稀土氧化物Gd_(2)O_(3)、Nd_(2)O_(3)、Sm_(2)O_(3)和Dy_(2)O_(3)在KCl-LiCl-Li_(2)O熔盐中的电解

采用循环伏安法和计时电位法研究了Li_(2)O在KCl-LiCl熔盐中的电化学行为,并利用卷积伏安法计算了923 K下O_(2)-在KCl-LiCl熔盐中的扩散系数(D),得到D=0.5×10^(-5) cm^(2)/s。以Gd_(2)O_(3)、Nd_(2)O_(3)、Sm_(2)O_(3)和Dy_(2)O_(3)为阴极,在KCl-LiCl-Li_(2)O(w=1%)熔盐中进行电解(恒电压3.40 V、电解温度923 K、电解时间25 h)。通过X射线衍射分析(XRD),证实稀土氧化物被部分还原为金属,并分析了电解过程中可能发生的反应。同时利用PRS模型(该模型可将固态阴极内离子的极限扩散速率与固态氧化物孔隙P、金属/氧化物摩尔体积R、阴极还原后的体积收缩率S等参数关联)分析了这些稀土氧化物的电解还原模型,得到Gd_(2)O_(3)、Nd_(2)O_(3)、Sm_(2)O_(3)和Dy_(2)O_(3)的最优孔隙率分别为18.7%、24.2%、30.6%、16.7%,最短电解时间分别为133、157、143、119 h,将这些结果与电解实验结果进行对比,发现阴极的孔隙率和电解时间均不满足金属氧化物完全被还原的要求,并给出了相应的解释。

KCl-LiCl-KF系熔盐介质中MgAl_2O_4粉体的合成制备

以工业氧化铝和轻质氧化镁（分析纯）为主要原料,在500-1 000℃范围内,研究了KCl、LiCl及KCl-LiCl熔盐介质中MgAl2O4粉体的合成制备以及KF的作用和影响。采用X射线衍射仪、激光粒度分析仪及扫描电子显微镜对产物粉体进行了分析表征,并探讨了MgAl2O4的合成反应机制。结果表明：1）复合熔盐（KCl-LiCl）较之单一熔盐（LiCl、KCl）、单一熔盐LiCl较之KCl更有利于MgAl2O4粉体的合成;2）KF的引入能促进熔盐介质中MgAl2O4的形成,并明显降低MgAl2O4的合成温度;3）在未引入KF的熔盐介质中,MgAl2O4合成反应机制为模板机制;在引入KF的熔盐介质中,MgAl2O4合成反应机制包括模板机制和溶解-沉淀机制。

钍基熔盐反应堆内化学研究进展和展望

熔盐反应堆是第四代核能系统中唯一使用液态燃料的反应堆,在钍基熔盐反应堆研制和运行中有许多直接与化学相关的关键问题,堪比“化学堆”。于是,因熔盐反应堆研发和运行的需要诞生了放射化学在裂变能利用中的一门新分支学科——熔盐反应堆化学。本实验室利用加速器驱动的中子源和γ能谱分析技术开展了钍基熔盐反应堆化学研究。本文介绍了钍铀转换中间核素~(233)Pa和裂变产物~(131)I及~(95)Nb在熔盐反应堆模拟燃料盐中分布和行为的研究进展。基于对美国橡树岭国家实验室(ORNL)的熔盐反应堆实验装置运行中的燃料盐、锕系元素和裂变产物等相关若干问题分析,提出了在钍基熔盐反应堆框架内熔盐反应堆内化学方面应该进一步开展的研究内容,包括钍基熔盐反应堆运行的化学检测和诊断、影响熔盐氧化还原电势的因素、熔盐氧化还原电势检测的新技术等。熔盐反应堆化学研究的进一步深入将拓展熔盐反应堆化学实践和理论,使钍基熔盐反应堆化学水平提升到新高度,为未来钍基熔盐反应堆高效安全运行提供科学技术方面的支撑和保障。

冰晶石-月壤熔盐体系初晶温度的研究

冰晶石熔盐电解法可实现月壤原位利用制备金属和氧气,研究冰晶石-月壤熔盐体系的初晶温度对电解槽稳定运行具有重要意义。本文以火山渣和玄武岩复配的NEU-1月壤仿真样为原料,与冰晶石、CaF_(2)混合配置电解质,将其作为待测试样,利用差热分析法测量了不同月壤仿真样添加量、不同分子比的冰晶石熔盐体系的初晶温度。结果表明,当分子比为2.2时,随着月壤仿真样添加量从0%增加至24%,冰晶石熔盐体系的初晶温度从974.9℃降低至932.0℃;每添加1%的月壤仿真样,冰晶石熔盐体系的初晶温度降低约1.79℃;当月壤仿真样添加量为8%时,随着分子比从2.2升高至2.7,冰晶石熔盐体系的初晶温度从960.0℃升高至979.4℃。

