基于核能制氢的氢电联产系统能量梯级利用研究

氢气是一种清洁、安全的能源,有助于解决未来许多重要的能源挑战。利用核能制氢可实现无碳排放的大规模工业制氢。本文提出一种基于热化学分解碘硫循环制氢工艺的高温气冷堆氢电联产方案。氢电联产方案能充分利用高温堆的高品位能源,其中高品位的热用于碘硫循环制氢,低品位热用于发电,实现氢气和电同时输出。本文建立了全面的[火用]分析模型,并对氢电联产系统的关键部件进行[火用]分析,得出系统中的[火用]损失分布及薄弱环节。同时探讨了氢电比对系统性能的影响,得到了不同氢电比下系统[火用]损失的变化规律。本文研究结果为进一步的氢电联产系统优化奠定了基础。

流化床-化学气相沉积技术在先进核燃料制备中的应用进展

流化床-化学气相沉积(FB-CVD)技术是化工流化床技术和材料化学气相沉积制备技术的交叉耦合,兼有流化床处理量大、传热快、温度均匀以及化学气相沉积温度调节范围广、产物丰富多样等优点,其在先进核燃料制备中有着重要的应用,但随着先进核燃料"质"和"量"的不断发展要求,现有的FB-CVD技术有许多方面亟待完善。本文回顾了作者课题组利用流化床-化学气相沉积在高温气冷堆TRISO核燃料颗粒、先进核燃料包覆颗粒、核燃料示踪颗粒、基体SiC纳米颗粒、SiC@Al_2O_3复合纳米颗粒等方面的研究进展,阐述了基本方法、实验过程和典型研究结果,并分析了流化床-化学气相沉积过程中遇到的实际问题。指出了FB-CVD技术未来发展方向,主要涉及反应器规模化放大和连续性生产、孔口沉积消除及温区控制、粉体制备中的纳米颗粒连续收集、新型反应器及工艺设计等方面,具体包括高密度颗粒稳定流化放大准则、床层局部温区控制以及分区流化床结构设计等。

模块式高温气冷堆核能系统二回路流体网络控制特性分析

针对模块式高温气冷堆(MHTGR)核能系统二回路流体网络进行非线性建模,研究管路动力学特性及网络拓扑结构特性,建立了微分-代数模型,设计了模块质量流量和汽机主蒸汽压力的调控方案。在MATLAB/Simulink环境下对模型进行标准化封装,以高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)为例进行二回路流体网络的仿真。结果表明,模型有效地反映了系统二回路流体网络的非线性特性,设计的控制器使得模块流体质量流量和汽机主蒸汽压力有效地收敛于参考值,各项控制指标均高于控制要求。设计的仿真平台可为实际工程调控中积分时间系数的选择、拥有更多模块数量的高温气冷堆核能系统二回路流体网络的调控等提供试验仿真测试。

无润滑电磁轴承保护轴承跌落过程摩擦发热分析

为在设计阶段预测电磁轴承保护轴承的寿命,计算跌落过程中保护轴承的发热功率非常重要。很多场合下保护轴承无润滑或只有固体润滑,因此选择局部法,重点分析球与滚道之间的滚动弹性滞后、球自旋、差动滑动等机制引起的发热,推导了差动滑动发热功率解析公式。开展实际电磁轴承高速电机无制动自由跌落实验,实测轴心轨迹和保护轴承冲击力,利用实验数据计算了保护轴承发热功率,并与实测转子动能变化率对比。研究发现,在确定了保护轴承安装预紧力情况下,局部法计算的保护轴承发热功率与转子动能变化率在量级上相当,证明了理论计算可行性;球自旋发热最多,其次是球与滚道差动滑动发热,两者之和占总发热的主要部分,球与滚道弹性滞后发热较少。

三维球床几何稀疏条数长特征线加速方法

特征线法具有非常强的几何适应性,可用于三维球床高温气冷堆全堆芯求解,但存在迭代次数多、计算速度慢的缺点。本文将长特征线加速方法应用于三维球床高温气冷堆以解决非规则几何数值加速的问题,基于三维模型特征线布置较二维模型稠密的分析,提出了稀疏条数长特征线加速方法,极大地减少了加速方程的计算量,在不降低角度离散精度的前提下,获得了非常好的加速效果。通过基准题对加速参数的选取方式进行了研究,条数稀疏度取3~5、长特征线长度取2.0 cm左右、加速迭代步取20~60步可获得良好的加速效果。小型轻水堆三维基准题和球床堆芯简化模型的计算结果表明,采用稀疏条数长特征线加速可获得7倍左右的时间加速比,此时对应的迭代步加速比为20倍左右。

