热管冷却反应堆固态堆芯热力耦合性能分析及结构优化

热管冷却反应堆的固态堆芯具有模块化、无流动回路等诸多优势,受到诸多学者关注。固态堆芯在工作寿期内涉及复杂的热力耦合行为。本文基于ABAQUS对固态堆芯工作性能进行了热力耦合分析。结合子程序的二次开发,综合考虑了间隙传热模型及材料在极端工况下的蠕变、肿胀等行为。探究了各部件之间的相互作用关系。基于有限元仿真对固态堆芯尺寸进行参数优化,使用深度神经网络建立代理模型,使用NSGA-Ⅱ算法获得了pareto前沿解集。相较于初始设计参数,优化后的堆芯最高温度下降8.44%,最大应力下降34.43%,改善了固态堆芯的性能。

热管冷却反应堆堆芯瞬态热力耦合研究

热管冷却反应堆作为能量密度高、适应能力强的核电源系统,能在空间、深海探索等任务中发挥重要作用,因而越来越受到各国重视。由于热管堆堆芯具有较强的固态属性以及高温特性,热膨胀和热应力效应十分显著,需要考虑核热力的耦合作用。为了研究一种典型热管冷却反应堆——静默式海洋热管冷却反应堆(Nuclear Silence ThermoElectric Reactor,NUSTER)堆芯的热工力学性能,以及评估该反应堆在典型工况和瞬态事故下的安全性能,基于有限元软件ANSYS的FLUENT和MECHANICAL模块对堆芯分别进行稳态与反应性引入事故工况下的核热力耦合计算,获得温度与应力场分布。通过将堆芯各组件的温度峰值、应力峰值与对应的材料熔点、材料屈服强度进行比较,对堆芯设计进行安全性评估。结果表明:稳态和事故工况下的NUSTER堆芯均能在安全限制范围内正常运行,事故下各组件温度有200 K以上的安全裕度,各组件应力有150 MPa以上的安全裕度,堆芯设计安全得到验证。

热管冷却反应堆的兴起和发展

热管冷却反应堆采用固态反应堆设计理念,通过热管非能动方式导出堆芯热量。本文总结了热管冷却反应堆的概念初创、积极探索、重大突破的发展历程;分析了热管冷却反应堆的技术特点,包括固态属性、固有安全性高、运行特性简单、易于模块化与易扩展和运输特性良好等核心优势;归纳了热管冷却反应堆中热管性能、材料工艺、能量转换等技术现状,并提出热管冷却反应堆进一步发展将面临的材料、制造工艺、运行可维护性等挑战,从而明确了热管冷却反应堆未来的发展趋势,为革新型热管冷却反应堆技术的发展与应用提供良好的方向指引。总体而言,热管冷却反应堆在深空探测与推进、陆基核电源、深海潜航探索等场景中具有广阔的应用前景,有可能成为改变未来核动力格局的颠覆性技术之一。