基于熔盐堆尾气提取的99Mo生产评估

基于熔盐堆尾气提取99Mo同位素的生产方法引起了广泛的关注,但目前的工作局限于评估堆芯中99Mo的产量,对于其在整个回路中的迁移行为的关注不足。本文建立了一个熔盐堆中的贵金属迁移模型,并基于8 MW熔盐实验堆(Molten-Salt Reactor Experiment,MSRE)进行了贵金属分布验证,而后对MSRE尾气中99Mo粗产品的产量、比活度及运行状态的变化对生产的稳定性的影响进行了分析。结果表明,尾气中的99Mo有较高含量和比活度,移除率增加的工况对99Mo的比活度的影响是有益的,空泡比例及氧化还原电势变化的工况对99Mo的比活度影响不大,该方法可作为一种潜在的99Mo生产备选方案。

FLiBe熔盐中铀与镧系(Eu、Sm、Yb、La、Ce和Ho)氟化物的电化学性质及分离

利用电化学方法在熔盐介质中进行乏燃料的后处理分离是干法后处理中研究最广泛的技术之一,其核心内容就是采用电解法实现锕系元素和镧系元素分离。本文采用循环伏安法、方波伏安法和恒电位电解法研究了FLi Be(Li F-Be F_(2))熔盐中UF_(4)和Ln F_(3)(Ln=Eu、Sm、Yb、La、Ce和Ho)的电化学行为和分离可行性,在FLi BeUF_(4)-Ln F_(3)混合熔盐体系中使用W电极开展了UF_(4)与Ln F_(3)电解分离研究。结果表明:在惰性钨(W)电极上U4+的氧化还原反应分为两步,分别是U^(4+)+e^(-)→U^(3+)和U^(3+)+3e^(-)→U^(0),而Yb^(3+)、Sm^(3+)、Eu^(3+)只能发生一电子转移还原为+2价态的Yb^(2+)、Sm^(2+)、Eu^(2+)的离子,La^(3+)、Ce^(3+)和Ho^(3+)离子在FLi Be熔盐电化学窗口内则没有明显的电化学信号;X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)和能量色谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)结果证明了W电极上的电解产物为金属U、UF_(3)和夹带的熔盐,而不含有Ln F_(3)的电解产物。这些研究结果为熔盐堆燃料中锕系元素和镧系元素的分离提供了基础数据。

FLiNaK熔盐中CsF的定向凝固分离研究

熔盐反应堆采用氟化物熔盐作为冷却剂和燃料载体,运行后的燃料成分为铀、钍、裂变产物和载体盐,对裂变产物进行分离并回收有效组分复用,可以提高反应堆的运行经济性,并且使放射性废物最小化。定向凝固技术是利用多元混合物的相平衡特性和凝固过程元素迁移机制实现物质分离,具有工艺操作简单、无副产物产生等优点,有望用于燃料盐中裂变产物分离。在自制的冷棒式定向凝固实验装置上,研究了FLiNaK熔盐体系内典型裂变产物CsF在不同工艺条件下定向凝固后的含量分布。研究结果表明:通过控制冷却凝固速度,得到的凝固盐中Cs元素的含量在径向上呈现出梯度分布,由内向外依次递减,外侧凝固盐中Cs含量相较液相中最高降低约90%,表明燃料盐中裂变产物定向凝固分离具有一定的可行性。

添加阻热环的熔盐堆用冷冻法兰的结构优化与评价

针对熔盐堆用冷冻法兰使用时中心孔处应力较大、易出现裂纹等问题,提出在法兰内部嵌入阻热环的结构优化方案(阻热环由纯镍包覆,内部填充导热系数很低的气凝胶),以期降低法兰的温度梯度从而降低应力。探究法兰颈部厚度对法兰密封处温度和最大应力的影响,以及拉伸方向(法兰接管方向和径向)对法兰最大应力的影响,以期在降低法兰应力的基础上降低法兰的质量和尺寸。采用有限元法计算法兰的温度、应力及蠕变疲劳损伤。结果表明:法兰内置阻热环可降低温度梯度,进而降低法兰应力;法兰密封处的温度和应力随法兰颈部厚度的减小而降低;沿接管方向拉伸法兰可降低法兰最大应力。最终优化方案中法兰的质量、尺寸大幅下降,减重效果明显,满足ASME NH高温评定要求。

