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。

熔融不锈钢与液态钠相互作用的瞬态换热特性研究

钠冷快堆严重事故下,堆芯熔融物会与液态金属钠发生相互作用,如果导致堆芯区域内出现钠沸腾的现象,可能会导致堆芯的再临界,从而导致堆芯的进一步熔化。在重定位过程中,堆芯熔融物与液态钠的换热会导致钠出现沸腾,从而影响熔融物射流碎裂与碎片形成。因此,采用严重事故分析程序ACENA对COSA实验平台上开展的熔融不锈钢与液态钠的相互作用的实验进行分析,验证程序对熔融不锈钢与液态钠相互作用过程的瞬态换热特性的分析能力。验证结果表明:程序会高估熔融不锈钢射流与钠池接触时的换热,且不考虑熔融不锈钢外侧凝固形成的硬壳对换热的影响会导致对换热速率的高估。

双面冷却熔盐堆组件热工分析程序开发与验证

新型液态燃料熔盐堆双面冷却组件相比传统熔盐堆组件具有更大的换热面积和更短的石墨导热距离,因而具有更低的石墨温度热点,然而由于其不同的几何结构特征和熔盐自发热特性,组件内存在独特的热量分配和冷却剂流量分配的问题。为准确高效评估新型组件的热安全边界,有必要开发新的计算分析工具。本研究基于MATLAB开发了适用于熔盐堆双面冷却组件的一维稳态热工分析程序THDA-MSR(Thermal-Hydraulic Analysis Code for Dual Cooled Assembly-Molten Salt Reactor),考虑熔盐自发热的特点,建立了组件内外流道内熔盐的一维温度分布模型和熔盐石墨对流换热模型以及石墨导热模型,根据并联通道压损相等原则建立流量分配模型,通过CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟对程序计算结果进行了验证,并初步分析了各结构参数对组件最大熔盐出口温度和石墨温度热点的影响。THDA-MSR的计算结果与CFD结果吻合较好,压损偏差小于4.84%,石墨温度热点偏差小于0.15%,分析结果发现:外通道截面积占总流道截面积比是影响最大熔盐出口温度和石墨温度热点的关键参数。以上研究结果表明,自编程序能很好地预测组件流量分布、组件压损、熔盐温度分布和石墨温度热点。THDA-MSR能够应用于熔盐堆双面冷却组件热工水力性能分析评估,对于组件选型设计有较大工程参考价值。

熔盐堆核燃料盐贮存的核临界安全分析

熔盐堆是国际公认推荐的6种第四代反应堆型之一,可以使用液态核燃料,其核燃料生产、转运和贮存所涉及工艺过程与常规固态核燃料堆型也不同。为做好核燃料管理和核安全监管,有必要对其贮存的临界安全进行分析。本研究参考美国液态燃料熔盐反应堆MSRE(Molten Salt Reactor Experiment)相关设计参数,通过选取液态燃料熔盐堆核燃料的贮存建模、临界参数分析、蒙特卡罗中子输运软件仿真模拟计算,分析不同因素对核燃料盐贮存的影响,总结了设计模型下干燥环境贮存、水淹环境贮存的keff值及与燃料盐总质量变化的规律。最终,得到了不同情况下次临界安全控制的质量及与对应原料盐、中间产物、考虑容器壁影响时的对比。本研究结合法律法规及核材料流转过程进行分析讨论,归纳核燃料盐核临界安全特性,从核安全监管角度首次提出了相关监督审评要点。

工作条件对干法后处理高温熔盐离心泵影响的数值模拟研究

本文针对乏燃料干法后处理高温熔盐离心泵输送LiCl-KCl熔盐过程,开展了不同操作条件和物性参数下的数值模拟研究。基于Fluent数值模拟软件,选用标准k-ε湍流模型,压力和速度耦合采用Coupled算法,对比了熔盐泵水力性能和内部流场的变化情况。结果表明,不同工作条件下熔盐泵外特性曲线走向及内部流场压力、速度分布规律相一致。等流量工况下转速增大熔盐泵扬程、功率增大,最佳效率点向大流量偏移,推荐干法熔盐泵转速范围为2750~3150 rpm。泵的扬程、效率均随输送熔盐粘度的增大而减小。泵的扬程对输送LiCl-KCl熔盐密度的变化不敏感,随密度增大,泵的功率和效率均上升,相同条件下熔盐粘度对泵性能的影响大于密度。本文结果可为干法后处理高温熔盐泵设计和实验的改进提供参考。

