热辐射特征参数对快堆锥形顶盖空间换热特性影响的研究

池式钠冷快堆的钠池内充满高温液态钠,其上方覆盖有氩气,高温液态钠主要通过辐射换热及对流换热的方式向快堆主容器上部结构及氩气空间传递热量,其换热特性及其影响因素十分复杂。辐射发射率及液态钠蒸发形成的气溶胶层对主容器上部结构的热工水力特性会造成一定影响。因此,为保证主容器上部结构在不同温度载荷下的安全性与稳定性,十分必要获取不同辐射发射率及不同气溶胶层分布下的温度分布。本研究建立大型池式钠冷快堆主容器上部锥形顶盖空间(以下简称“锥顶盖”)数值计算模型,开展数值模拟计算,得到不同发射率及气溶胶层厚度影响下锥顶盖的温度场。研究结果表明,发射率越高,锥顶盖斜肩及氩气空间温度越高;当气溶胶层存在于靠近钠液面的高度范围时(0~0.2 m),增加其厚度可使氩气空间局部温度升高,但对锥顶盖斜肩温度影响有限。发射率增高53%,则辐射换热量增加31.47%,格拉晓夫数(Gr)减少19.29%,辐射换热效果增强,自然对流效果减弱;气溶胶层高度由0增加到0~0.1 m时,对辐射换热量的吸收增加22.68%,格拉晓夫数(Gr)减少19.29%,气溶胶层高度由0~0.1 m增加到0~0.2 m时,透过气溶胶层的辐射换热量减少了0.04%,格拉晓夫数(Gr)增加了0.9%,辐射换热效果减弱,自然对流效果加强。

TOPAZ-Ⅱ空间堆特殊临界安全分析

特殊临界安全事故是空间堆的设计基准事故,掉落的临界安全问题是发射之前需要详细论证的重要安全问题。当前国内外针对空间堆特殊临界安全问题的分析仅简单计算k_(eff),没有提出有效的分析论证方法。参照国际上通用的反应堆外易裂变材料的核临界安全分析方法,基于在与原型堆具有高度相似性的临界装置上获取的特殊临界安全实验数据,提出了一种合理的空间堆特殊临界安全分析方法。基于与TOPAZ-Ⅱ空间堆具有高度相似性的Narciss-M装置上获取的特殊临界安全实验数据,使用该方法对TOPAZ-Ⅱ空间堆的特殊临界安全问题进行了分析,结果表明该堆不满足临界安全要求;提出了TOPAZ-Ⅱ空间堆设计改进措施,并论证其可行性。

空间热离子反应堆燃料元件力学性能分析程序开发

为了实现对空间热离子反应堆燃料元件运行期间安全性能的预测,研究开发了一种燃料元件力学性能分析程序,并针对多层圆筒状的TOPAZ-Ⅱ热离子燃料元件开展了应力、应变和几何变形的高精度模拟。程序考虑了核燃料在高温辐照环境下的辐照肿胀,并分析了燃料芯块-发射极在发生接触后的力学响应问题,从而快速且准确地求解燃料芯块和发射极的力学状态,以对空间热离子反应堆运行期间的性能提供准确预测。结果表明:在正常运行情况下,空间热离子反应堆燃料会发生显著的肿胀效应,其造成的变形将导致燃料元件热电转换效率降低、元件失效等安全隐患。