NdF_(3)在LiF熔盐中的溶解及离子结构

LiF-NdF_(3)熔盐体系中离子的构成形式对解析电解钕工艺的电解过程至关重要,本文采用冰点降低法分析LiF-NdF_(3)熔盐体系的离子结构。通过Temkin和Flood模型及热力学计算分析熔盐体系内可能存在的离子团簇,结果表明,NdF_(3)在LiF中的溶解模型符合TemkinⅠ、TemkinⅡ、TemkinⅥ、TemkinⅦ和FloodⅡ、FloodⅥ、FloodⅦ,在LiF-NdF_(3)熔盐体系中主要形成含有1~2个Nd^(3+)的分子团簇,NdF_(3)在LiF内溶解主要形成游离的Nd^(3+)、F-、Li^(+)以及Li^(+)·[NdF_(4)]^(-)、Li^(+)·[Nd2F7]-、2Li^(+)·[Nd_(2)F_(8)]^(2-)分子团簇。

150 MWt熔盐堆(SM-MSR)反应性引入事故后果的不确定性及参数敏感性分析

熔盐反应堆是第四代核反应堆的6种候选堆型之一,具有良好的安全特性。反应性引入事故是熔盐堆重要的设计基准事故之一,通过对150 MWt模块化熔盐堆(Small Modular Molten Salt Reactors,SM-MSR)反应性引入事故的分析和研究有利于深入了解熔盐堆的安全特性。研究150 MWt熔盐堆反应性引入事故分析结果的不确定性和参数的敏感性,为熔盐堆设计和安全分析提供重要的支持。采用RELAP5-TMSR程序建立瞬态分析模型,并采用基于蒙特卡罗方法的输入不确定性传递方法研究反应性引入事故的不确定性,通过多元线性回归法分析参数的敏感性。分析结果表明:反应性引入事故堆芯出口温度最高值为727.4℃,低于安全限值(800℃),燃料盐出口最高温度分布符合正态分布。熔盐堆具有良好的固有安全特性,在反应性引入事故下,影响反应堆安全最敏感的5个因素分别为燃料盐密度、堆芯阻力系数、堆芯功率、一回路阻力系数、停堆深度。

热流固耦合下不同载荷对光热熔盐泵转子运行稳定性的影响

光热电站熔盐泵转子系统由于其自身结构及外部载荷激励,在极端运行工况下难以维持运行稳定性。针对该问题建立有限元模型,分析了温度载荷、流场力载荷、离心力载荷等对熔盐泵转子的应力变形规律;设置4种不同轴段长度的转子模型,分析不同转子模态振型、固有频率以及临界转速等动力学特性。研究发现:转子结构中最大等效应力出现在首级叶轮叶片进口与前盖板交界处,最大变形出现在首级叶轮前盖板尾缘处,流场载荷与质量力载荷使应力与变形在叶轮上大致呈现中心对称分布,温度载荷使得叶轮产生较大的形变;对首级叶轮进行强度校核后,所选材料满足结构强度要求。模型转子的固有频率随中间轴段长度的增加而降低,湿态转子模型的固有频率略低于干态固有频率;其他转子的一阶临界转速均小于转子的设计转速,只有A9转子的临界转速满足±10%安全裕度,不易在运行过程中发生共振。研究结果对于该类型泵安全稳定运行以及在能源应用等领域具有重要的指导意义。

熔盐堆下舱室非能动冷却系统的优化设计

熔盐堆下舱室非能动冷却系统是确保反应堆安全运行的重要保障,其结构设计是热工水力设计中的重要一环,其功能是保证熔盐堆下堆舱所有设备在反应堆正常运行时不超温,同时在事故工况下,能够最大程度地导出堆芯衰变热。基于一种热功率为153 MWt的百兆瓦级熔盐堆的概念设计,建立了熔盐堆下堆舱的1/4结构模型,使用ANSYS FLUENT 20.1软件进行下堆舱三维流场与温度场的数值模拟,通过优化下舱室非能动冷却系统的结构布局、空气环腔的结构尺寸、隔热板上保温棉厚度以及进风管的入口位置,使得下舱室内双通道非能动空冷系统的热屏蔽效果最好,且在事故工况下导出堆芯衰变热最多。结果表明:改变空冷系统中空气环腔的结构尺寸对下堆舱热屏蔽结果的影响很小;在空冷系统的中间隔板上增加保温棉可以显著降低侧面混凝土墙的温度;冷却系统的进风管入口位置距离空冷环腔顶端越近热屏蔽效果越好。据此最终设计出了一种新型的下舱室内双通道非能动空冷系统,达到了153 MWt熔盐堆下堆舱的屏蔽冷却的设计要求。为未来大功率熔盐堆下舱室内非能动余热排出系统的工程优化设计提供了重要参考。

