圆管内氦氙混合气体与超临界二氧化碳换热特性对比分析

小型化、高紧凑反应堆系统是陆上多用途能源供给的研究重点,直接热-动循环下的能量转换对冷却剂工质选型提出极高要求。为了明确氦氙混合气体、超临界二氧化碳的工质适用性,本文采用数值模拟方法,对二者在圆管内的换热特性进行计算,对比了2种冷却剂的物性,分析了不同加热功率、入口速度、入口温度对冷却剂换热系数的影响,拟合提出了2种冷却剂工质圆管内换热的经验模型。研究结果表明:反应堆在加热功率超过100 kW/m~2、入口流速大于10 m/s下,对流换热系数较大;氦氙混合气体入口温度在1 000~1 200 K、超临界二氧化碳在入口温度550~600 K附近时,对流换热系数存在极大值;在高雷诺数区(Re>10~4),2冷却剂的修正关系式与计算值吻合良好。本文计算能够为新型反应堆开发提供数据及模型基础。

氦氙气冷小堆燃料棒辐射散热特性分析

反应堆堆芯热工安全特性是反应堆系统安全特性最重要的组成部分。氦氙气冷小堆中燃料棒间温差大,辐射散热不可忽略。因此针对氦氙气冷小堆堆芯,不止需要考虑对流换热和热传导两种换热形式,也需要考虑辐射散热对堆芯换热的影响。本文通过建立氦氙气冷小堆堆芯1∶1精细化模型,开展反应堆堆芯内部三维辐射散热特性分析,同时获得辐射角系数。将本文模型计算结果与蒙特卡罗方法结果进行对比验证,两者相对误差小于1%,证明该辐射角系数计算方法的准确性。开展了燃料棒径距比、燃料棒表面温度、燃料棒长度等几何参数敏感性分析,关注其对燃料棒辐射散热特性的影响,并开发出一套具有普适性的堆芯内燃料棒辐射角系数经验关系式。本文通过研究燃料棒间辐射散热特性了解反应堆内辐射散热规律,为后续反应堆堆芯热工安全特性研究提供了技术支撑。

兆瓦级大型天基核动力系统方案设计研究

轨道和行星探索任务需要强大、可靠和耐用的能量,而空间核反应堆是空间推进能量密度最高的方式之一。文章提出了一种新型兆瓦级天基核动力系统的概念设计,热源采用功率为3.6 MW的快中子能谱反应堆,堆芯由氦氙(He-Xe)混合气体进行冷却,采用以He-Xe为工质的双环路闭式布雷顿系统进行能量转换,此外还开展了废热排放关键设备的结构设计以及全系统关键结构材料的设计和初步选型。研究结果表明,该系统反应堆可顺利达到临界且可满足10年以上的燃耗,流量分配后温度展平效果好,堆芯出口最大温度差91.08℃。热电转换效率为37.42%,剂量平面内的辐射剂量满足容许计限。

小型氦氙冷却移动式反应堆堆芯设计优化分析

小型移动式核反应堆电源能为偏远地区、事故应急等场景提供所需的电能和热能,而堆芯的轻量化和小型化是小型移动式核反应堆电源的设计重点。由此,基于前期概念设计,本研究提出了一个高可靠、长寿命的小型氦氙冷却固体核反应堆堆芯设计及其反应性控制方案。首先,在综合考虑反应堆寿命以及热工安全设计等限制条件的基础上,使用蒙特卡罗程序OpenMC进行了堆芯几何优化分析,得到了堆芯质量最小化的设计方案。其次,分析了含可燃毒物的布置优化方案,通过在堆芯靠近反射层附近的燃料棒中添加2%质量分数的可燃毒物Gd2O3,寿期初径向功率峰因子从2.22降低至1.43。最后,基于分层分块滑移反射层的反应性与功率控制方法,提出了反应性线性控制方案,该方案还可以保证事故情况下的反应堆安全。相关结果可为小型移动式核反应堆电源的堆芯设计及反应性控制提供参考。

氦氙反应堆子通道湍流交混系数研究

子通道分析是反应堆进行热工水力设计和安全分析的主要方法,准确模拟通道中的湍流交混系数是子通道分析的关键.已有的湍流交混系数关系式大多基于水堆开发,该研究基于计算流体力学方法开展氦氙反应堆子通道湍流交混系数研究,拟合出适用于氦氙反应堆的湍流交混系数关系式.与现有湍流交混系数关系式相比,新拟合的湍流交混系数关系式对中心通道温度的预测更加准确.

