球床式高温气冷堆球流及球床辐射的理论与实验研究进展

球床堆芯的球流及等效导热系数是直接影响球床式高温气冷堆设计、运行和安全的重要依据,具有重要的意义。清华大学核能与新能源技术研究院近年对球流和球床等效导热系数进行了实验测量、理论研究和数值模拟,全面深入地揭示了球流规律、球流纺及径向内扩散规律、球床几何优化、物性参数影响、球流流态表征及刻画、球床等效导热系数建模等。本文对此进行了回顾总结,并指出了下一步的研究方向。     

球床式高温气冷堆球流及球床辐射的理论与实验研究进展

球床堆芯的球流及等效导热系数是直接影响球床式高温气冷堆设计、运行和安全的重要依据,具有重要的意义。清华大学核能与新能源技术研究院近年对球流和球床等效导热系数进行了实验测量、理论研究和数值模拟,全面深入地揭示了球流规律、球流纺及径向内扩散规律、球床几何优化、物性参数影响、球流流态表征及刻画、球床等效导热系数建模等。本文对此进行了回顾总结,并指出了下一步的研究方向。     

高温气冷堆球床有效导热系数的计算模型及其在SANA基准试验分析中的应用

用THERMIX程序计算了石墨球床的温度分布。研究了高温气冷堆球床内部热量传递机制,给出了三种有效导热系数的分析方法和计算模型。以国际原子能机构(IAEA)关于“高温气冷堆在事故工况下的热传输和余热载出”问题的合作研究计划(Coordinated Research Program简称CRP)的SANA基准试验为基础,计算了球床内的温度分布和自然对流对传热的影响。计算结果与实验测量结果作了比较,证实了THERMIX程序和有效导热系数的准确性。     

高温气冷球床堆有效导热系数模型的改进

有效导热系数是高温气冷球床堆热工设计和安全分析程序中的基本参数,ZBS模型广泛应用于球床结构有效导热系数的预测。本文针对ZBS模型中的关键经验型参数——接触面积系数φ进行了分析,通过对不同堆积结构球床有效导热系数的数值分析,获得了12组接触直径比和配位数及其对应的φ值,然后通过多元线性分析获得φ的计算公式。与德国SANA实验结果进行比较,发现改进后的ZBS模型预测能力优于其他模型。改进后的ZBS模型的计算结果与先前实验测量的球床主体区域的有效导热系数吻合也很好。本文研究结果可为高温气冷球床堆的设计和安全分析提供理论支持。     

高温球床壁面区域有效导热系数模型优化

有效导热系数用来表征高温气冷球床堆堆芯综合传热能力,提高球床有效导热系数的预测精度对于高温气冷球床堆的热工设计和安全分析十分重要。为了优化球床壁面区域有效导热系数模型,本文针对无序石墨球床有效导热系数开展数值研究,分析了无序堆积球床主体区域、近壁面区域以及壁面区域有效导热系数的分布特性。结果表明：壁面区域有效导热系数相对于主体区域和近壁面区域显著降低,其平均降幅约为22%。因此引入了修正系数C_w对ZBS模型在壁面区域进行优化,对于球床主体区域及近壁面区域修正系数C_w=1,对于壁面区域,修正系数C_w=0.78。通过与前期无序球床实验数据和南非HTTU实验数据的对比,验证了优化后的ZBS模型能较好地预测球床壁面区域有效导热系数。     

堆内辐照氚增殖剂球床有效热导率分析

氘-氚聚变反应堆中,固态氚增殖剂包层能不断为聚变反应提供氚核素,是实现聚变反应堆商用的关键技术之一。由锂陶瓷小球堆积形成的球床形式的固态氚增殖剂包层具有比表面积大、产氚效率高等优点,是我国重点发展的氚增殖剂包层形式。氚增殖剂球床须能支撑在堆内辐照时的高温环境,这就要求氚增殖剂球床有较好的导热特性。球床的有效热导率在球床设计和辐照过程中的安全分析十分重要,因此在中国先进研究堆(CARR)开展了氚增殖剂球床在堆内辐照环境下的有效热导率测量实验。根据MCNP计算得出的球床发热功率,结合实验测量的球床温度分布反推得到氚增殖剂球床的有效热导率,并与广泛应用于球床有效热导率计算的改进型ZBS模型计算结果以及堆外实验结果进行对比分析,理论值与实验值能较好吻合。     

堆内辐照氚增殖剂球床有效热导率分析

氘-氚聚变反应堆中,固态氚增殖剂包层能不断为聚变反应提供氚核素,是实现聚变反应堆商用的关键技术之一。由锂陶瓷小球堆积形成的球床形式的固态氚增殖剂包层具有比表面积大、产氚效率高等优点,是我国重点发展的氚增殖剂包层形式。氚增殖剂球床须能支撑在堆内辐照时的高温环境,这就要求氚增殖剂球床有较好的导热特性。球床的有效热导率在球床设计和辐照过程中的安全分析十分重要,因此在中国先进研究堆（CARR）开展了氚增殖剂球床在堆内辐照环境下的有效热导率测量实验。根据MCNP计算得出的球床发热功率,结合实验测量的球床温度分布反推得到氚增殖剂球床的有效热导率,并与广泛应用于球床有效热导率计算的改进型ZBS模型计算结果以及堆外实验结果进行对比分析,理论值与实验值能较好吻合。     

