浓度场分布状况。实验结果表明:当安注速度较大时,同一截面上浓度分布趋于均匀;质量力会引起硼溶液在竖直方向的扩散,造成安注口下方流道截面的混合程度相比于其他位置更好。

棒束通道内定位格架搅混特性PIV可视化研究

定位格架作为燃料组件中重要的组成部件之一,不仅在结构上固定燃料棒,而且在燃料组件内热工水力性能同样显著,特别是对工质的搅混性能直接关系到反应堆的经济性和安全性,因此有必要对燃料组件内定位格架搅混特性进行研究。本文通过粒子图像测速(PIV)技术开展了棒束通道内定位格架上下游流场的可视化研究,对比了有无格架棒束通道内流场的分布特征,定量分析了定位格架对棒束通道流场搅混的贡献。对不同流速下定位格架下游横纵速度的沿程变化特性进行研究,发现了不同流速作用下定位格架对横向、轴向速度的促进和抑制规律。另外,通过速度均方根对下游的湍流特性进行了评估。实验结果可为数值计算提供全场的数据验证,并可为定位格架设计和优化提供基础。

脉动流下棒束通道内相位差及瞬态流场研究

事故条件及海洋条件下反应堆处于非稳态工况,堆芯燃料组件内热工水力行为具有瞬变及多因素耦合特性,对反应堆的安全提出更高挑战,因此有必要对燃料组件内瞬态特性进行研究。本文通过测量棒状燃料组件内压降和流量之间延迟时间开展棒束通道脉动流条件下相位差研究,对比了相位差在不同振幅、不同流动状态下的变化特性,并分析了定位格架对脉动流相位差的作用特点。另外,基于粒子图像测速(PIV)技术开展了脉动流条件下棒束通道内流场分布特性研究,对比了相同流量条件下稳态工况与瞬态工况下流场分布差异,分析了主流具备不同加速度时棒束通道内流场分布特征。实验结果表明:定位格架可减小脉动流下棒束通道内相位差;棒束通道内流场演化滞后于主流量变化。实验结果有助于揭示燃料组件在非稳态条件下瞬态特性,并为燃料组件的设计和优化奠定基础。

堵流工况下氦氙混合气体流动换热特性

为研究堵流工况下氦氙混合比例对堆内通道流动换热特性的影响,本文对单通道在不同阻塞率、不同氦氙混合比例下进行了数值模拟。本文使用商用数值计算软件,建立不同阻塞模型,计算不同氦氙混合比例下通道流动换热特性。结果表明:换热特性方面,通道堵塞会在堵塞区域形成明显涡结构及边界层分离现象,导致壁面局部高温,而阻塞率对通道对流换热系数几乎没有影响;流动特性方面,随着阻塞率增大,压降及摩擦阻力系数呈增大趋势,而随氦氙混合比的增大呈同样变化趋势;综合性能系数随氦氙混合比例呈下降趋势,而随着阻塞率增大综合性能系数值越小,阻塞率越大对通道流动换热特性影响越明显。

棒束通道温度场可视化实验研究

基于激光诱导荧光技术,对带定位格架棒束通道的温度场进行了可视化实验研究。采用折射率匹配技术,搭建可视化实验系统,提出适用于棒束通道温度场点对点标定的关系式,利用此关系式对定位格架下游温度场进行了重构。实验结果显示,采用激光诱导荧光技术可获得定位格架下游全场温度分布。分析了不同加热形式、流量和热流密度对温度分布的影响,并采用轴向流体温差和温度分布不均匀性定量评价了定位格架下游的搅混能力。在定位格架下游0~4 Dh范围内,搅混性能逐渐增大,在4 Dh后会随高度的增加逐渐减小。结果表明,激光诱导荧光技术可适用于棒束通道温度场的非介入式、全场测量,有助于对相应程序的验证和定位格架搅混性能的评价。

激光诱导荧光技术对棒束通道内定位格架搅浑特性研究

基于激光诱导荧光(LIF)技术开展了5×5棒束通道内定位格架搅浑特性的可视化研究。常温常压下,通过示踪染色剂(RhB)浓度分布表征流体微团的搅浑行为,清晰展现染色剂溶液在定位格架作用下的搅浑扩散过程,获取格架下游流场的搅浑信息。采用自验证方法分析验证LIF技术测量的准确性,重构棒束通道内径向与轴向染色剂浓度分布,对比带定位格架与不带定位格架的实验结果,得到定位格架对其下游流场的影响范围及不同棒束子通道所受搅浑程度的差异,并以变异系数量化格架对流场搅浑性能的强弱。实验结果表明:定位格架能快速搅浑流动工质,其搅浑翼片分布形式的差异是造成不同子通道交叉搅浑强弱及各向异性的主要原因。本实验工况(Re=10 478)下,格架对其下游流场的作用范围约为8倍当量直径(Dh),流动工质在格架下游5 Dh附近所受搅浑最为剧烈。