干法后处理熔盐电解精炼过程数学模型研究

熔盐电解精炼是乏燃料干法后处理的核心工艺单元,通过数学模型探索高温熔盐电解精炼过程的化学与电化学变化,可为电解精炼工艺优化和设备设计提供参考依据。本文基于电化学热力学及物质传递公式建立了乏燃料熔盐电解精炼过程的数学模型,以铀钚锆三元合金燃料为研究对象,计算了燃料中关键元素的电极电势、分电流及物料分布随时间的变化。采用向后差分法对物料分布变化方程进行离散,通过文献实验数据对建立的数学模型进行了准确性验证。结果表明,模拟计算所得阴极沉积铀产品与实验数据的相对误差为2.80%,所建数学模型具有较好的拟合性。同时采用所建模型模拟计算了电流强度对乏燃料电解精炼过程的影响,结果表明电解速率与电流强度呈正比,不改变钚铀锆的溶解和沉积顺序。

二元碳酸熔盐在氧化镍表面热物性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,研究了高温下碳酸钠、碳酸钾二元熔盐与氧化镍板的界面体系。研究得到了界面热阻、热导率和黏度等热物性随温度的变化规律,对比了不同温度下均相熔盐材料和界面处熔盐材料的热物性的差异,并且通过密度分布和径向分布函数揭示了热物性发生变化的微观机制。模拟结果显示:温度升高时,熔盐离子间距离增加,范德华力和库仑力相互作用减弱,使得离子间能量传递更加困难,界面热阻、熔盐热导率均下降;同时,熔盐黏度也因为相互作用减弱,熔盐离子自身振动能量增加、运动趋向增强而下降。

熔融碳酸盐燃料电池堆开发及其性能试验

针对大面积熔融碳酸盐燃料电池及其大功率电堆本体开发过程中关键材料的制备以及匹配特性难题,开发了大面积熔融碳酸盐燃料电池隔膜和电极的制备方法,提出了10 kW级熔融碳酸盐燃料电池堆的组装与测试运行方法。组装并运行了120节、每节电池有效面积为0.2 m^(2)的10 kW级MCFC电堆,恒电压放电测试中,最大输出功率达16.51 kW,电流密度大于95 mA/cm^(2)。通过多次试验研究与分析,获得了一种有效的在线评价MCFC电解质隔膜焙烧效果的方法,使熔融碳酸盐燃料电池本体中隔膜、电极以及熔盐电解质三者形成良好的匹配,对提高MCFC电池堆组装成功率与长周期的运行寿命具有重要指导意义。电池堆本体开发及性能测试方法,将为后续更大功率的熔融碳酸盐燃料电池发电系统的开发提供有效的理论与试验指导,对推动MCFC的商业化示范推广等具有重要的意义。

熔融碳酸盐燃料电池阴极溶解与防护

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是一种高效、可持续发电技术,其能源转换效率高、排放净化度高,是一种极具前途的发电技术。但是,由于其高工作温度和熔融碳酸盐电解质的特殊性质,MCFC的发展一直受到阻碍。其中,阴极溶解是一个严重的问题,会导致Ni短路等一系列问题,影响燃料电池的性能和寿命。本文综述了降低熔融碳酸盐燃料电池阴极溶解的策略,简述了近年来从替代材料、涂层改性和添加剂三个方面对阴极溶解的改善研究,探讨了替代NiO材料的方案不完全可行的问题,并提出了使用涂层技术来增强NiO阴极化学性能和降低阴极溶解度的可能性。涂层技术的优缺点也被详细列举,包括溶液浸渍电镀、溶胶-凝胶工艺和原子层沉积等一系列研究进展和性能。此外,本文还探讨了增加电解液碱度和向NiO中添加碱性氧化物来减少阴极溶解的方法,但也指出添加过多氧化物会降低电池性能的风险。综合分析表明,通过开发新型添加剂和涂层技术弥补合金作为阴极材料的性能缺陷,尝试制备新型复合材料等途径,有望获得高性能、低成本的阴极材料,从而实现MCFC的大规模商业化应用。

