液态铅铋合金管内流动传热特性研究

为研究液态铅铋合金的流动传热特性,建立了相应的实验台架,并开展了传热特性试验,获得了1组针对液态铅铋合金的传热关系式。同时使用Fluent程序对圆管内铅铋合金的流动换热进行了模拟计算,以研究不同湍流普朗特数模型和不同湍流模型的选取对计算结果的影响。根据计算结果,探讨了不同湍流普朗特数模型对计算结果的影响,并得到了不同Peclet数下推荐使用的物理模型。

液态铅铋合金热物性研究

液态铅铋合金(Lead-Bismuth Eutectic,LBE)是加速器驱动次临界系统(Accelerator driven subcritical,ADS)重要的散裂靶材料和冷却剂候选材料,其热力学物理性质是ADS研发过程中必须解决的基础问题。通过对已有定律的推算,得出液态铅铋合金熔沸点、密度、比热容、粘度、热导率的热物性公式;并拟合了其他学者的实验研究数据,得出计算铅铋物性的拟合公式。通过对比分析可知:拟合公式与已有定律推算公式趋向一致,吻合较好;且拟合公式更趋近实验值,精确度高,最大偏差不超过1%。

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。

液态铅铋共晶合金中纳米颗粒的热泳运动研究

采用液体中的固体颗粒热泳理论,对铅铋共晶合金(LBE)中金属纳米颗粒的热泳现象进行研究。计算LBE中不同种类纳米颗粒的热泳速度,并观察不锈钢纳米颗粒在不同流体中的热泳速度。对LBE中不同种类纳米颗粒热泳速度的计算结果表明,LBE中纳米颗粒的热泳速度随着温度梯度的增加而增加,随粒径的减小而增加;不锈钢颗粒的热泳速度要比碳纳米管颗粒低两个量级,与铜纳米颗粒的热泳速度相近。对不锈钢纳米颗粒在不同流体中热泳速度的计算结果表明,不锈钢颗粒在LBE中的热泳速度要比在水和四氟乙烷中低1个量级,比在机油和乙基乙二醇中高2个量级。

液态铅铋合金热物性程序开发研究

液态铅铋合金是加速器驱动次临界系统(ADS)重要的散裂靶材料和冷却剂候选材料,其热力学物理性质是ADS研发过程中必须解决的基础问题。以Fortran语言为基础编制的程序NCEPU-LBETP,实现了对液态铅铋合金熔沸点、密度、比热容、动力粘度和热导率的计算,且计算步序大大简化,精度得到提高。并对液态铅铋合金热物性程序进行了校核,其结果和国内外相关计算结果符合良好,这表明物性程序是成功的。

日本液态铅铋合金冷却快堆包壳和结构材料研究现状初探

本文介绍日本在下一代快堆候选堆型——液态铅铋共晶合金冷却快堆的研究开发中,针对其关键问题之一——包壳和结构材料与液态铅铋合金冷却剂的高温相容性问题的研究现状和作者对此问题的思考,特别指出了解决现试验中的钢试样表面氧化保护膜的magnetie层致密化问题的必要性和实验研究途径。

液态铅铋共晶合金中纳米颗粒的热泳运动研究

采用液体中的固体颗粒热泳理论,对铅铋共晶合金(LBE)中金属纳米颗粒的热泳现象进行研究。计算LBE中不同种类纳米颗粒的热泳速度,并观察不锈钢纳米颗粒在不同流体中的热泳速度。对LBE中不同种类纳米颗粒热泳速度的计算结果表明,LBE中纳米颗粒的热泳速度随着温度梯度的增加而增加,随粒径的减小而增加;不锈钢颗粒的热泳速度要比碳纳米管颗粒低两个量级,与铜纳米颗粒的热泳速度相近。对不锈钢纳米颗粒在不同流体中热泳速度的计算结果表明,不锈钢颗粒在LBE中的热泳速度要比在水和四氟乙烷中低1个量级,比在机油和乙基乙二醇中高2个量级。

