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。

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。

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。

污泥减量化污水处理技术进展

剩余污泥的处理已成为污水生物处理技术普及和运行的制约因素。解决剩余污泥处理与处置的首要原则就是污泥减量化,它包含两方面的含义:减少污泥产生量(污泥减质)和减少污泥容积(污泥减容)。传统的污泥处理主要是采用浓缩、脱水和干燥等方法降低污泥的含水率,进而减少污泥容积,以便于后续的污泥运输和处置。这种方法不仅处理费用昂贵,增加了污水处理厂的建设和运行成本,而且无法从根本上减少污泥的干物质量。近年来,越来越多的研究开始着眼于从源头上减少剩余污泥产生量(污泥减质),成为污泥减量化污水处理技术的重要发展方向。文章对污泥减量化原理与工艺以及原位污泥减量污水处理技术进行了综述。

核热推进系统热工过程及堆芯关键技术分析

核热推进是利用核反应堆产生的裂变能将氢气加热到高温高压状态,然后从喷管高速喷出产生巨大推力的新型推进方式,具有大推力、高比冲等特点,被认为是未来最有希望实现载人深空探测的技术之一。历史上有固体堆芯、液体堆芯以及气体堆芯等主要设计,其中固体堆芯技术最为成熟。总体来说,核热推进系统中反应堆尺寸较小、堆芯功率密度大、温度较高,因此需要有良好的热工水力设计来保证堆内的热量安全导出。本文通过对美国的NERVA、PBR和MITEE、CERMET堆芯以及苏联的RD-0410核热火箭发动机系统进行简单介绍,归纳总结了主要热工过程,并对这些过程中所涉及到的堆芯关键技术问题进行了分析,为今后我国空间核热推进系统的研究和设计提供一定的借鉴。

核反应堆中气溶胶颗粒再悬浮行为研究进展

在核反应堆中,微细的粉尘颗粒通常是放射性物质的重要载体,严重事故下沉积在壁面上的颗粒在瞬态气流作用下发生的再悬浮行为是反应堆放射性源项分析的重要内容。发生再悬浮的颗粒通常呈现单层或多层的颗粒沉积结构,从物理过程来说,单层颗粒的再悬浮过程取决于气流对颗粒的气动力以及壁面对颗粒的黏附力,而多层颗粒再悬浮过程还与沉积颗粒层的结构、颗粒与颗粒之间的内聚力等密切相关,此外,在核反应堆中,冷凝液滴带来的毛细力以及高温烧结导致的烧结力等作用使得颗粒的再悬浮过程更加复杂。本文首先介绍了颗粒再悬浮的几种运动模式以及影响因素,再从颗粒受力分析的角度介绍了再悬浮过程中主要的作用力和作用特点,然后介绍了目前研究颗粒再悬浮的方法以及发展出来的各种计算模型,最后总结了目前压水堆、高温气冷堆以及聚变堆中颗粒再悬浮研究的进展。

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。

基于巴西圆盘试验的国产石墨拉伸强度及特性研究

拉伸强度是石墨构件设计和结构完整性评价的一个重要参数,为研究国产石墨的拉伸强度及试样尺寸、石墨颗粒粒径、微观组织等对拉伸强度的影响,本文选用3种典型国产石墨,即粗颗粒、细颗粒和超细颗粒石墨,对每种石墨的4种不同尺寸规格的试样在拉伸试样机上开展巴西圆盘试验,采用高速相机捕捉劈裂破坏过程,使用扫描电镜观测断口形貌。对比分析了裂纹的扩展过程及破坏形式,测得了拉伸强度并分析了其分布特点,研究了试样尺寸、石墨颗粒粒径、微观组织等对拉伸强度的影响。结果表明:石墨劈裂试验过程满足巴西圆盘试验有效性的要求,试样尺寸越大,石墨颗粒粒径越大,越易产生二次裂纹和局部压缩破坏;通常石墨拉伸强度随试样尺寸的增大而增大,但试样尺寸较小时要综合考虑试样尺寸和颗粒粒径的影响,且材料密度越小尺寸效应越明显;石墨拉伸强度随颗粒粒径的增大呈下降趋势,表现出显著的颗粒粒径效应;石墨拉伸强度具有较大的分散性,其与石墨颗粒粒径表现出明显的相关性,细颗粒石墨拉伸强度的均匀性较粗颗粒石墨好得多,同时超细颗粒石墨明显优于细颗粒石墨;石墨的微观组织对拉伸强度有显著影响,粗颗粒石墨有较多较大的原生孔隙等缺陷,其拉伸强度最小,细颗粒石墨次之,超细颗粒石墨最大。