KRUSTY-HEU热管空间堆体积优化及热力耦合特性研究

空间热管堆具有小型化、长寿期、环境适应性强等优点,在航天领域中有广阔的应用前景。本文针对由洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的高富集度热管空间堆高浓缩铀方案KRUSTY-HEU,在保持反应性不变的前提下,通过添加慢化剂材料的方法进行体积优化,减小控制棒的体积并降低反射层厚度,用以降低航天器的发射成本和发射载荷。在慢化剂布置方面,本文提出了芯块内层添加慢化剂、芯块内部中间层添加慢化剂和慢化剂与燃料弥散3种方案,并对反应性和安全性进行对比。结果表明,芯块内层添加慢化剂方案优于其他两种方案,最低的反射层厚度为8.69 cm,较之前降低了3.11 cm,体积降低了约30%。针对优化后的方案进行了中子学和热力学分析,结果表明温度对反应性影响较小且移动反射层能够很好地控制反应性,同时燃耗引起的反应性损失较小。在正常运行时,堆芯温度和热位移与之前相差不大,热应力最大处为慢化剂和芯块的交界面,超过了堆芯材料屈服极限。通过在慢化剂和芯块间添加间隙,在材料屈服极限内有效地降低了热应力。单管失效分析表明堆芯温度、位移和热应力发生变化,但未影响其安全性。综上所述,本文提出的芯块内层添加慢化剂方案可有效降低KRUSTY-HEU的体积,热力耦合特性表明优化后的堆芯仍具有较高的安全性和稳定性。

热管冷却空间反应堆系统启动特性研究

为研究热管冷却空间堆系统从冷态零功率到满功率的启动特性,以典型热管冷却空间反应堆电源系统SAIRS为对象,开发了热管冷却空间反应堆系统瞬态程序TAPIRS。该程序的模型主要包括中子动力学模型、堆芯传热模型、热管模型、碱金属热电转换装置(AMTEC)能量转换模型和散热板模型。将TAPIRS程序各模块和系统稳态计算结果与参考文献计算值比较分析,验证了本文模型和求解方法的合理性。启动特性研究表明,通过控制控制鼓的转动速率,可实现反应堆从次临界到满功率、热管和AMTEC从固态到正常运行状态的启动过程。热管冷却空间堆依靠核热启动具有可行性,热管最高温度不超过1 250K,满功率参数与相关文献的最大相对误差不超过6%。

SiO_2热中子散射截面在空间堆事故分析中的应用

SiO2热化效应可能对核废料地质储存库分析和空间反应堆坠落湿沙情况下的临界安全造成一定影响。本文结合最新的ENDF/BⅦ.1的TSL库,制作了ACE格式的SiO2热中子截面数据库。分析了不同温度对SiO2热中子散射截面的影响,比较了采用声子谱模型的SiO2热中子散射截面数据与采用自由气体模型的SiO2热中子散射截面数据的差异,并采用本文制作的截面库,对空间堆坠落湿沙情况下的临界安全特性进行了分析,给出了反应堆最易重返临界的湿沙成分比例。

Kilopower空间堆掉落事故临界安全问题研究

美国Kilopower空间堆在掉落事故下的k eff不满足我国现行空间堆掉落临界安全要求。该反应堆在掉落过程中,若反射层外围的B 4C脱落,则存在瞬发超临界的严重安全隐患。针对此问题,本文对反应堆方案进行调整,提出3种解决方案,各方案均可满足掉落临界安全要求。此外,为研究各方案的优劣,从尺寸、质量、物理和热工运行特性等方面对各方案进行综合比较,提出了最优建议方案。

先进空间快堆安全特性分析

以200 kW空间快堆RAPID-L为对象,建立瞬态分析模型,分析在尤保护超功率事故UTOP和无保护失流事故ULOF下的瞬态特性。计算结果表明：快速型锂膨胀模块(LEM)可随冷却剂温度变化自动快速响应,能够在不停堆情况下保证反应堆的安全,因此,RAPID-L具有固有安全特性。

热管式锂冷空间快堆中子学计算分析

采用MCNP程序对锂冷热管式锂冷空间快堆建立中子学计算模型,对其中子通量密度和功率分布、有效增殖因子等进行了计算,采用分区燃料布置,得到满足长寿命运行要求的分区装载方案,利用ORIGEN2程序进行燃耗校核,计算了转鼓的价值和转鼓转角随运行时间的变化情况。模型分析结果表明:分区装料后的堆芯满足临界安全设计和不均匀系数要求;堆芯的过剩反应性足够7年不换料满功率运行;意外发射失败掉入湿沙或海水中,由于有谱移吸收体铼,堆芯仍然保持足够的次临界度;转鼓的价值可以保证堆芯在整个寿期内安全的停堆和正常的启动;热管式锂冷空间快堆基本物理特性合理,满足设计要求。