基于EPICS架构的熔盐堆实时建模与仿真平台开发及验证

核电仿真技术被广泛地应用于反应堆设计、安全分析、独立安全评价、事故缓解措施、控制与保护系统设计与优化、先进主控室设计验证、操作员培训等方面的研究,有效地提高了核电厂的安全性和经济性。为满足液态燃料熔盐堆实时建模与仿真需求,基于实验物理与工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)的开源、开放式架构,集成了具备实时动态交互功能的液态燃料熔盐堆系统分析程序RELAP5-TMSR和图形化人机交互界面模块,扩展了可视化控制与保护系统模块,开发了适用于液态燃料熔盐堆的开放式实时建模与仿真平台ThorTypography。以熔盐实验堆(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE)的启泵、停泵、自然循环和反应性引入实验作为基准题,对ThorTypography平台开展了正确性验证和实时性测试。验证和测试结果表明:ThorTypography实时建模与仿真平台的计算结果和RELAP5-TMSR独立计算结果基本一致,均与MSRE实验数据符合较好;实时性测试数据显示,平台具有良好的实时性能。ThorTypography适用于液态燃料熔盐堆系统实时建模与仿真,能够为熔盐堆设计、运行和安全分析提供有效的支持。

干法后处理流程中电解精炼设备研发进展

高燃耗快堆乏燃料具有高钚含量、强放射性、高释热率等特点。基于溶剂萃取原理的水法后处理工艺存在溶剂易辐解等问题,宜对高燃耗快堆乏燃料采用干法后处理工艺进行处理。熔盐电解干法工艺采用耐辐照的无机盐为介质,通过电化学方法分离回收锕系元素,是最具应用前景的干法后处理技术。在熔盐电解干法工艺流程中,承担锕系元素分离任务的电解精炼单元是核心环节。本文调研了乏燃料干法后处理过程中电解精炼设备的研发进展,分析了电解精炼设备关键技术和发展趋势,为我国快堆乏燃料电解精炼设备的研发提供了参考。

钠冷快堆堆芯熔融物射流碎裂特性理论研究

在钠冷快堆严重事故下,堆芯熔融物可能掉入冷却剂中并与液态金属钠相互作用,导致熔融物的碎裂及凝固,并在堆芯捕集器或下封头内重定位形成堆芯碎片床。熔融物的射流碎裂特性直接关乎堆芯碎片床的冷却及再临界行为。本文基于线性稳定性理论、运动学方程和交界面修正拉普拉斯定律,推导出考虑沸腾和凝固效应的熔融物射流表面不稳定性增长方程,建立了液态金属钠中熔融物射流碎裂模型,并提出了典型环境中熔融物射流碎裂准则。随后使用熔融物射流碎裂模型对COSA实验结果进行了对比分析。本研究结果将为钠冷快堆严重事故的评估论证提供可靠工具,对严重事故缓解措施的设计也具有重要的指导意义和参考价值。

熔盐堆堆芯应急排盐系统可靠性分析及优化

堆芯应急排盐系统作为熔盐堆特有的安全系统,具有排盐和余热排出功能,为熔盐堆提供了一种紧急停堆方式。为定量化分析堆芯应急排盐系统的可靠性,以美国橡树岭实验室的熔盐实验堆(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE)为研究对象,使用概率安全分析软件RiskSpectrum建立和计算MSRE堆芯应急排盐系统故障树,得到系统失效概率为5.62×10^(-4),并进行最小割集分析和重要度分析,识别出影响系统失效的关键因素是外套管泄漏失效、控制冷冻阀冷却气的电磁阀共因失效和气动阀共因失效。通过套管换热元件中减少使用焊缝连接,以及采用不同类型部件控制冷冻阀冷却气,可明显降低系统失效概率。分析结果为液态熔盐堆应急排盐系统工程应用研究提供参考。

UO_(2)在碳酸盐熔盐中的反应行为研究

为获得UO_(2)在碱金属碳酸盐熔盐体系中的基础反应数据,本文分析了UO_(2)在不同组分碳酸盐熔盐中的平衡浓度和反应产物。本文借助电感耦合等离子体质谱、X射线衍射、红外光谱等表征方法,研究反应产物及铀的形态。结果表明:在本文条件下,铀元素在不同组分碳酸盐熔盐中平衡浓度(500~700℃)呈“V”型分布,其平衡浓度在20~220μg/g,最小值在二元和三元熔盐体系中分别低于30μg/g和60μg/g(600℃)。另外UO_(2)在碳酸盐熔盐中的反应产物结构均以重铀酸盐为主(<700℃)。在碳酸盐熔盐体系中系统的分析了UO_(2)的反应行为,验证了碳酸盐盐熔盐氧化技术对UO_(2)进行氧化处理的可行性,为该技术的发展提供了一定基础数据的支撑。

