Simulation and model design of pipe-shell reactor for the direct synthesis of dimethyl ether from syngas

The simulation was made based on the model of pipe-shell reactor that was established by the model of global kinetics of synthesis of dimethyl ether from syngas over a bifunctional catalyst. The results of simulation showed that the selectivity for dimethyl ether （DME） and the conversion of CO were higher but the hot spot was kept below the temperature limit of the pipe-shell reactor. The suitable diameter of the pipe was φ38×2 mm, and the length of the pipe was 5.8 m. The optimal process conditions of the reactor were that the pressure was 5 MPa, the temperature of the cooling water was 240 ℃, and the temperature of the raw gas at inlet of the reactor was 220 ℃. The production of this reactor was 102800 t/y （ton per year） under these conditions.

热管堆单根热管失效事故瞬态数值分析研究

热管冷却反应堆(热管堆)如果发生单根热管失效事故,可能会超过热管最大允许温度和功率并出现级联失效。本文以热管堆堆芯为研究对象,通过建立单根热管失效事故瞬态计算模型,利用ANSYS Mechanical APDL程序对不同工况单根热管失效事故进行了瞬态数值分析研究。结果表明:最恶劣工况是处于靠近外围热管失效的工况,基体最高温度为1314.16 K,芯块中心最高温度达到1352.49 K,热管最高工作温度为1149.84 K,均未超出容许工作温度限值,约123 s达到新的稳态;在最恶劣工况下,靠近中心的热管最高功率为83709.87 W,未超出热管传热极限范围,并能顺利达成新的稳态进行工作,不会有整体级联失效的风险。本文结果可为该堆型的设计提供热管失效事故的参考,并为堆芯结构设计奠定基础。

深空轻质长寿热管堆电源方案研究

针对中国深空探测任务对电源的长寿命要求,选择非能动、高可靠的热管堆作为电源技术路线;为满足电源的轻质要求,选择高铀密度且具备足够高温力学性能及辐照稳定性的铀钼合金作为反应堆燃料;热传输选择海恩斯合金包壳的钠热管,热管布置于燃料内部,两者之间可采用钎焊或液体界面扩散的集成方式;热电转换选择长寿命且具备丰富成功经验的静态温差转换,转换材料选择温度适宜且高效率的半赫斯勒;为实现超长寿命的反应堆控制,提出了可燃毒物控制和多种提升堆芯负温度系数的创新型、非能动控制方案。最终电源方案预计可满足中国深空探测任务需求。

热管冷却反应堆系统研究进展和挑战

热管是一种高效的非能动热量传递元件,热管冷却反应堆核动力系统在多场景特种应用领域具备独特优势。本文概述了热管冷却反应堆特种核动力系统发展情况。首先介绍了热管冷却反应堆概念提出以及在海陆空天等领域的应用场景分析,同时总结了国内外典型堆型的发展现状。其次探讨了当前热管冷却反应堆面临的关键技术挑战,包括高性能材料研究、高性能热管研制、高效能量转换技术研究、设计分析技术研究。最后对未来发展趋势进行了分析和展望,强调了整体系统一体化研制、发电器件特性研究以及智能自主控制技术在热管冷却反应堆领域的重要性。本文的系统性总结将推动热管冷却反应堆技术的进一步发展,为未来特种核动力系统的应用提供重要支持。

温差热电转换型空间热管冷却反应堆瞬态分析程序开发及验证

热管冷却反应堆采用固态堆芯设计、高温热管传热,具有结构简单、非能动、高可靠性等优点。为研究温差热电转换型空间热管冷却反应堆电源系统的瞬态特性,本文针对该型电源系统中最主要的系统(包括堆本体、高温热管、温差热电转换系统)建立了详细的数学物理模型,并开发了系统瞬态分析程序,其中堆本体模型基于OpenFOAM进行模块开发,耦合了点堆动力学模型和反应性反馈模型。通过文献和试验数据分别验证了高温热管及温差热电转换模型,结果与参考值符合较好,其中温差热电转换模块发电功率与试验值的相对偏差小于2.75%。采用该程序对KRUSTY进行了建模分析,开展了反应性引入、热电转换模块失效、负荷跟踪、主动冷却丧失工况下的瞬态分析,并与试验值进行了对比。结果表明,在上述瞬态工况下堆芯燃料表面温度与试验值的偏差小于4.1 K,程序计算结果与试验值符合较好。

