燃料包壳表面沉积层对汽化核心密度影响的实验研究

燃料包壳表面沉积层在压水堆常规运行中形成,其对包壳沸腾传热的影响尚不清楚。为了探索包壳表面沉积层对汽化核心密度的影响规律,本文基于常压下的流动沸腾可视化实验台架,以锆-4合金为基板,采用逐层沉积的方法形成不同厚度的SiO_(2)沉积层,通过开展流动沸腾实验对比不同沉积层厚度下的汽化核心密度差异。研究发现,SiO_(2)沉积表面与未沉积表面相比汽化核心密度增大,Koncar模型可较好地预测本实验工况条件下的汽化核心密度。

基于多孔介质方法的铅铋螺旋管式直流蒸汽发生器设计优化研究

本文提出了基于多孔介质方法,铅铋螺旋管式直流蒸汽发生器开展数值模拟,并通过与三维数值模拟结果的对比验证了多孔介质模拟方法的正确性。基于此方法,对给定工况条件的铅铋螺旋管蒸汽发生器开展了设计研究。在1.5 MW功率目标下,发现四层螺旋管的布置方式具有最优综合性能。在此基础上,通过综合性能评价指标对不同工况条件下不同几何参数的螺旋管蒸汽发生器开展性能评价,并运用多元线性拟合探究在工况以及几何范围内综合性能最佳的几何模型,最高性能提升达到3.37%。本研究为铅铋螺旋管式直流蒸汽发生器数值模拟及设计优化提供新的方法参考。

一种简化的高温热管启动模型

热管堆具有体积小、结构紧凑、功率密度高和固有安全性好等优点,被认为是深空和深海任务中最有前途的候选之一。为了研究其启动特性,建立兼顾计算精度及求解效率的热管启动模型至关重要。本文在充分考虑吸液芯区工质的熔化及气液界面处的蒸发和冷凝现象的基础上,建立了基于二维导热的热管壁和吸液芯区热阻网络模型。对于蒸汽区,基于尘气模型(DGM),研究分析了两种不同模拟方式的求解精度和计算效率。通过对不同碱金属热管实验的模拟,验证了模型的准确性。结果表明,模型能较好地模拟高温热管的启动特性,简化的等效热阻模型具有更高的计算效率,其更适合于热管堆系统的启动特性模拟。

小型堆中窄矩形通道自然循环临界热流密度实验研究

针对窄矩形通道在换热过程中有较高功率密度的问题,本文为了解决在小型反应堆中的应用,采用所搭建的小型窄矩形自然循环通道,进行实验研究,并结合BP神经网络方法对实验数据进行预测,分析在不同参数工况下临界热流密度随不同参数的变化情况以及不同参数对临界热流密度的影响程度。研究结果表明:质量流量与系统压力对临界热流密度点的影响呈现正相关;出口干度对临界热流密度呈现负相关;且质量流量对临界热流密度的影响程度最大;压力对临界热流密度的影响程度最小。利用相关实验数据,基于影响因素大小,通过BP神经网络方式,建立了适合于自然循环窄通道小堆的模型。BP神经网络算法的预测值与实验值符合良好,误差为10%;Katto模型与实验数据相比误差较大,Zhang公式和拟合公式的误差较小,所建立的临界热流密度模型可作为窄矩形通道自然循环临界热流密度的计算公式。

压水堆一回路注锌的热力学与动力学特性

堆芯腐蚀产物沉积会引起垢致功率偏移和垢致局部腐蚀,威胁反应堆的安全性和经济性。根据反应堆运行经验,注锌能有效缓解堆芯腐蚀产物沉积,但锌在一回路中热力学平衡、动力学置换和质量平衡理论尚不清晰。基于此,本文从理论机理和数值计算分析的角度分析一回路中锌的平衡与热力学动力学行为。理论分析表明,锌在冷却剂水化学条件下主要以氢氧化锌形式存在,锌对反尖晶石中二价离子的置换能力可以结合锌浓度与水解化学平衡进行求解。数值分析表明,模型预测值与核电站观测值有良好的吻合度,逐步降低注锌量是维持锌浓度在特定最优化范围内的有效手段,注锌有效缓解腐蚀释放的程度可达约50%,注锌后的污垢厚度约为注锌前的42%。本文研究结果能为核反应堆采取最优化注锌技术提供理论支撑。