集成MCFC和ISCC以及双效溴化锂制冷的新型CCHP系统性能分析

本文创新性提出一个新型冷、热、电联供系统,该系统由熔融碳酸盐燃料电池、太阳能热互补的燃气蒸汽联合循环系统以及双效吸收式溴化锂制冷机组成。将塔式太阳能集热器与燃气蒸汽联合循环中的压气机进行集成,利用太阳能加热压气机进入燃烧室的空气,提高燃烧室温度,减少进入燃烧室的天然气流量,从而节省燃料。利用燃料电池尾气进行补燃,提高燃气蒸汽联合循环中余热锅炉的烟气温度,从而提高系统做功能力,减少热量损失。本文利用Aspen Plus软件搭建仿真模型,基于热力学定律对系统进行性能分析,通过计算得出本系统[火用]效率为63.01%,系统热效率为62.36%,CO_(2)排放率为408.53 g/kWh。系统可以向用户侧提供488.46 MW的电能,48.87 MW的热能和7.5 MW的冷量。

熔融碳酸盐燃料电池隔膜用LiAlO_2制备

将Al2O3和Li2CO3混合，600～700℃高温焙烧制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜用LiAlO2粉体．工业生产Al2O3颗粒粒度和堆密度大，制得的LiAlO2粉体较粗；有机金属化合物水解再脱水制备的Al2O3颗粒粒度和堆密度小，制得的LiAlO2粉体细．将LiAlO2与一定量的水溶性粘合剂和增塑剂混合，液压成膜，将膜与烧结Ni电极组装成电池，电池性能良好．

熔融碳酸盐燃料电池动态特性的研究

基于能量守恒、质量平衡原理和热力学特性,提出了熔融碳酸盐燃料电池的数学模型,该模型考虑了电解质基块内的质量传递,以及质量传递对燃料电池内部热力学特性的影响,采用加权残差(MWR)数值方法和Matlab环境的系统函数化解偏微分方程组并建立动态仿真模型。仿真表明燃料电池内部各点的温度有较大的差异,随着燃料和氧化剂量的变动(增加),电极-电解质的温度增加,而氧化剂流的温度有所下降。 模型的物理参数是从某燃料电池研究所1.5kW熔融碳酸盐燃料电池获得。

熔融碳酸盐燃料电池单体传热传质数值模拟

在分析熔融碳酸盐燃料电池性能的基础上 ,考虑了电池内的电化学反应、传热传质及电压———电流关系等影响因素 ,提出一套计算稳态条件下熔融碳酸盐燃料电池的温度与电流密度分布的数学模型。并利用它对不同气流方式 (叉流、顺流和逆流等 )的电池分别做了计算。

不同工作条件下的熔盐燃料电池性能

以多孔镍板作电极，以带铸法制备的ＬｉＡｌＯ２无机膜作电池隔膜，组装成了电极面积２８ｃｍ２的小型熔融碳酸盐燃料电池，考察了各种工作条件对电池性能的影响。试验结果表明，随气体压力和工作温度提高，电池性能增加。但高温下电池材料腐蚀现象加剧。另外气体压力增加使ＮｉＯ阴极在电解质中的溶解加快，因此为保证一定的电池寿命，工作气体压力和温度不可提高过大，必须控制在一定的范围以内。

熔融碳酸盐燃料电池-燃气轮机混合动力系统特性分析

文中研究了由熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和燃气轮机组成的混合动力系统。在设计点工况下,MCFC电堆的发电量占系统总发电量的80%,剩下20%的电量由燃气轮机提供。文章在混合动力系统动态数学模型的基础上,结合系统运行的具体过程,通过计算分析,对混合动力系统的动态特性进行了研究。结果表明:当混合动力系统的供给燃料流量变化时,混合动力系统内部各参数均会发生显著的动态变化,从而影响混合动力系统中各部件的运行性能,导致混合动力系统的效率下降。此外,由于各部件之间复杂的相互作用,混合动力系统的负荷响应速度较慢。研究结果还表明,由于供给燃料发生变化而引起的燃气轮机转速的改变,有利于改善混合动力系统的变工况性能。