新型兆瓦级紧凑核动力装置的非能动余热排出系统设计分析

热管堆具有结构简单、布局紧凑、固有安全性高的特点,是无人潜航器的理想堆型之一。针对采用热管堆的新型兆瓦级高效紧凑核动力装置,设计了一种利用自然循环冷却热管绝热段的非能动余热排出系统。使用计算流体力学方法对不同几何参数的余排系统的排热能力进行模拟分析,使其保守满足最大余排功率的需求。结果表明:热管管束周围设计围板导流有利于降低流体最高温度,围板进出口宽度几乎不影响换热能力,而延长围板下部不利于自然循环;3.5兆瓦热管堆的应急冷却舱轴向长度为160 mm时可以保守满足最大余排功率,并在5~25℃的环境温度下均可正常工作。

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。

基于神经网络的热管反应堆多物理场耦合快速预测

本文基于热管反应堆多物理场耦合分析框架,提出了一种基于数据驱动型神经网络构建的快速预测方案。该方案利用神经网络部分代替分析框架中的数值计算模块,实现核-热-力多物理场耦合迭代过程的高效求解。以Megapower作为分析对象,搭建了相应的神经网络模型构建快速预测方案并对其进行相关参数的预测,与传统数值计算方法对比。快速预测产生的关键参数和数值计算的结果差异很小,其中,最大应力差值不超过2 MPa,燃料平均温度差值不超过3 K。相同计算环境中,相比于数值计算需要6 h的计算时间,快速预测仅需4 min,计算时间降低了95%以上。基于上述结果,认为基于神经网络的快速预测方案具有准确性高、速度快的特点。配合其灵活性及对训练数据量要求低、可针对性的优化模型等特点,认为基于神经网络的快速预测方案是应对堆芯优化等大规模计算需求场景的优选方案。

10 kW低浓铀月表反应堆电源系统概念设计与分析

针对未来月球科研站所面临的能源需求问题,提出一种采用低浓化U-Mo合金燃料和热管冷却的月球表面反应堆电源系统的新型概念设计。低浓化U-Mo合金燃料技术成熟,在RERTR项目中被作为主要燃料而得到广泛使用。采用低浓化U-Mo合金燃料,能够有效降低核扩散的风险和简化相关部门的监管流程。反应堆的额定热功率为180 kW,输出电功率≥10 kW,设计寿命为10年。反应堆为Na热管冷却的快中子反应堆,采用控制鼓对堆芯反应性进行控制,堆芯热量通过Na热管传递到半Heusler型温差发电模块,废热由Hg热管辐射器翅片辐射到太空。基于蒙特卡洛程序RMC和CFD软件对反应堆堆芯物理及热工进行了初步计算和分析,针对温差发电器件的热电转换性能进行了优化设计,对热管失效等假想事故进行了分析评价。结果表明,该反应堆设计能够满足中子物理设计和临界安全的要求,在稳态工况下温差发电器件的热电转换效率能够达到7.60%,系统能够有效输出≥10 kW电功率,热管级联失效时能够满足热工安全要求。

空间热管反应堆电源研究进展及展望

深空探测技术的发展对动力系统提出了更高的要求。传统的太阳能电源与化学电源的适用范围较小,环境适应能力不强,而微型核反应堆电源能量密度高,不依赖太阳光照,可应用于轨道运输、高轨探测多场景任务。在微型核反应堆电源技术路线中,热管冷却核反应堆电源因其系统设备极大简化、模块化设计,高可靠的全固态堆芯、非能动传热及瞬态响应迅速等特性,成为空间核反应堆电源最具可行性的路线之一。通过文献调研总结目前空间热管堆发展现状,从发展历史出发,梳理热管冷却核反应堆电源设计和理论研究,总结热管冷却核反应堆电源发展方向和关键技术。

一种月面微型热管堆电源概念设想

未来月球科研站建设及月面探测等任务需解决长期稳定能源及电力供给问题,受月面复杂环境影响,月面能源供给挑战极大。核反应堆电源具有长寿命、全天候、环境耐受力强等优势,是解决月面任务长期能源需求的理想选择,热管冷却型反应堆作为一种新型反应堆电源具有系统简单、结构紧凑、可靠性高等特点,且易于实现长寿命设计。针对目前月面能源问题,提出了采用500 W电功率月面微型热管堆电源供电的初步设想,并重点对其屏蔽设计及辐射防护问题进行了研究,提出了相关屏蔽设计方案及辐射防护措施。经过初步屏蔽设计研究,该电源可采用移动式、月面固定点位布置及浅坑式布置多种方式为月面用电设备供电,质量可约束在500 kg左右,轻质且微型,为科研站月面核反应堆电源屏蔽设计提供了思路。