静态腐蚀条件下铁素体/马氏体钢和奥氏体不锈钢与液态铅铋合金相容性研究进展

液态铅铋合金(LBE)是铅冷快中子反应堆(LFR)和加速器驱动次临界系统(ADS)的主要冷却剂材料。反应堆用结构材料(如铁素体/马氏体钢、奥氏体不锈钢等)在液态LBE环境下存在液态金属腐蚀(LMC)和应力腐蚀的问题,这些问题给钢结构材料的安全服役带来隐患。阐述了钢材铅铋腐蚀类型及机理,归纳了材料设计与处理(元素成分、热处理、加工制造和表面处理)和腐蚀条件(氧质量分数、腐蚀温度和腐蚀时间)对钢材铅铋腐蚀行为的影响机制;澄清了LBE环境下的应力腐蚀与金属脆化机制,总结了内外因素(材料种类、表面缺陷、热处理、氧质量分数、腐蚀温度和拉伸速率)对钢材拉伸性能的影响,并展望了未来铅铋反应堆结构材料的研究方向。建议面向未来的铅铋堆用钢应优化材料设计和处理方式(提高Si、Al等元素的含量、表面镀膜和热处理)同时控制LBE中环境参数(温度、氧质量分数和腐蚀时间)以提高钢材的耐铅铋腐蚀性能。

环形通道内液态铅铋合金流动换热特性实验研究

通过对环形通道内液态铅铋合金的流动换热特性进行实验研究,得到了气泡泵注气对液态金属流动的影响,并拟合出环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数关系式和换热特性关系式。结果表明:采用气泡泵注气能有效提升铅铋合金的质量流速;相同Reynolds数下环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数大于由布拉休斯公式计算得到的摩擦系数;液态铅铋合金对流换热过程中,导热项占主导地位,并且Nusselt数随Peclet数的增大而增大。

不同合金成分的T91/316L焊缝在550℃高流速液态铅铋共晶合金中的腐蚀行为

T91/316L异种钢焊缝在高流速液态铅铋共晶合金(LBE)中的腐蚀是T91和316L钢在未来核电领域应用中所面临的重要挑战。利用ER309L、ER316L和ERNiCr-3三种不同焊丝获得了T91/316L异种钢焊缝,采用自主设计的旋转腐蚀试验装置研究其在550 ℃高流速(相对流速2.98 m/s)液态LBE中的腐蚀。三种焊缝经过300 h、600 h和900 h的腐蚀试验后,腐蚀表面均表现出明显的方向性。焊缝在高流速液态LBE中的腐蚀机理主要为焊缝基体中Fe、Cr、Ni元素和LBE中Pb、Bi、O元素的溶解与迁移。由于不同元素的溶解度以及所形成氧化物相的稳定程度不同,最终在焊缝表面形成了由疏松外氧化层和致密内氧化物层构成的双层结构。三种焊丝中,利用309L焊丝所得的焊缝的耐高流速LBE腐蚀性最好,利用316L焊丝所得的焊缝次之,利用NiCr-3焊丝所得的焊缝最差。经焊后再热处理所得的焊缝具有更好的耐高流速LBE腐蚀性。

液态铅铋合金流动速度场测量技术研究

液态铅铋合金是先进反应堆-加速器驱动的次临界系统(ADS)优选的靶材和冷却剂材料,液态铅铋流动速度场的测量是优化堆芯组件分布以及靶窗结构的一种重要手段。同时,冷却剂流动速度也是反映反应堆热工水力特征的重要参数之一。本文采用实验研究的方法,设计旋转搅动装置,通过对常温水与液态铅铋的流动速度场测量,验证了超声多普勒测速技术用于液态铅铋合金速度场测量的可行性。