小型模块式轻水堆燃料组件临界热流密度研究进展

小型模块化反应堆(SMR)在“双碳”大背景下具有广阔的应用前景,对实现能源低碳化转型和能源技术变革等方面具有重要意义。它与常规轻水堆(压水堆和沸水堆)相比堆芯设计差异大,主要表现在小型堆运行功率低、压力低、流速低、堆芯高度低以及功率分布更畸形等,从而导致水冷SMR燃料组件临界热流密度(CHF)研究面临更多难点和挑战。本文综述了CHF机理模型研究、经验关系式研究、子通道分析程序开发等三个方面的发展现状,分析了小型模块式轻水堆CHF研究的特点和难点,并以清华大学研发的一体化全功率自然循环小型压水堆NHR200-Ⅱ为例,介绍了其临界热流密度分析的关键方法研究。

流化床-化学气相沉积技术的应用及研究进展

流化床-化学气相沉积(FB-CVD)技术是一种多学科交叉的材料制备技术,兼有流化床传热传质性能良好以及化学气相沉积均匀、产物单一等优点,在工业生产中有着广泛的应用,但因其属于交叉学科,散见于各种研究,没有进行专门的进展评述。本文拟对FB-CVD的工业应用进行专题综述,分析其发展和研究趋势。首先探讨了FB-CVD的基本原理,分别综述了其在颗粒包覆、一维纳米材料、多晶硅制备、颗粒表面改性及粉体制备等方面的应用,介绍了FB-CVD的过程模拟及反应器结构优化方面的研究进展。通过以上讨论,梳理了FB-CVD研究的科学内涵。可以看出,该过程具有明显的多尺度特征,即材料制备的微观层次、颗粒流化均匀性的介观层次以及反应器结构设计的宏观尺度。总结得出:FB-CVD技术的未来发展取决于3个尺度的耦合分析,其研究重点也应关注尺度间的相互影响效应,如材料制备的均相成核、非均相成核和颗粒流化及运动规律的相互耦合等。

用于高温气冷堆的核石墨（英文）

自1942年首次在CP-1反应堆中使用以来,核石墨因其优异的综合性能,在核反应堆特别高温气冷堆中被广泛使用。作为第四代候选堆型之一,高温气冷堆主要包括球床堆和柱状堆两种堆型。在两种堆型中,石墨主要用作慢化剂、燃料元件基体材料及堆内结构材料。在反应堆运行中,中子辐照使得石墨的相关性能下降甚至可能失效。原材料及成型方式对于石墨的结构、性能及其在辐照中的表现起到决定性的作用。辐照中石墨微观结构及尺寸的变化是其宏观热力学性能变化的内在原因,辐照温度及剂量对于石墨的结构及性能变化起决定性作用。本文介绍了高温气冷堆中核石墨的性能要求及核石墨的生产流程,阐述了不同温度及辐照条件下石墨热力学性能及微观结构的变化规律,并对当前国内外核石墨的研究现状及未来核石墨的长期发展如焦炭的稳定供应和石墨的回收进行讨论。本文可为有志于研发用于未来我国商业化的高温气冷堆中的核石墨的生产厂家提供参考。

直接进样气相色谱-质谱法分析大气中的氪和氙

大气中氪和氙体积比浓度的测量对于氪-85和放射性氙同位素监测具有重要意义。本实验设计了一套集成定量稀释功能的可调样量进样装置,对质谱检测器的工作参数进行了实验优化,确定了灯丝电离能量70 e V、灯丝发射电流40 m A、推斥极电压27 m V、离子聚焦电压85 m V和透镜补偿电压20 V等最佳工作条件。建立了空气样品直接进样条件下氪和氙的气质联用分析方法,氪和氙的最低可检测浓度分别为3.3×10^(-8)(V/V)和2.6×10^(-9)(V/V)。同时应用本方法测量了实验室所处开放空间大气中氪和氙的体积比浓度,分别为1.1×10^(-6)(V/V)和9.3×10^(-8)(V/V),相对合成标准不确定度分别为2.38%和3.15%。

基于制备型气相色谱的氙氡分离技术研究

放射性氙同位素探测对监视全面禁止核试验条约(CTBT)的履行具有重要意义;同时在核设施安全运行、环境辐射监测及核事故应急监测中意义重大。氡的子体,包括214 Bi和214 Pb会严重干扰放射性氙同位素的活度测量,在氙测量前必须将氡去除,为此开展了制备型气相色谱分离氙氡技术研究。本文研究建立了一套制备型气相色谱系统实验平台,采用氙标准样品,考察了实验平台的氙制备性能;自制了氙氡混合源,测试了氡去污因子。结果表明:建立的实验平台和基于该平台的氙氡分离与氙制备的实验方法实用高效:对氙的制备量不小于11.5mL(@STP);制备样品中氙的体积比浓度和氙回收效率分别不小于80%和95%;氡去污因子大于105,满足CTBT大气放射性氙监测技术要求。