辐照石墨球中氚扩散系数测量方法研究

研究氚在石墨中的扩散行为,对于理解和掌握核能系统中氚的输运过程有着重要意义。目前氚在石墨中扩散系数的测量实验较少,所得数据相差很大。本文利用10 MW高温气冷实验堆(HTR-10)辐照石墨球,提出两种测量一定温度范围内氚在石墨中扩散系数的方法:一种是基于氚从石墨中的累积释放份额,另一种是基于氚从石墨中的释放率。在此基础上,设计了相应的实验系统,比较了两种测量方法的特点,基于累积释放份额的实验方法,适合对含有多种易于释放核素的介质材料进行测量,其近似公式的绝对误差在4×10^(-4)以内。此外,结合HTR-10上氚源项研究结果探讨了氚在辐照石墨球中扩散行为的影响因素,为未来HTR-10辐照石墨球中测定氚的扩散系数和掌握氚在石墨材料中的输运机制提供了重要研究基础。

反应堆中近壁面棒状颗粒气动曳力研究

先进反应堆放射性气溶胶运动行为对反应堆安全分析具有重要意义。本文为探究近壁面区域流体对颗粒的气动曳力特性,使用数值模拟方法对近壁面区非球形棒状颗粒气动曳力的增强程度和影响因素进行了研究。研究结果表明:近壁面气动曳力增强由剪切流不均匀的速度分布和偏移的压力分布产生。随着颗粒靠近壁面和颗粒来流角的增加,气动曳力增强效应更加明显。针对非球形棒状颗粒本身的形貌特征和近壁面剪切流产生的曳力增强,使用最小二乘法拟合得到了不同颗粒近壁面气动曳力增强系数的表达式,可为先进反应堆中近壁面区域颗粒运动特性的研究提供基础。

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。

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。

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。

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。

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。

核级石墨IG-110氧化模型研究

核级石墨IG-110在球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)中作为结构材料被广泛应用。在正常运行工况及进气进水等严重事故工况下,核级石墨IG-110不可避免地与氧气等发生氧化反应,其氧化性能对反应堆的安全运行有着重要的作用。本文综合考虑核级石墨在氧化过程中局部孔隙率及氧化速率随失重率的变化,建立IG-110与氧气反应的氧化模型,得到氧化反应过程中各参数随空间和时间的变化。重点分析孔隙率变化和Knudsen扩散对有效扩散系数的影响,确定了在事故分析中较为适用的有效扩散系数形式。

HTR-10一回路放射性石墨粉尘实验系统设计及研究

在10MW高温气冷堆(HTR-10)氦净化系统中,设计并建造了用于取样收集一回路放射性石墨粉尘的实验系统。结合国外已有的研究结果,根据HTR-10氦净化系统的运行参数进行了模拟计算。计算结果表明,该实验系统能有效过滤收集到的放射性石墨粉尘。所设计的取样过滤器便于拆卸和后期测量,可实现对放射性石墨粉尘进行长期系统的研究,给出反应堆不同运行工况下一回路氦净化系统中石墨粉尘及固体裂变核素活度的信息,将为HTR-10高温气冷堆裂变产物行为研究提供大量重要的实验研究数据。

低密度下氦气透平压气机组高速机械性能试验热工特性研究

将闭式氦气透平循环与高温气冷堆相结合,是未来高温气冷堆发电技术的潜在发展方向之一。高速机械性能试验是设计与研制氦气透平压气机组的关键环节,能考验电磁轴承支承的透平压气机组的机械旋转性能,为未来机组顺利与反应堆相连接进行热态运行奠定基础。本文设计并分析一种在密闭空间内低密度下进行高速机械性能试验的方案,建立试验系统热工模型,获得了低密度下透平压气机组性能,得到了系统温度场分布,从而确定电机定子温度为试验系统的温度限制条件。对密闭空间试验系统的传热和流动分析表明,在低密度下,存在合理的压力调节范围使得系统散热能力高于发热能力,从而保证整个系统的安全运行,确定了低密度方案的可行性。