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《中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)》 2014年
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熔盐冷却球床堆热工水力特性研究

宋士雄  
【摘要】:熔盐冷却球床堆技术继承和整合了液态燃料熔盐堆熔盐冷却剂技术与球床式高温气冷堆燃料元件技术,是下一代核能系统的有力竞争者。FLiBe熔盐具有高热容量,优异的热输运性能和中子慢化性能;熔盐作为冷却剂可以使反应堆具有较高功率密度,有助于提高反应堆系统效率,有利于堆芯安全性和经济性。由于FLiBe熔盐本身的化学物理特性以及所要求的高温实验环境,其流动和传热行为尚未在实验上得到系统、深入的研究。熔盐在球床中的压降及传热系数关系到反应堆的堆芯设计、安全分析及堆芯结构优化。限于计算机性能以及计算流体动力学(CFD)算法和程序的发展过程,传统的球床反应堆热工水力分析程序基于宏观多孔介质模型,无法预测在各种工况下燃料球表面温度分布的细节。几十年以来,计算流体动力学理论和计算机性能都有很大的提高,也需要在此基础上发展更加精确的球床堆热工分析方法和计算程序。 论文从研究内容上总体分为两个部分:其一为熔盐冷却球床空隙尺度下热工水力特性研究;其二为多孔介质局域非热平衡模型的建立、程序开发及熔盐冷却球床反应堆堆芯稳态热工水力分析。 第三章建立了规则球床压降和对流换热系数计算的微观结构模型,对球床压降因子和努塞尔准数进行了预测。模型的压降计算结果与实验拟合关系式符合较好,证明了计算模型和方案的可行性,通过BCC和FCC模型计算结果的比较发现规则球床本身的几何构型对压降有明显影响。对流换热计算结果分析表明,规则球床的对流换热准数在很大程度上依赖于具体的球床结构;在特定的雷诺数区间,熔盐在球床中的流动传热机制可能与空气和水等介质有较大差别,应用规则球床的反应堆在热工水力研究时应针对具体的球床微观结构发展相应的压降和换热系数关系式。应用离散元方法建立了三维随机堆积球床模型,通过与实验拟合关系式的对比验证了模型的可靠性。随机球床的压降分析表明KTA公式适用于熔盐冷却球床堆的压降预测。对流换热准数理论计算结果表明,在低雷诺数下Wakao公式适用于随机球床堆的对流换热计算,在雷诺数大于500时根据CFD计算结果拟合的努塞尔数计算式为:Nu=2.91Re0.415Pr1/3。 基于所建立的规则及随机排布球床CFD模型,本文发展了确认满功率运行情况下燃料球安全以及预测局部功率异常,局部失冷工况下燃料球温度分布的一般性方法。通过在球床区段设置不同的表面热流通量密度和调节进口冷却剂速度,研究了预设工况下燃料球表面的温场分布,对球床堆“热点”分布进行了预测,发现局部功率过高对燃料球表面温度影响很大,在随机球床堆中局部燃料球密实化和局部功率过高是威胁燃料球安全的最大因素。 第四章基于国际上多孔介质流动传热理论和通用CFD程序建立了球床堆热工水力计算模型,并改进了标准k ε湍流模型。对高温气冷堆稳态热工水力学基准题验证计算结果表明CFD程序与国际上著名程序THERMIX和TINTE的结果符合很好,可用于球床式反应堆的热工水力学分析。在多孔介质中,湍流方程源项对流固两相之间的换热能力有很大影响,在加入了湍流方程源项的情况下,球床固相的温度分布在较热区域会更加均匀。本文中所建立的模型具有较为深刻的理论基础,方法具有一般性和可扩展性,便于在此基础上发展新一代球床堆热工水力学分析程序。 基于随机球床空隙尺度下热工水力分析结果以及多孔介质两相局域非热平衡模型对900MW环形PB-AHTR稳态热工水力特性进行了计算,分析了两种冷却剂进出口方案下堆芯压降分布、冷却剂速度、流线分布,冷却剂温场分布以及固相球床温场分布。对选取合适的冷却剂进出口方案提出了建议,堆芯稳态热工水力计算表明堆芯存在局部固相温度过高的区域,在堆芯设计时应进一步优化结构,消除过热区域。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TL426;TL33

【参考文献】
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【共引文献】
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