基于多物理耦合的高温热管流动传热和力学特性研究

研究高温碱金属热管内工质的流动、传热和力学特性,对热管冷却反应堆的安全具有重要意义。本文采用COMSOL Multiphysics有限元软件构建了高温碱金属热管的多物理耦合模型,针对热管内工质的流动传热特性以及管壁的热膨胀效应进行了数值模拟研究。结果表明:本文模型的计算结果与实验值的相对误差小于1%,可准确模拟高温热管的流动传热特性;在额定功率下,沿轴向的压力梯度和温度梯度较小,说明热管具有较好的等温性,但相比于冷态有最大1.75%的总形变;热管的传输功率提高会显著影响热管内工质的运行状态,同时加大热管的形变量。

基于有效介质理论的碳化硅复合包壳管热导率计算模型

核燃料包壳热导率是核燃料元件传热性能研究和核安全设计的重要参数,SiC复合包壳的双层结构和其内层的SiC/SiC复合材料特性增加了预测包壳导热性能的复杂性。为预测双层SiC复合包壳及内层复合材料热导率,基于Markworth有效介质理论,考虑孔隙率、温度、中子辐照等因素对SiC/SiC复合材料热导率的影响,在Markworth有效介质理论模型的基础上进行修正,计算了第二代、第三代SiC纤维增强的不同类型SiC/SiC复合材料热导率,并建立了双层SiC复合包壳热导率计算模型,初步预测了核电厂稳态运行期间双层SiC复合包壳的热导率。计算结果表明,核电厂稳态运行4个月后,辐照肿胀变形达到饱和,含第二代纤维的包壳热导率为3.9 W/(m·K),含第三代纤维的包壳热导率为4.8 W/(m·K)。

自然循环工况下蒸汽发生器传热管一、二次侧温差估算

为确保事故后的堆芯冷却,建立数学模型对自然循环工况下蒸汽发生器传热管一、二次侧温差分布情况进行计算,并研究自然循环流量、衰变热水平、二次侧压力等对温差分布的影响。本实验结果可为蒸汽发生器传热管应力分析提供输入,为制定合理的事故处理策略提供依据。

非能动安全壳冷却系统DBC工况下流动传热特性研究

拓展非能动安全系统的应用场景、简化安全系统及支持系统的设计、提高电厂经济性是三环路压水堆优化创新的主要方向之一,使用非能动安全壳冷却系统(PCS)应对设计基准工况(DBC)是重要技术选项,在DBC工况下利用PCS有效导出安全壳内热量,使安全壳内温度、压力及相应的放射性释放满足限值要求。本文基于三环路压水堆开式非能动安全壳冷却系统,采用RELAP/SCDAP-SIM程序建模,开展该系统在DBC工况下的流动传热特性研究,分析影响该系统应对DBC可行性的关键因素。研究结果表明,在不改变换热器形式的情况下,为了应对DBC工况,换热器传热管数量与严重事故工况相比将增加约2.5倍,该系统在安全壳内的布置成为限制其可行性的关键因素。传热管管径和壁厚对系统自然循环能力和导热功率影响较小。系统冷热芯位差不能过高,否则无法建立有效的自然循环。蒸汽冷凝换热系数是系统导热功率的关键影响因素,有必要开展在DBC环境条件下安全壳内蒸汽冷凝换热实验,获得与真实条件更加符合的换热系数。本文研究成果为PCS应对DBC相关的系统、换热器设计及工程验证提供参考。

安全壳隔间壁面冷凝诱发的氢气分层行为研究

为了评估安全壳隔间冷壁附近的蒸汽冷凝对氢气聚集风险的影响,本研究采用数值模拟的方法对局部隔间内含氢混合气体的迁移和聚集现象开展分析。结果表明,在足够高的氢气和蒸汽浓度条件下,蒸汽冷凝会诱发近壁区的混合气体形成浮力流。当隔间内释放气体的Fr小于临界值时,高浓度的氢气会在近壁区浮力流的驱使下聚集于隔间顶部;反之,隔间内的氢气会被混合均匀。当冷凝诱发浮力流的组分浓度被满足,蒸汽冷凝会增强安全壳局部隔间内高浓度氢气聚集的稳定性,隔间内氢气分层所需的临界Fr明显高于无冷凝条件。本文研究结论可为核电站严重事故下的氢气安全行为提供理论参考。