Al、(Al,Si)涂层的制备及其在550℃液态铅铋合金中的防腐蚀性能研究

液态铅铋是加速器驱动次临界系统(ADS)的冷却剂兼散裂靶主选材料之一,作为加速器ADS系统中最合适的候选结构材料之一的奥氏体不锈钢316L,如果在高温液态铅铋合金(LBE)中遭受腐蚀会严重影响系统的安全性,因此必须要提高结构钢材的高温防腐蚀性能。本文利用热蒸发法在奥氏体不锈钢316L表面制备了Al及Si掺杂Al的Al-Si,Si-Al和Al(Si)四种涂层。利用X射线衍射,扫描电子显微镜和能谱仪表征和分析了涂层的相结构和显微结构。将四种涂层在550℃液态铅铋防腐1 000 h后,研究了它们的防腐蚀性能。结果表明,在目前的腐蚀条件下,四种涂层均具有良好的防LBE腐蚀性能,其中Al-Si涂层的防腐蚀性最好。

基于扩散界面法的液态铅铋合金中气泡上升行为模拟

基于扩散界面法,对单个氮气气泡在液态铅铋合金内从静止到充分发展整个过程中的动力学行为进行数值模拟,得到气泡形变特性和气泡上升速度随时间的变化关系,将模拟结果与Grace经验关系图对比,发现模拟得到的气泡形变结果在Grace经验关系图中均可找到且很好地吻合,从而验证了扩散界面法在模拟液态铅铋合金中气泡上升行为的可行性和准确性。同时基于界面扩散法的模拟,对比了5种不同初始直径的氮气泡在液态铅铋合金中的上升行为,发现初始直径较小的气泡在上升过程中扰动会更剧烈,初始直径较大的气泡在上升过程中易发生分裂现象。

基于CFD方法对液态铅铋合金回路中腐蚀及腐蚀产物沉积的研究

液态铅铋合金(LBE)由于其良好的导热性和化学惰性等优良性质在新型核反应堆以及加速器驱动的次临界系统(ADS)中都有着广泛的应用。但在中高温情况下其对结构材料的严重腐蚀限制了其发展。研究液态铅铋合金腐蚀过程及其机理对液态铅铋合金反应堆的发展有重要意义。目前广泛使用的腐蚀分析模型将三维对流扩散方程简化为一维常微分方程进行解析求解,虽然计算效率高,但是精度较差。本文基于CFD方法,从三维的对流-传质扩散方程出发,使用OpenFOAM开源软件建立非等温液态金属闭合回路的腐蚀模型,对于回路中壁面处腐蚀和沉积的速率进行了模拟计算。结果验证活性氧控技术具有良好的效果,可以显著降低腐蚀和腐蚀产物的沉积速率。另外,对于几个重要参数进行了敏感性分析,结果表明回路的腐蚀和沉积速率同管径和管长呈现负相关关系,而与流速呈现正相关关系。

液态铅铋合金在绕丝燃料棒组件中的水力特性数值模拟

为掌握液态铅铋合金在燃料棒组件中的流动特性,文中研究基于CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟,预测了层流及湍流工况下液态铅铋合金在绕丝燃料棒组件不同子通道内的速度分布以及压降变化.数值结果表明:从第二段螺距开始,速度与压降基本随螺距呈现周期性变化.此外,层流和湍流两种工况下,边子通道的平均速度均大于角子通道和中心子通道,但不同子通道间的压降变化趋势差异不大.为验证研究结果的可靠性,将模拟所得的压降结果分别与Engel关联式、Cheng关联式以及Novendstern关联式的预测结果进行对比,计算结果表明,层流状态下压降模拟值与Novendstern关联式计算结果更为接近;湍流状态下压降模拟值与Cheng关联式和Novendstern关联式的计算结果符合度较高.