小型氦氙冷却反应堆关键参数初步研究

使用氦氙混合气体作为冷却剂结合布雷顿热电转换系统的快中子增殖堆是未来空间核动力的发展趋势。为了提高系统效率、减小系统质量,许多学者开展了空间反应堆参数设计研究,但少有涉及氦氙冷却反应堆。本文的研究内容是小型氦氙冷却反应堆关键参数的设计。通过Fortran 95语言编程构建单通道、一次表面回热器等部件模型,建立热力系统程序。采用淹没次临界反应堆基本参数进行程序验证,并通过单个参数的敏感性分析来确定关键参数范围。结果表明:回热器对系统效率和系统质量的影响最大,压气机压比超过1.52之后再增大压比对系统质量的影响较小。本研究为小型氦氙冷却反应堆的设计提供了参考。

小型氦氙冷却反应堆事故发生频率分析研究

氦氙冷却反应堆可采用一体化布雷顿循环系统,在小型化、轻量化方面具有独特优势而备受关注。但目前鲜有关于小型氦氙冷却反应堆的严重事故分析研究。概率安全评价法(Probabilistic Safety Assessment,PSA)是一种评价反应堆安全性的重要方法,可为反应堆设计改进、故障诊断、运行指导等提供有价值的依据。而始发事件发生频率是PSA分析所必需的输入参数。本文以小型氦氙冷却移动式固体核反应堆电源为分析模型,参考高温气冷堆以及压水堆运行经验及部件失效数据,分析了堆芯排热增减、反应性和功率分布异常、管道破口和设备泄漏异常、未能紧急停堆的预期瞬态(Anticipated TransientWithoutScram,ATWS)以及丧失场外电源等事故的发生频率,结果分别为3.90×10^(−2)RY^(−1)、2.36×10^(−1)RY^(−1)、2.69×10^(−2)RY^(−1)、6.50×10^(−2)RY^(−1)、2.69×10^(−2)RY^(−1)以及4.60×10^(−2)RY^(−1),分析结果为进一步开展核电源PSA分析提供基础参考价值。

钍基液态燃料熔盐实验堆氙毒分析

熔盐堆作为第四代核能系统堆型之一,液态燃料形态的特点使其可以实现在线处理和在线添料。为了提高中子经济性可以利用在线处理的氦鼓泡法,将氦气通入反应堆一回路,去除堆芯内的裂变气体(如Xe、Kr)。基于钍基熔盐液态堆(Thorium Molten Salt Reactor-Liquid Fuel1,TMSR-LF1)概念设计,结合熔盐实验堆(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE)氙毒模型,分析了鼓泡法去除氙毒中^(135)Xe扩散规律和去除效率对氙毒的影响,并给出了对应的初始有效增殖因子的变化规律。分析结果表明,虽然存在^(135)Xe会大量向石墨扩散的可能性,但是鼓泡法仍然可以有效去除TMSR-LF1堆芯内的^(135)Xe,减小堆芯毒性,提高反应性。

基于RELAP5的氦氙流动换热计算模块开发与验证

反应堆热工系统分析程序是开展热工水力计算与安全评价的重要工具。为开发适用于氦氙气冷空间堆的热工系统分析程序,本文在RELAP5/MOD4.0程序中拓展了氦氙混合气体(He-Xe)物性计算模块,添加了适用于He-Xe的传热关系式,将拓展后程序计算值与实验值进行对比。结果表明:程序默认的Sutherlands定律用于He-Xe物性计算时将引入较大误差;Dittus-Bolter公式对He-Xe对流换热时的Nu预测偏高,将导致不保守的壁温计算结果。拓展后的程序对He-Xe压降和换热计算结果均与实验值吻合较好,验证了程序开发的正确性以及程序用于He-Xe流动换热计算的功能。本研究可为系统层面程序开发奠定基础。

氦氙混合比例对堆内通道流动换热特性影响

为了研究氦氙混合比例对不同堆内通道的流动换热特性影响,本文通过对堆芯冷却剂通道进行几何、物理建模,利用STAR-CCM+对氦氙混合气体作冷却剂时的流动换热过程进行数值模拟,计算不同比例下的氦氙混合气体与燃料棒间流动换热的对流换热系数。结果表明:氦氙混合气体的物性会影响对流换热系数的变化趋势,在氦氙混合气体摩尔质量为15~20 g/mol时换热性能最好;在相同的流通面积下,冷却剂通道当量直径越大,对流换热系数越小。相关研究结果可为空间堆的设计提供有益参考。