双模式热管堆电热原理样机设计及验证实验研究

固态热管反应堆是未来新型装备最佳能源动力解决方案之一,然而其关键技术尚未成熟,可行性及可靠性有待近一步研究。本文提出了动静结合双模式热管堆概念设计,搭建了“模拟堆芯-高温热管-斯特林-温差发电”一体化集成实验装置,利用紫铜基体及加热棒模拟反应堆堆芯,利用弯折高温钾热管实现堆芯冷却及能量传输过程,利用斯特林热电转换装置及碲化铋温差发电元件实现动态/静态热电转换过程,验证了双模式热管堆技术的可行性。实验结果表明,所研制的弯折高温钾热管符合设计需求,输入功率为878 W时,热管轴向壁面温差低于60 K,不凝气体段长度小于5 cm。对于碲化铋温差发电器件,输入功率为4.2 kW、热端温度为310℃、冷端温度为20℃时,30片热电器件共发电102.6 W,热电转换效率为2.44%。对于斯特林发电机,输入功率为3.3 kW时,发电功率为429 W,热电转换效率为13.1%。本文结果可为双模式热管堆概念设计及研制提供实验数据支撑。

小管径管束外含空气的蒸汽冷凝传热特性分析

针对空气-蒸汽冷凝高效排热问题,本文采用CFD方法进行了小管径管束外冷凝传热特性分析。通过对不同管束结构进行建模并对管径为d、3排多列管等典型结构的综合分析发现:管间距较小时(≤2 d),空气层的叠加效应是影响小管径管束冷凝传热的关键因素,冷凝换热系数略低于大管径管束且明显低于单管。大管间距(>2 d)条件下,管束抽吸效应成为主控因素,使小管径管束冷凝传热系数高于大管径管束,甚至超过单管起到强化传热作用。管束结构布置方案对空气-蒸汽冷凝传热特性同样具有显著影响。

车载运动条件下铅铋堆LESMOR热工安全特性分析

本文基于车载运动条件下非惯性系动量方程推导,建立运动条件附加力模型,并运用铅铋快堆瞬态热工水力分析程序LETHAC展开车载铅铋快堆LESMOR系统运动条件热工安全特性分析。研究表明,坡道行驶、垂直振动、俯仰振动及垂直耦合俯仰振动运动条件下,系统自然循环流量显著下降,但不超过30%;包壳和燃料温度上升,但不超过4℃,最高分别达411.3、442.4℃,远低于瞬态运行安全限值。LESMOR系统在汽车正常行驶和可能出现的极限行驶范围内都能保持稳定安全运行。本文提供车载运动条件下反应堆系统热工安全特性分析方法,具有一定的参考意义。

不同管径管外含空气/CO_(2)蒸汽冷凝传热特性分析

当反应堆发生严重事故时,堆芯熔融物可能与安全壳中的混凝土发生相互作用,产生大量CO_(2)并释放到安全壳的气空间中。为了研究CO_(2)对安全壳内蒸汽冷凝的影响,本文采用数值模拟的方法对不同管径条件下竖直圆管外含空气/CO_(2)的蒸汽冷凝传热特性进行了数值模拟分析,考察了CO_(2)浓度的变化在不同条件下对含不凝性气体的蒸汽冷凝的影响。研究结果表明:在不同管径条件下,CO_(2)的存在都会增大冷凝传热系数,提升幅度可达30%以上。此外,传热管管径与CO_(2)的引入都不会改变局部冷凝传热系数在传热管轴向上的分布趋势,即由传热管顶部至底部,局部冷凝传热系数先迅速降低后缓慢增大。

大管径管束外含空气的蒸汽冷凝传热特性分析

管束外含大量空气的蒸汽冷凝传热是非能动安全壳热量导出系统运行过程中的一个重要现象,它直接影响该系统向外界导出热量的效率。本文采用数值模拟的方法对大管径管束(d=38 mm)外含大量空气的蒸汽冷凝传热特性进行了分析。结果表明:此工况下,顺排管束的平均传热系数优于叉排管束,且提高幅度随管间距的增大而减小;管束的平均换热系数随管间距的增大而增大,在管间距为3 d时,除管束中心的3根传热管外,其余传热管上的冷凝换热系数均大于单管。