熔盐辅助合成硼化铪工艺研究

这是一篇冶金工程领域的论文。以氧化铪和碳化硼为原料,采用氯化钠为熔盐介质,通过硼/碳热还原法合成了纯度较高的硼化铪粉体。研究了反应温度、保温时间等合成工艺参数以及原料配比对材料晶相组成和显微结构的影响。结果表明,以氯化钠为熔盐介质时,氧化铪在1300℃的合成温度下开始转化为硼化铪,其温度远低于传统的硼化铪合成所需温度。在硼过量20%,反应温度和保温时间分别为1400℃和2 h所制备的硼化铪粉体纯度较高,X射线衍射中可以明显观察到硼化铪结晶峰,且在扫描电镜中可以观察到紧密团聚形貌的硼化铪。

NdF_(3)-LiF-Nd_(2)O_(3)-NdF_(2)熔盐体系结晶行为的研究

氟化物体系稀土氧化物熔盐电解过程中,熔盐的结晶析出行为显著影响电解过程,为此本文针对NdF_(3)-LiF-Nd_(2)O_(3)、NdF_(3)-LiF-NdF_(2)以及NdF_(3)-LiF-Nd_(2)O_(3)-NdF_(2)三种熔盐体系(NdF_(3)和LiF质量比固定为85∶15),采用降温黏度曲线测定熔盐的结晶温度,通过X射线衍射分析结晶物相。结果表明:NdF_(3)-LiF-Nd_(2)O_(3)和NdF_(3)-LiF-NdF_(2)熔盐体系中,随着熔盐中Nd_(2)O_(3)或NdF_(2)含量的增加,熔盐的结晶温度升高,熔盐的结晶物相分别为NdOF和NdF_(2);NdF_(3)-LiF-Nd_(2)O_(3)-NdF_(2)熔盐体系中,当Nd_(2)O_(3)含量为2%~3%、NdF_(2)含量为1%~3%时,熔盐结晶温度在981~988℃范围内,且NdOF与NdF_(2)共结晶。适当提高电解槽底部温度、改善底部熔盐的流动性,是抑制稀土熔盐电解过程熔盐结晶析出的有效方法。

电阻式熔盐加热器内部传热特性研究

高温熔盐电加热器是储热系统中实现电热转换的核心设备,掌握内部温度分布特性是推动其结构优化的关键。文章建立了传统电阻式熔盐加热器计算模型,采用CFD软件,通过求解三维N-S方程和能量方程,研究了加热器内部温度分布特点,得到了电加热器内部温度分布在不同工况下的变化规律。结果表明:沿流动方向上熔盐和管壁温差逐渐增加,而多组串联布置能够有效降低传热温差,在加热器连接处二者温差可从27℃降低至2℃;同时,由于内部加热管密集程度不一致,横截面内中心位置熔盐、电阻丝、填充材料温度明显高于边缘位置,且伴随着负荷的增加温度梯度也逐渐增加,当平均热流密度从5.71 W/cm^(2)增加至28.57 W/cm^(2)时,截面熔盐温差从49℃升高至68℃,可以看出,合理分配电加热管排布是降低截面温差、减小热应力的关键。

硫化物沉淀分离LiF-BeF2熔盐中稀土类裂变产物

熔盐堆核燃料后处理过程中分离去除裂变产物,回收载体熔盐,既可减少废物量,又有利于实现有用物质的循环利用。采用水合硫化钠(Na2S∙5H2O)作为沉淀剂,研究了LiF-BeF2熔体中研究了氟化稀土(Ce、Nd、Sm、Eu、Y、Yb)以及氟化钍的高温沉淀反应,比较了不同条件下稀土的去除率。研究表明:600℃、稀土与沉淀剂的比例为1∶2时,稀土的去除率均低于90%。为进一步提高去除率,采用沉淀-蒸馏联合的方法,沉淀后的混合盐继续升温至950℃,压力10 Pa的真空条件下蒸馏20 min,冷凝收集盐中稀土Nd的含量降低至1.39×10^(-4) g∙g^(-1),Nd的去除率提高至99.6%,同时氧、硫的含量分别为8.5×10^(-5) g∙g^(-1)、1.50×10^(-4) g∙g^(-1)。进一步利用X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)、X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)、能量色谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)等手段分析沉淀物的组成,确定沉淀物主要为稀土硫化物及稀土硫氧化物。研究表明,硫化物沉淀法从废熔盐中分离稀土具有可行性,采用沉淀-蒸馏联合处理获得稀土99%以上的分离效率,这为纯化废盐、实现熔盐的重复利用提供参考。

