兆瓦级空间气冷堆系统启停堆瞬态分析

本文针对兆瓦级高温气冷堆布雷顿循环系统,采用Fortran语言开发系统分析程序TASS,包括堆芯、透平-发电机-压气机、回热器、冷却器和热管式辐射散热器等模型。通过设计值与程序计算值对比对TASS进行验证,并利用TASS对系统启动、停堆瞬态工况进行数值模拟。结果显示,通过分两阶段、阶梯式引入正反应性和提高涡轮机械的转轴速度,堆芯流量和功率匹配良好,系统可在3.5 h内完成启动过程,达到反应堆功率3406 kW、流量14.2 kg/s的稳态运行。系统停堆过程中,反应堆可依靠自身的非能动余热排出能力,确保芯块和包壳温度与熔点间存在较大安全裕量,实现安全停堆。

空间气冷堆堆芯初步物理特性分析

为满足未来空间探测活动的大功率用电及轻质量载荷需求,以美国、俄罗斯空间气冷反应堆方案为基础,提出一个亚MW级空间气冷堆堆芯初步设计方案,并使用蒙特卡罗程序对该方案进行堆芯物理计算与分析,给出几种典型工况下的堆芯反应性以及中子分布特征。计算结果表明,该设计方案可满足反应堆的安全性要求,能实现紧急停堆,并可保证在堆芯被水淹没等设计基准事故条件下维持反应堆次临界,确保反应堆安全。此外,通过在堆芯局部燃料棒中添加热中子吸收材料,对堆芯径向功率分布进行优化,以展平径向功率分布。

空间反应堆堆芯流动换热特性优化研究

针对大功率气冷空间反应堆堆芯流动换热特性掌握不足等问题,基于空间环境应用的严格要求,对大功率气冷空间反应堆进行了堆芯流动换热特性分析与优化研究,对流量分配板、控制棒通道旁通、绕丝结构等因素进行了数值模拟研究。结果表明:流量分配板、绕丝结构均会增加堆芯局部流动阻力,但会改变局部流场特征,改善流动不均匀等问题,具体应用仍需结合堆芯总流动阻力等因素进行综合考虑;控制棒通道旁通则会影响堆芯主流区流动换热,但会对控制棒结构等的温度控制有积极影响,不同因素会产生不同影响,为获得最佳性能,需结合设计目标优先级等多种角度进行综合考虑。

紧密栅结构对氦氙混合气体流动换热的影响研究

以氦氙(He-Xe)混合气体为冷却剂的布雷顿循环气冷堆被视为兆瓦级空间能源系统中最合理的技术之一。紧密栅具有功率密度高、质量小、结构紧凑等优点,非常适用于气冷空间堆堆芯结构。本研究对He-Xe气体混合物在紧密栅棒束通道内的流动传热进行了CFD数值模拟,得到了紧密栅通道中的速度和温度场分布;比较了不同栅径比条件下He-Xe混合气体在紧密栅棒束通道内的流动换热性能参数。结果表明,随着栅径比的增加,紧密栅棒束通道的局部努塞尔数和摩擦阻力系数均为先增加后减少,其中栅径比为1.25时的总努塞尔数最大;综合换热性能的评价标准随着栅径比的变化先增加后减小,在5种栅径比中P/D = 1.15最佳。The Brayton cycle gas-cooled reactor with helium-xenon (He-Xe) gas mixture as coolant is regarded as one of the most reasonable technologies for megawatt-scale space energy systems. Compact rod bundle has the advantages of high-power density, low mass and compact structure, which is very suitable for gas-cooled space core structure. In this study, the CFD numerical simulation of the flow and heat transfer of He-Xe gas mixture in compact rod bundle channel was carried out, and the velocity and temperature field distributions in the compact rod bundle were obtained. The flow and heat transfer performance parameters of He-Xe mixed gas in rod bundle channels were compared under different pitch-diameter ratios. The results show that with the increase in pitch-diameter ratio, the local Nusselt number and frictional factor of compact rod bundle channels increase first and then decrease, and the total Nusselt number is the largest when the pitch-diameter ratio is 1.25. The evaluation criterion of comprehensive heat transfer performance increases first and then decreases with the change in pitch-diameter ratio, and P/D = 1.15 is the best among the five grid-diameter ratios.

绕丝结构对氦氙气体流动换热特性影响研究

在开放栅格式气冷空间堆堆芯的设计中,会在燃料棒上采用绕丝结构,这将对工质的流动换热特性产生很大影响。本文采用CFD方法开展了He-Xe混合气体在气冷空间堆典型带绕丝燃料通道内的流动换热特性的数值研究,获得进出口温度、压力、流速及流体密度等参数的空间分布。结果表明引入绕丝使得范宁摩擦因子出现大幅增加,部分绕丝结构会使努塞尔数降低20%~30%,且本文所研究5种绕丝结构热工水力性能比均小于1。研究结果对于气冷空间堆堆芯热设计、提高系统的安全性具有重要意义。

氦-氙混合气体动力粘度测量

针对氦-氙混合气体热物性参数的研究匮乏问题,对氦-氙混合气体的粘度进行了研究。基于双毛细管法设计实验装置,并考虑了修正项;采用氩气对实验装置进行标定后,测量了2种氦-氙混合气体(15、40 g/mol)在温度298.15~548.15 K、压力0.1~2.5 MPa下的动力粘度,并对测量结果进行了评价;为得到氦-氙混合气体高温下粘度,采用拟合粘度关系式的方法将粘度拟合值外推至温度为1273 K的粘度值。结果表明,本文实验结果与文献值符合较好;实验装置测量合成标准不确定度为3.88%,拟合值与文献值(实验值、计算值)的偏差较小。本研究为空间气冷堆设计和优化提供了基础热物性参数。