装配间隙对热管堆热力影响研究

为评估热管堆中芯块与热管间装配间隙对热管堆传热及结构安全的影响,建立热管堆三维传热及力学数字模型,在验证热管及传热模型后,分析了3 kW热管堆在不同装配间隙下的温度场及应力场。结果表明,热管堆受热膨胀后,在变形位移上芯块与热管大小及方向并不一致,两者间局部接触,局部应力集中。随着装配间隙增大,芯块及热管的应力峰值不断减小,间隙增大到0.4 mm后,芯块与热管将不再接触,间隙进一步增大,应力峰值变化微小;但随着装配间隙增大,芯块与热管间的传热方式由接触传热向气体传热和辐射传热组合转变,热管堆的传热热阻不断增大,堆芯的温度不断升高;综合热力分析,3 kW热管堆燃料芯块与热管装配间隙为0.2 mm较为合理,研究结果可为热管堆结构及热工设计提供参考。

热管堆铀钼合金燃料高温辐照肿胀研究

热管冷却反应堆(简称热管堆)选用铀钼合金作为堆芯燃料,这种燃料具有显著的热膨胀和辐照肿胀,因此燃料设计需要关注材料高温下的肿胀。基于部分高温下铀钼合金的辐照数据,考虑温度对铀钼合金辐照肿胀影响,使用COMSOL Multiphysics(简称COMSOL)对1 kWe Kilopower热管堆方案构建了三维分析模型,完成了热力耦合分析。计算结果表明:使用COMSOL可以有效模拟燃料热膨胀和辐照肿胀行为;与仅考虑热膨胀计算结果对比,寿期末燃料变形和应力均有所增加;燃耗深度达到0.4%时,燃料最大应力为85.1 MPa。在进行更大功率、更深燃耗热管堆方案设计时,需要考虑燃料的辐照肿胀。

压水堆滞流分支管热分层现象的数值模拟

在核电系统热力管道内,热分层现象较为常见,会造成应力集中并引起管道结构变形,进而带来安全隐患。滞流分支管与冷却剂主管道相连接,管内流体与一回路主管道冷却剂存在较大温差,受到湍流渗透和阀门泄漏等因素的影响,分支管内容易发生热分层现象。对滞流分支管热分层的温度变化特性和流动特性进行研究分析,为后续的实验研究和应力分析提供理论依据。建立了滞流分支管模型,在泄漏流量为0.062 kg·s^(-1)、泄漏温度为488.15 K、泄漏压力为6 MPa条件下,采用SST k-ω模型(Shear Stress Transport k-ωmodel)对滞流分支管热分层现象展开三维数值模拟研究。模拟结果表明:热分层现象容易出现在水平管段,无保温措施及大管径会加剧热分层现象,而弯管段能有效降低截面温差;滞流分支管的水平管段内存在回流现象,而大小头管段结构导致管内流场出现二次回流,回流现象不利于管道内冷热流体的混合,使热分层的影响时间更长。滞流管分支管的热分层现象与等截面管道存在明显区别。

新型热管堆装料及外推临界实验技术研究

热管堆为当前先进核动力的研究热点。由于新型热管堆采用少量大块燃料,传统的外推临界实验技术适应性差,使其在装料及外推临界过程中面临安全挑战。本文结合该反应堆的特点,确定了先装配块状燃料,再逐步提升侧反射层达临界的方案。基于蒙特卡罗程序,计算分析了堆芯装配过程中的临界安全,确定了安全可控的初始堆芯装配方案;确定了中子源和探测器的布置;开展外推临界实验技术研究,针对直接外推侧反射层体积造成外推曲线上凸的问题,提出了以侧反射层的反应性价值为权重因子对体积进行加权处理的修正方法。利用此技术模拟了外推过程,结果表明本文确定的外推临界实验方案是可行的。本文结果可为新型热管堆装料及外推临界提供指导。