锂冷空间堆辐照产氦行为研究

锂(Li)是一种重要的空间核反应堆传热工质,采用Li冷却的大功率空间堆是未来空间核电推进任务的理想能源之一。Li在受中子辐照时会产生氦(He)。在Li冷空间堆中,Li产生的He会对一回路的热工水力造成不利影响,需要设置气体分离器对其进行收集。因此,对Li辐照产He的计算和研究是Li冷空间堆设计的重要环节。为详细研究Li冷空间堆的产He行为,构建了兆瓦级Li冷空间堆LISA,采用三维蒙特卡罗程序MCNP,对反应堆中Li产He行为进行了计算,比较了不同反应以及不同区域的产He量,研究了Li-7丰度以及中子能谱对产He的影响,并基于研究结果提出了Li冷空间堆的优化思路。本研究的方法和结论可为Li冷空间堆的设计研究提供有益参考。

Kilopower空间堆燃料低浓化方案研究

针对Kilopower高浓铀快堆方案(HEU-UMo)存在的核扩散和恐怖主义风险、政治风险、安保成本高昂、无法商业研发等问题,以及Kilopower低浓铀快堆方案(LEU-UMo)的质量和尺寸过大的问题,提出了一种采用低浓铀燃料板与氢化钇(YH 2)慢化剂板交叠布置的新方案(LEU-UMo-YH 2),并从物理、热工及特殊临界安全等方面对各方案进行了比较。结果表明:该方案相比LEU-UMo方案,堆芯尺寸得到了较大幅度的减小,其堆芯质量和U-235装量分别仅为LEU-UMo方案的40%和17%。若HEU-UMo被禁用,对于近期的任务,LEU-UMo具备最高的可实现性,对于远期的任务,LEU-UMo-YH 2具有很好的研究前景。

先进空间快堆运行特性和启动特性

针对先进空间快堆RAPID(refuelled by all pins integrated design)-L(Lunar)建立瞬态分析模型,描述其运行特性和启动过程。计算表明RAPID-L具有下列特点:反应堆的换料周期可达10 a;能够通过流量变化调节功率;在锂释放模块LRM和锂膨胀模块LEM的共同作用下自动完成启动。因此,RAPID-L运行寿期长,可完全脱离操纵员的操作而实现自动运行,满足空间运行的要求。

基于实测数据的空间堆叠法心室实体造型

根据实测数据建立具有个体差异的心脏模型 ,是精确求解心电正问题的关键之一 .本文首先在三维直角坐标系下 ,根据人体心室的实测几何数据 ,通过三次B样条插值获得心脏垂直于其长轴方向的层片边界 ,按照广义圆柱方法组织各个层片 ,建立符合个体差异的真实心脏心室参数边界模型 .然后对该边界模型进行离散 ,实现心室的空间堆叠法实体造型 .模型中每个元素具有规则性、无二义性和唯一性 .该建模方法具有输入参数少。

微型反应堆高速撞击下核临界安全的初步分析

微型反应堆可作为月球表面动力、航天器动力等用于太空探索,反应堆发射前需要对发射事故的影响进行安全分析。反应堆高空坠落并撞击到混凝土是主要的临界安全分析场景,高速撞击后反应堆可能重返临界。本文以两种简化的反应堆模型高速撞击场景为例,利用连续介质力学有限元程序ABAQUS与粒子输运蒙特卡罗程序耦合,完成了纯燃料堆芯垂直撞击地面和带径向反射层和屏蔽层圆柱堆30°倾角撞击地面的模拟,预测了两种场景反应堆高速撞击下keff随时间变化的物理特性。结果表明:纯燃料反应堆垂直撞击地面的keff增加最高可达1000×10^(-5),而具有反射层和屏蔽层反应堆30°倾角撞击地面的keff增加最高为200×10^(-5)。均匀密度变化条件下,采用表面非结构网格与内部非结构网格的蒙卡程序的计算结果符合较好,内部非结构网格能够更真实地捕捉材料的非均匀密度变化效应。本文的研究为微型反应堆高速撞击下的临界安全研究奠定了重要基础。