基于DRT和ADIS的SOFC／SOEC电堆电化学阻抗谱研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解池(SOEC)电堆的电化学分析和诊断是国际上的研究难点。明确多片电堆的本征电化学反应机理和性能规律,是SOFC/SOEC技术实用化的关键。本研究采用弛豫时间分布法(DRT)耦合阻抗谱差异分析法(ADIS)对电堆在燃料电池模式和电解池模式下的复杂电化学行为进行了研究,通过弛豫时间解析出各个过程对应的特征峰,区分出不同的物理化学过程。研究表明,电堆在SOFC模式运行时,其氢电极含水量应大于20%,而SOEC模式运行时,含水量应小于80%,以最小化电池的气体扩散阻抗。本方法可应用于SOFC/SOEC电堆的分析诊断,简化电堆测量分析的复杂性,有助于电堆衰减机理和原因的实时诊断,并对电堆性能提高给出理论依据和指导建议。

球床堆在空间核动力系统中的应用

球床堆以高温气冷堆技术为基础,采用TRISO型包覆燃料颗粒,堆芯出口温度不受常规燃料元件包壳和冷却剂相变等因素限制,是一种理想的超高温空间热源。根据具体的空间核能需求,气体冷却剂可选用氢气或氦、氙惰性气体,其中氢气由于摩尔质量小、比冲大等特点,一般用在核热推进中。本文重点关注空间核电源及核电推进方面的应用,在调研国外空间核动力系统研究进展的基础上,对球床堆的概念设计方案、技术特点、堆芯结构布置、能量转换系统等进行简要介绍。结果表明,球床堆结合气体布雷顿循环可满足空间MW级电力需求,且系统比功率可达100 We/kg以上,具有明显的经济竞争优势,在空间技术应用中具有广阔的发展前景。

小型模块式压水堆设计综述

小型模块堆是当前核能领域内研究的热点,因其在安全特性及多用途性等方面的突出表现而备受关注。在众多方案中,又以先进小型模块式压水堆方案设计最为成熟,有望率先实现商业运营。本文简要介绍了小型堆的概念及发展状况,并介绍了mPower、NuScale、W-SMR、IRIS、SMART等5种设计较成熟的先进型小型堆方案。通过横向对比发现,小型堆在整体设计上遵循相同的设计思想与考虑,具有一系列相似的设计改进,存在共性特点。对比大型非能动反应堆AP1000的设计,本文还分析了小型堆在固有安全性及专设安全设施设计方面的改进。

HTR堆内碳素构件孔结构及吸湿特性研究

通过压汞法、N_2吸附法,结合SEM研究了石墨（IG-110）和含硼炭砖（BC）的孔结构,采用XPS分析了材料表面基团,测试了两种材料在不同湿度环境下的动态吸湿过程,分析了孔结构、表面基团、环境湿度对吸湿量的影响,为高温气冷堆（HTR）堆内碳素构件的防潮、除湿提供科学参考。结果显示：BC拥有发达的5μm以上开口大孔,存在广泛的中孔级别裂隙;IG-110则绝大多数为开口孔隙,1～5μm的孔隙较为集中。开口孔径的大小和数量是影响吸湿的重要因素。BC平衡吸湿量明显大于IG-110平衡吸湿量;两种材料在不同湿度条件下初始2h内的吸湿量急速增长;不同湿度条件下,一般在5～8h内都能达到平衡,在25℃下湿度为60%～90%时平衡吸湿量随湿度呈线性关系。

碳化硅基新型包覆燃料颗粒的设计及制备

TRISO型包覆燃料颗粒可将核裂变产生的气体、固体裂变产物束缚在燃料颗粒内部,是高温气冷堆安全性的重要保障。为满足未来超高温气冷堆在更高温度及更高燃耗条件下对燃料元件的要求,需对传统TRISO颗粒进行优化和改进。基于包覆颗粒的破损机制,设计了两种SiC基新型包覆颗粒,一种采用疏松SiC层替代疏松热解炭层,包覆层由内而外依次为疏松SiC层、内致密热解炭层、致密SiC层、外致密热解炭层;另一种为全SiC包覆结构,包覆层由内而外依次为内层疏松SiC层、SiC过渡层、外层致密SiC层。根据结构设计,采用流化床化学气相沉积法实验探索了疏松SiC的形成机制及包覆工艺条件,并利用SEM、XRD等进行材料分析,最终成功实现了两种新型包覆颗粒的大规模制备。更进一步,提出了全SiC基燃料元件的概念,并制备了球形和柱形全SiC基模拟燃料元件。