熔盐电解质体系及在制备铝合金中的研究进展

铝合金具有抗腐蚀、易于加工、强度高、密度小等优点,在各行各业中都有着大量的应用。采用熔盐电解法制备铝合金具有生产工艺简单、效率高、生产成本低、生产周期短等特点,近些年来得到广泛关注,其中熔盐体系的选择成为主要的研究热点。本文以温度划分熔盐体系为高温熔盐和离子液体,综述了这2种熔盐体系的优点、分类以及一些反应机理,并从这2类熔盐体系出发,分别介绍了一些铝合金的制备工艺以及相关的技术创新。最后,分别阐述了高温熔盐和离子液体所存在的优缺点,并对其未来发展趋势进行了展望。

基于熔盐储热的燃煤机组调峰可行性分析

随着新能源发电装机量增加导致电网调峰压力增大,火电机组要承担更多调峰任务,但目前火电机组的灵活性和调峰能力都较差。针对某亚临界300 MW燃煤机组,进行熔盐储能改造,提出了6种储热策略和2种放热策略,分析了3种工况下储-放热过程对机组调峰能力及热力性能的影响,并用净现值法进行了技术经济分析。结果表明:抽再热蒸汽储热可行性高,调峰深度能到58.9%,但会增加煤耗;放热时,加热给水产生蒸汽做功的发电增量最大,能到额定发电量的11.3%,但对熔盐的温度水平要求高;高温熔盐代替低压加热器预热给水可行性高,但发电增量低;储-放热全过程中,循环电效率最高可达0.987;进行了储热改造经济性分析,计算得动态投资回收期为11.65年,净现值为4911.8万元,改造方案可行。

高温熔盐印刷电路板式换热器的热工水力特性研究

印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE)换热效率高,结构紧凑,可作为小型模块化熔盐堆热量传输的关键设备,对其流动换热特性的研究具有重要意义。采用数值模拟方法,以翼型通道的熔盐(FNaBe)-氦气换热器为研究对象,通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟计算对其熔盐侧的传热特性和阻力特性进行对比分析,分别得到不同温度、翅片类型和不同节距结构下的熔盐(FNaBe)-氦气换热器的流动换热特性,并与传统直通道结构对比进行综合评估。研究结果表明,数值模拟的计算结果与实验结果对比符合较好,翼型翅片流道结构相较于直通道结构能够强化传热、降低阻力,其中节距为8 mm的NACA0025翼型翅片流道结构的流动传热特性最好。本研究建立的数值模拟方法能够用于印刷电路板式换热器的流动传热特性的预测,拟合出节距为8 mm的NACA0025翼型翅片结构的经验关联式,为后续换热器的设计提供理论基础。

KCl-LiCl-MgCl2熔盐体系中共电沉积制备Mg-Li合金及理论分析

在670℃的KCl-LiCl-MgCl2熔盐体系中通过共电沉积方法制备了Mg-Li合金,并进行了理论分析。循环伏安表明:670℃时,锂在镁上(镁预先沉积到钼丝上)的欠电位沉积形成了液态的Mg-Li合金;当MgCl2质量分数为10%时,出现了Mg-Li合金成核。极化曲线表明:在含有5% MgCl2的熔盐中,MgCl2的极限电流密度为0.35 A·cm-2,超过此值时,Mg和Li就能产生共电沉积。对沉积物进行X射线衍射和电感耦合等离子体发射光谱(ICP)分析表明:通过恒电流电解得到了3种不同相的Mg-Li合金。在电流密度为6.21 A·cm-2电解2h条件下,只有当MgCl2质量分数小于10%时,才能得到Mg-Li合金。并通过Nernst和浓差极化方程讨论了MgCl2浓度对于Mg-Li合金形成的影响。Mg-Li合金中锂的含量能够通过熔盐中的MgCl2浓度配比和电解参数来控制。实验证明这种直接从原料入手,通过共电沉积制备Mg-Li合金的新方法是可行的。