铅铋合金试验回路中的电加热应用

在大多数液态金属相关实验回路中,加热是必不可少的环节。采用电加热形式不仅能够节约空间、提高工作效率,还能满足各种实验工作的使用需求,因此,电加热逐渐取代了其他形式的加热,在液态金属实验回路中被广泛使用。介绍了电加热的概念和分类,讨论了在铅铋合金实验装置中采用电加热技术遇到的实际问题,并分析了电加热技术在该装置使用上产生实际问题的原因。通过结合运行经验,提出了解决方案和优化策略,以提高电加热应用的安全稳定性,改善实验装置的运行状况。

液态铅铋合金绕丝燃料组件共轭传热数值模拟

围绕液态铅铋合金(LBE)的数值模拟研究通常仅针对流体域,而忽略了固体域的影响。为了研究绕丝燃料组件物理模型及边界条件对LBE的流动与传热的影响,基于质量守恒原则、能量守恒原则和传热特性等效原则,设计了燃料棒及绕丝表面有恒热流密度的纯流体域模拟、燃料棒及绕丝有恒体积功率的流固共轭传热模拟、燃料棒表面有恒热流密度的纯流体域模拟和燃料棒有恒体积功率的流固共轭传热模拟这4种数值模拟方案,在施加相同总功率条件下,比较了4种方案的LBE和流固边界上的温度分布差异。对比分析4种方案的大涡模拟结果发现:流固共轭传热方案比热流边界方案更具合理性;与Pacio实验数据相比,方案四即燃料棒具有恒体积功率的流固共轭传热的数值模拟结果在流固边界峰值温度上的偏差最小。因此,针对绕丝燃料组件LBE及包壳局部温度峰值的数值预测,推荐采用燃料棒有内热源的流固共轭传热数值模拟方案,能够准确预测绕丝燃料组件内LBE的温度特性。

基于MPS方法模拟液态铅铋合金中弹状气泡上升

基于移动粒子半隐式(MPS)方法对液态铅铋合金中单个弹状气泡的垂直上升行为进行数值模拟,得到弹状气泡上升过程的形态变化、气泡最终上升速度拟合直线及下降液膜厚度与下降液膜中的轴向速度分布。将部分数值模拟结果与文献中的实验结果进行比较,揭示了弹状气泡最终上升速度、下降液膜厚度及其中轴向速度分布所满足的规律。比较结果证明了所选取计算模拟模型的正确性与合理性,以及MPS-MAFL方法用于模拟弹状气泡上升行为的准确性与可靠性。

液态铅铋合金与钢铁交互作用的微尺度仿真研究进展

液态铅铋合金(LLBE)是加速器驱动次临界系统和反应堆冷却剂的候选材料,其与钢铁材料接触会造成材料腐蚀。理清LLBE与钢铁材料交互作用的机理对揭示LLBE中钢铁材料腐蚀机制具有重要作用。目前,微尺度仿真技术已大量用于研究LLBE与钢铁交互作用的微观机理及规律。系统介绍了微尺度仿真技术在LLBE环境中钢铁材料的腐蚀与防护以及腐蚀产物污染研究中的应用,探讨了LLBE与钢铁材料交互作用微观仿真研究的发展方向。

19棒束绕丝燃料组件内液态铅铋合金热工水力性能研究

对不同绕丝数量19棒束燃料组件内液态铅铋合金的热工水力性能进行了数值研究。首先计算了单绕丝燃料组件内液态铅铋合金的热工水力性能,所选取棒束截面的温度分布和棒束通道平均换热系数与实验结果符合良好,表明采用的计算模型和方法具有较高的可靠性;其次,通过比较不同绕丝数量计算模型的计算结果,发现多绕丝燃料组件内流场分布均匀性较好,表明绕丝数量的增多使流场的搅混更加充分,能降低燃料棒表面温度,有利于热工性能的增强,但组件内的流动阻力损失也有所增大;最后,采用流动换热联合因子对不同绕丝数量燃料组件综合热工水力性能进行了比较,结果表明,在分析的范围内,4绕丝19棒束燃料组件的综合性能最好。