HTR-PM直流蒸汽发生器的建模与分析

球床模块式高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)采用两座模块式高温气冷堆带一台汽轮发电机组的技术方案,为了开展其运行特性研究,清华大学核能与新能源技术研究院开发了针对HTR-PM的工程模拟机,其中螺旋管式直流蒸汽发生器的模型还需进一步完善。本文深入分析了螺旋管式直流蒸汽发生器的流动、换热规律,明确了蒸汽发生器一次侧和二次侧的流动与换热模型,通过对稳态工况中分布数据的详细分析,说明了模拟结果的正确性。为适应更多模块的高温气冷堆核电站的运行分析要求,通过网格划分方案的讨论与优化,在保证实时性的前提下,提高了蒸汽发生器中流动与换热模拟的准确性,为下一步采用工程模拟机开展其运行特性研究打下基础。

不同亲疏水表面液滴动力学行为实验研究

利用高速摄像仪记录了液滴在低速下撞击不同亲疏水性固体表面的过程，记录速度为4000fps。实验在常温常压下进行，液滴的初始直径为（2．25±0．02）mm，对不同固体材料壁面，液滴以3种速度撞击，并采用图像处理技术获取液滴以不同速度撞击不同固体材料壁面下的形态变化参数。结果表明：不同撞击速度、不同亲疏水性固体材料壁面对液滴铺展直径D、液滴高度h等参数均有重要影响；同种速度下，亲水的石英玻璃壁面最大铺展直径D较大、铺展所需时间较长、回缩程度小，铺展后达到平衡状态的震荡周期数少，液滴高度^较小；同种固体表面，液滴撞击速度增大（O．94-1．64m／s）时，最大铺展直径D依次增大，液滴高度h从最低点回升直至平衡的震荡周期数依次减少，达到平衡的时间变短。

液闪分析中闪烁体积对各种核素测定的影响

除了淬灭以外,闪烁体积是影响液闪计数效率的另一个重要因素。采用可区分闪烁体积影响和淬灭影响的实验方法,在两种液闪仪上测定了多种代表性核素。结果表明:在实验淬灭水平范围内,闪烁体积对α粒子和高能β粒子的计数效率影响很小,小闪烁体积测量时的壁效应仅仅影响液闪谱图的形状,对计数效率的影响可以忽略;闪烁体积对γ射线和低能β粒子的计数效率影响很大,相同水平的淬灭对闪烁体积较大样品的计数效率影响较大。在用淬灭校正曲线计算计数效率或用"最优PSA-淬灭指数"曲线设置α/β甄别参数时,为了减小测量误差,不管采用什么淬灭指数,待测样品都需要与淬灭标准样品保持相同的闪烁体积和闪烁瓶尺寸。

石墨堆芯结构在地震激励下动态响应的数值模拟

模块化高温气冷堆(HTR-PM)石墨堆芯结构是多体结构,其动态特性研究是复杂的非线性问题。国内外开展了一系列研究,未能较好解决。为了分析该非线性结构的动态特性,本文介绍一种数值模型,将石墨砖和碳砖简化为质点,各部件的接触简化为连接器单元,通过碰撞试验拟合获取连接器参数。数值模型计算的位移基本同1∶1双层四砖石墨组件试验位移时程结果吻合。分析证明,模型对参数不敏感,计算结果准确高效。因此,可将此模型用于石墨堆芯结构的位移分析。

现象识别与分级表在高温气冷堆程序验证中的应用

按照我国核安全法规的要求,应用于高温气冷堆(HTGR)事故分析的计算机程序,必须经充分验证。对于程序的验证,美国核管理委员会(NRC)在其发布的管理导则中推荐了一套通用的流程,该流程的一重要步骤就是现象识别与分级表(PIRT)的建立。本文回顾了PIRT方法的发展历程,介绍了NRC开发的九步法PIRT过程,对PIRT方法在HTGR程序验证中的应用进行了初步探讨。PIRT方法对程序的开发、评估和应用具有指导作用,因而是HTGR程序验证工作的前提步骤。九步法PIRT过程具有通用性和先进性,该方法完全适用于我国HTGR的PIRT工作。