非均匀加热工况高温平板热管的稳态性能研究

高温平板热管(热板)与板式燃料元件紧密贴合构成的堆芯具有结构紧凑、接触热阻小、可在多种工况下稳定运行的特征。为研究热板用于堆芯冷却的可行性,基于COMSOL软件建立了热板三维热-流-固耦合分析模型,与文献实验参考值比对,相对偏差在5%之内,证明了该模型方法的可行性和正确性;基于模型分析了一种干道式复合吸液芯结构的合理性,以及非均匀加热对平板热管稳态传热和力学性能的影响。研究表明,复合吸液芯通过改变液体回流路径,有效降低了流动阻力,使热板轴向高热流密度稳定传热;非均匀加热条件下,平板热管仍能保持良好的传热性能和均温性;非均匀加热会增大热板壳体的热应力,但不会超过材料的应力限值;平板热管满足堆芯冷却的基本需求。

液态铅铋合金自然循环实验与数值模拟

铅铋合金(lead-bismuth eutectic,LBE)自然循环流动与输传热特性的研究,对自然循环铅铋快堆的设计运行、提高反应堆自然安全性能有重要意义。为进一步探究铅铋合金的自然循环流动传热特性,本文基于自然循环理论分析,并结合其他冷却剂介质(钠、水),对比研究了LBE自然循环稳态流动与输传热行为规律与特点;同时基于LBE自然循环瞬稳态实验,对快堆系统分析程序FRTAC模拟LBE瞬、稳态自然循环的适宜性进行了初步验证;基于FRTAC程序计算,量化分析了不同运行工况、回路流道结构参数和回路阻力等因素对LBE自然循环的影响。结果表明,不同因素对LBE自然循环的影响程度不同,不同的回路运行温度水平对自然循环流动特性影响较小,而传热特性受回路不同运行温度水平影响的敏感性相对较大;自然循环高度(冷热心位差)对自然循环质量流量影响较显著。此外,回路整体管径增大将导致循环质量流量增加,加热区内温升与换热温差降低。

血液灌注式亚低温治疗人脑降温过程的数值研究

亚低温治疗作为一种常用的术中保护患者神经组织的手段,目前在临床上已经得到了一定的应用。对比传统的冷冻头盔和鼻咽冷却等手段,低温血液灌注被认为是一种很有前景的亚低温治疗方案,但该方案缺乏实验和理论验证其降温效果。该研究通过商用有限元仿真软件COMSOL将Pennes方程与简化的脑血管网络模型相结合,构建了全新的简化人脑模型;并进一步利用该模型模拟了脑部低温血液灌注的降温过程。仿真结果表明,当灌注的低温血液为33℃时,人脑可以在4 min左右进入亚低温状态。通过与头盔式降温相比,验证了血液灌注方案的可行性和高效性;通过与基于Pennes方程的计算结果相比,验证了所构建模型的合理性。该模型具有无创预测患者术中脑部温度变化的潜力,为血液温度等治疗参数的设定提供参考,从而有助于个性化实现更加安全有效的亚低温神经组织保护。

垂直上升两相流漂移流模型研究

漂移流模型在两相流空泡率计算中处于非常重要的地位,长期以来,研究者对模型中分布参数及漂移速度的确定持不同的观点。本文采用理论分析与实验研究相结合的方法,总结了分布参数和漂移速度的一般规律,提出了垂直上升两相流漂移流模型分布参数和漂移速度必须满足的限制条件,根据理论分析以及实验数据的验证,得出了漂移流模型推荐关系式。

环形狭缝通道内沸腾换热传热特性的实验研究

对环形狭缝间隙为 1 0mm ,低质量流量下 ,狭缝内流动沸腾换热的传热特性进行了实验研究。实验以去离子水为工质 ,实验压力范围为 :1 5 5～ 3 72MPa,质量流量的范围是 :9 5 3～ 1 9 65kg/h。实验研究结果表明 :1 以Jens lottes公式对实验数据进行整理 ,得到的公式中的系数明显增大 ,而以Chen公式对实验数据进行整理 ,得到的公式中的系数则有所减小 ,说明此时环形狭缝间隙内的流动沸腾换热很可能是泡核沸腾和两相强制对流共同起作用的结果。 2 在实验所做的参数范围之内 ,内管的传热系数比外管的高。