空间堆氦氙布雷顿循环研究进展

氦氙混合物为工质的布雷顿循环具有循环效率高、系统结构紧凑、化学稳定性好等优势,适合作为空间核反应堆的能量转换系统。在深入调研空间堆氦氙布雷顿循环发展历史和国内外研究进展的基础上,对其关键技术问题和重点研究方向的相关研究进展进行了综述,发现主要研究方向包括氦氙混合物工质特性、氦氙布雷顿循环关键部件、循环性能提升、循环动态特性及控制策略等方面;而有待继续深入研究的关键技术问题包括不同比例氦氙工质的高精度物性及流动传热模型、高性能叶轮及高效紧凑式换热器设计及试验、不同功率等级下系统全工况优化、耦合反应堆的系统全局动态特性及控制策略等。分析结果可为推动空间堆氦氙布雷顿循环技术发展提供参考。

空间堆热管输热能力分析

为保证空间堆的传热安全,空间堆热管必须工作在各种传热极限以下,并能满足避免单点失效的安全要求。本文建立了空间堆热管黏性极限、声速极限、携带极限、沸腾极限和毛细极限5种传热极限计算方法,并改进了毛细极限计算模型。利用建立的方法计算了分段式热电偶转换的热管冷却空间堆电源系统堆芯锂热管、辐射散热器钾热管和碱金属热电转换的空间堆电源系统堆芯钠热管的传热极限。结果表明,空间堆用锂热管和钠热管的毛细极限分别为25.21kW和14.69kW,钾热管的声速极限为7.88kW,其传热设计冗余量分别大于19.4%、23.6%和43.2%。空间堆堆芯热管在正常运行时限制其热量输出的传热极限为毛细极限,而限制散热器钾热管正常运行时热量输出的传热极限为声速极限。

空间堆辐射散热器设计分析

本文针对空间堆热管辐射散热器进行了初步设计分析,建立了单块辐射板传热模型,包括冷却剂与蒸发段的对流换热、热管内部由蒸发段到冷凝段的传热、冷凝段和C-C包壳之间的传热、C-C包壳辐射散热量等。选取了5种不同热管数目的方案进行计算,得到每种方案下冷却剂支管冷却剂温度沿流动方向的变化规律。结果表明,当热管根数为7 436时,满足设计要求。在热管根数固定的情况下,辐射散热器的最佳翅片宽度为30mm,单块辐射板合适的冷却剂流量为0.5kg/s。

HP-STMCs空间堆热管运行参数计算

利用自主开发的热管蒸汽流动计算程序SNPS-HPD对HP-STMCs堆堆芯锂热管和辐射散热器钾热管稳态运行时的性能参数进行了分析计算,得到了不同运行条件下锂热管和3类散热器钾热管内部蒸汽流动的压强、温度、速度和流动马赫数分布情况。结果表明:堆芯锂热管内部蒸汽压力和温度在蒸发段均有较大下降,在绝热段呈线性下降,而在冷凝段有一定的回升。锂热管温降主要为内部蒸汽的温降,且蒸汽温降随输出功率的增加而减小;蒸汽轴向马赫数在绝热段出口处达到最大,且随输出功率的增大而减小;辐射散热器钾热管具有良好的等温性,但热管绝热段的设计增加了热管蒸汽的温降,破坏了热管的等温性。

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。

空间核反应堆安全分析

空间核反应堆是空间能源的重要候选方案,其寿命长、功率大、结构紧凑,但其特有的中子学特性、与传统快堆迥异的设计方案对堆芯安全分析提出了挑战。本文以热管型空间堆为例,首先基于蒙特卡洛方法对空间堆在水淹和沙埋事故工况下,进行了稳态中子学计算分析,结果表明:堆芯在事故工况下不会重返临界。同时,基于瞬态多物理分析程序TMACS,进行了单根控制鼓旋转瞬态过程计算。结果表明:空间堆在热工反馈和热膨胀反馈的多物理耦合下,在特定的瞬态过程中能够保持功率稳定,满足安全要求。