不同热电转换系统的热管堆反应性引入事故特性研究

热管堆具有固有安全性高、结构紧凑等特点,拥有广阔的应用前景。热电转换系统是热管堆中将热能转换成电能的关键系统,其形式和工作原理对热管堆的事故安全特性和动态响应特性具有非常重要的影响。自主研发的热管堆系统分析程序TAPIRS-D已经拥有静态热电转换模块和动态斯特林循环模块,本文在此基础上开发了动态热电转换模块(开式布雷顿循环),结合热管冷却空间反应堆(Space Advanced Reactor with Integrated Cooling System,SAIRS-C)的反应堆设计,开展了热管堆系统在反应性引入事故发生时的系统安全特性研究,并横向对比了不同类型、不同原理热电转换模块对于热管堆系统事故安全特性的影响。计算结果表明:当对热管堆系统的反应性引入相同时,在堆芯功率变化方面,与斯特林热电模块进行耦合的热管堆系统在事故后堆芯功率的变化幅度最小,其缺点是斯特林热电转换模块的热端温度上升幅度较大;在输出功率方面,与开式布雷顿循环模块和半导体热电转换模块相耦合的热管堆系统的输出功率变化幅度相当,均大于斯特林热电转换模块;在循环效率提升方面,与半导体热电转换模块耦合的热管堆系统效率提升幅度最大,其缺点是需要额外关注半导体热电转换模块中的电路负载的安全情况。

金属膜过滤工艺保障不同管材供水管网水质生物稳定性的研究

供水管网末梢水水质生物安全问题受到了广泛关注。采用生物膜环状反应器(BAR)模拟实际供水管网,探究了自来水和金属膜滤后水(膜滤水)对5种管材管壁生物膜影响的异同性。结果表明,金属膜过滤工艺对水中浑浊度、溶解性有机碳的平均去除率分别为93.4%、19.0%;5种管材管壁生物膜在生长稳定期的生物量排序为铜<不锈钢≈聚氯乙烯(PVC)≈高密度聚乙烯(HDPE)<球墨铸铁;自来水体系中反应器进出水平均浑浊度分别为1.52、3.44 NTU,而膜滤水体系反应器进出水平均浑浊度分别为0.10、0.42 NTU,且各管材管壁生物膜生长缓慢。这是因为膜滤水体系微生物群落物种丰富度较低,管壁生物膜样品的OTU数减少了39.7%~56.5%,耐氯致病菌(分枝杆菌、甲基杆菌等)相对丰度明显减少。因此,金属膜过滤工艺可有效保障供水管网饮用水水质生物稳定性。

法国核电应力腐蚀问题对我国核电技术发展的启示

2022年,法国电力公司(EDF)大量核电机组因一回路管道应力腐蚀开裂(SCC)问题而停堆检修,对法国甚至欧洲的生产生活造成巨大影响。针对该事件,在总结国内外核反应堆类似失效案例及材料老化研究成果的基础上,对反应堆不锈钢部件的SCC问题的机理、影响因素、抑制措施开展了分析,并结合我国核电机组服役时间逐渐延长,材料老化、设备失效问题日益突出的现状,提出我国核电运维改进措施,如优化残余应力、加强监督和检查,研发更有效的无损检测技术等。同时,探讨了我国在反应堆材料老化研究方面的发展方向。

先进移动式热管小堆特征及应用研究

在“双碳”的时代背景下,核能作为低碳清洁能源得到了全球的重视,移动式热管小堆在能源系统转型中起着重要作用。通过研究移动式热管小堆,文章发现其具有灵活性强、经济性高和适应性好等特点,具有较高的非能动安全性、固有安全性和系统可靠性。正因为具备这些特点,移动式热管小堆在空间、深海、电力、工业等应用领域都发挥着重要作用。

铸造主管道材料热老化方案设计及试验研究

我国主要二代加核电站(如CPR 1000)主管道材料选用Z3CN20-09M铸造奥氏体不锈钢(CASS),在运行工况温度环境条件下长期服役后会出现热老化现象,导致材料韧性储备下降。为验证国产主管道材料设计寿期末(40年)的断裂韧性,评估寿期末设备安全裕度,首次针对国内主管道供货商制造的项目用母材材料,设计了加速热老化试验方案并开展了试验研究工作,获得了材料在寿期末的断裂韧性数据。结果显示,材料在寿期中已达到热老化饱和状态,在设计寿期内仍有足够的韧性储备。通过在各个取样阶段点的冲击试样进行SEM和TEM检测,从微观角度观察了国产主管道材料的老化过程,包括铁素体调幅分解和G相析出过程,掌握国产铸造主管道材料的老化服役性能数据。