氦-氙混合气体物性对布雷顿循环影响分析

将对应态原理用于Chapman-Enskog理论修正,得到的半经验公式可较好地预测二元惰性混合气体物性。采用Fortran 95开发了氦-氙混合气体物性计算程序,分析了氦-氙混合气体物性随摩尔质量、温度、压力的变化关系。在此基础上分析了物性变化对空间布雷顿循环的绝热系数、对流换热性能、阻力特性的影响。结果表明:压力为2.0 MPa、温度为400K时,随着摩尔质量的增加,氦-氙混合气体的绝热系数由0.40(纯氦气)增加到0.44(纯氙气);混合气体相对于纯氦气的相对对流换热系数随摩尔质量的增加呈先增大后减小的趋势,在15g/mol附近取得极大值;相对压损系数则随摩尔质量的增加单调递增。分析结果可为氦-氙混合气体在空间核反应堆电源中的应用提供设计依据。

熔盐堆^(135)Xe和^(135)Xe^(m)迁移效应对反应性的影响

熔盐堆采用液态燃料盐作为燃料,^(135)Xe作为反应堆中较重要的中子毒物,会随燃料盐的循环而在一回路流动。同时熔盐堆采用氦泡鼓气系统将裂变产物中的氪、氙等气体裂变产物吹出堆芯,提高中子经济性。根据TENDL—2021关于^(135)Xe^(m)热中子吸收截面的评估,其大于^(135)Xe的截面。为更准确地预测氙对反应性的影响,本文基于集总体积法,考虑燃料盐的流动效应,在模型中加入^(135)Xe^(m)热中子吸收截面相关数据,并采用美国8 MW熔盐实验堆(MSRE)的实验结果进行了验证。结果表明,模型计算结果与实验结果符合良好。将包含和不包含^(135)Xe^(m)影响的氙毒在^(233)U或^(235)U为燃料的情况下进行了对比,结果表明,^(135)Xe^(m)对稳态氙毒会产生一定的影响,且随功率的增大影响逐渐增大。最后通过石墨与氦泡之间的相互作用,评估了石墨、燃料盐和氦泡对氙毒的贡献,结果表明,氦泡与石墨之间的相互作用不可忽略。

高负荷轴流压气机内以氦-氙混合气为工作介质的评估（英文）

本文评价了分子量为15g/mole 的氦-氙双项混合气体作为流动工质在核电厂轴流压气机的应用。由于纯氦具有普遍的传输特性,在很多情况下很难被压缩,因此是一种最佳的冷却剂。同时,纯氦工质在高温气冷堆(HTGR)的应用引起了涡轮机械的尺寸更大、质量越来越大、成本更高及叶轮机械的动力问题。为此,本文设计了一台高负荷氦氙压气机,并对其性能进行了分析。结果显示,只有18%的氦气压气机级需要在高负荷氦气-氙气压气机中将气体压缩至所需压力。通过设计分析,工作在闭式布雷顿循环(CBC)中高温气冷堆(HTGR)压气机,可由16 级减少到2 级。因此,在高温气冷堆电厂的涡轮压压气中,氦氙比纯氦更有优势。

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。

空间核反应堆电源闭式Brayton循环热力学分析

空间核反应堆电源闭式Brayton循环一般采用氦-氙混合气体作为循环工质和反应堆冷却剂,设计者为选择合适的循环工质,需研究氦-氙混合气体配比成分变化对循环效率的影响。该文建立空间核反应堆电源闭式Brayton循环热力学模型,采用Fortran 95编程对其进行热力学分析,从绝热系数、回热器回热度、相对压损系数的变化分析了氦-氙混合气体摩尔质量变化对循环效率的影响。结果表明：绝热系数对循环效率的影响较小;回热器回热度越大,循环效率越高;相对压损系数越大,循环效率越低。由于氦-氙混合气体摩尔质量的增加,会降低空间Brayton循环压气机和透平级数,因此选择使回热器回热度达到最大时的配比成分He-8.6%Xe作为循环工质,在给定循环冷/热端温度为403K/1 300K的条件下,可以获得29.18%的循环效率。