高温气冷堆球床接触导热计算方法

接触导热是低温条件下高温堆球床堆芯传热的主要方式,接触导热的计算精度决定了低温条件下高温气冷堆球床传热计算的精度。本文建立了类似热离散单元法的球床接触导热的计算模型,通过计算流体力学方法进行模型中两个球之间理想接触的导热量计算,给出了所编写的大规模随机堆积球床接触导热计算程序的详细步骤。通过与计算流体力学方法对球床局部堆积结构接触导热计算结果的比较,验证了该计算程序的准确性。该方法与球床局部结构计算流体力学方法精度接近,并可用于颗粒尺度大规模球床计算。     

球床式高温气冷堆MOX燃料循环优化

与压水堆相比,球床式高温气冷堆能在堆芯结构不做明显改变的情况下采用全堆芯装载混合氧化物（MOX）燃料元件。基于250 MW球床模块式高温气冷堆堆芯结构,设计了4种球床式高温气冷堆下MOX燃料循环方式,包括铀钚混合的燃料球和独立的钚球与铀球混合装载的等效方式,采用高温气冷堆设计程序VSOP进行分析,比较了初装堆的有效增殖因数、燃料元件在堆芯内滞留时间、卸料燃耗、温度系数等主要物理特性。结果表明：采用纯铀和纯钚两种分离燃料球且铀燃料球循环时间更长的方案,平均卸料燃耗较高,总体性能较其他循环方式优越。     

真空石墨加热器温度场数值模拟与分析

石墨加热器是测量球床堆芯等效导热系数实验的关键部件,加热器温度场对系统安全及数据准确性有重要影响。本文基于Fluent计算平台,分别采用DTRM模型、P1模型、ROSSELAND模型、DO模型对真空保护环境下的石墨加热器温度场进行数值模拟,确定适合真空保护石墨加热器温度场的计算方法并讨论石墨导热系数、表面发射率对温度场分布的影响。比较分析表明：DO模型计算得到的温度分布较为接近真实情况,导热系数小于35W/(m•K)时,最高温度对其敏感;导热系数大于35W/(m•K)时,其对加热体最高温度影响较小,最高温度较为稳定。     

基于γ测量的球床式高温气冷堆内乏燃料球探测方案的模拟分析

在球床式高温气冷堆中,对排出堆芯的乏燃料球的探测和数量统计是燃料监测的重要内容。按国际原子能机构针对球床式高温气冷堆核安保的要求,对于燃料装卸系统管道内的燃料监测应开发一种独立于现有涡流检测原理的新监测方案。本文提出了一种基于γ测量原理的新探测方案,设计了探测器构型,对其在堆稳态运行时的探测功能进行验证。结合球床式高温气冷堆HTR-10的燃料球放射性核素数据,及对不同球速不同燃耗的燃料球经过探测区域过程的蒙特卡罗模拟分析,验证了此方案对单个燃料球鉴别和计数的可靠性,同时证明了该方案对于燃料球球流探测的可行性,为今后该探测方案的完善和实际装置的制作提供了设计基础。     

高温气冷堆用碳毡材料导热系数测量及反问题计算

碳纤维材料已成为核能、航天等领域不可或缺的重要功能材料,在高温气冷堆及其相关实验中需要使用大量碳纤维保温材料。但由于目前测试方法的限制,相关材料物性参数测量数据严重不足,尤其是缺乏高温1000℃以上的热物性参数,致其使用受到限制。为此,清华大学核能与新能源技术研究院研制了模拟高温气冷堆温度、环境氛围的材料测试装置,可提供1600℃以下的材料性能测试。根据该装置一次典型实验过程的测量数据,详细介绍了采用非线性导热反问题方法确定材料温度相关导热系数的完整过程和具体算法。提出了一种依据稳态、非稳态热传导原理求解反问题的简明算法,该方法既可单独使用,也可为其他反问题算法提供良好的迭代初值。实验确定了高温气冷堆用碳毡保温材料在1600℃以下的导热系数,将为高温气冷堆相关实验和其他特高温条件下的应用提供重要参考。     

氚增殖剂球床稳态传热数值模拟

聚变堆实验包层结构中包含由锂陶瓷小球随机堆积形成的球床。为研究其传热性能,特别是球床有效热导率随温度的变化规律,采用离散单元法模拟了小球在方形容器中的堆积,并使用该模型进行了稳态传热的数值计算。该几何模型中距壁面不同距离处球床局部堆积系数符合经典关系式,验证了其合理性。由数值计算得到的球床有效热导率随球床平均温度的变化规律也能与相关实验测量值较好地吻合。     

高温气冷堆球床模拟研究

本文描述了漏斗形高温气冷球床堆的模拟计算方法及数据转换情况,克服了原来VSOP程序系统只能将漏斗形堆芯等效成一个圆柱体的局限性,新的程序系统CHTRP可依照实验测得的球流速度曲线剖分几何网格层,对于不同尺寸的反应堆锥体都可进行模拟计算,并作了实例计算,取得了令人满意的结果,为高温堆物理设计和分析提供了有力的工具。     

基于折射率匹配方法的球床三维重构

固态钍基熔盐堆(Thorium-based Molten Salt Reactor with Solid Fuel,TMSR-SF)是第四代核反应堆堆型之一,它融合了高温气冷堆的石墨基质包覆颗粒燃料球技术和熔盐堆的高温熔盐冷却剂技术。堆芯的物理设计和几何设计依赖于燃料球在堆芯中的堆积因子,为研究球床堆堆芯模型内燃料球的堆积三维结构,本文提出基于折射率匹配的方法对球床进行三维重构的方案,并通过初步的模拟实验对程序进行验证,旨在探索该方法在球床三维重构中的可行性。针对三维重构中的一系列关键问题进行阐释,并提出相应的解决方案;同时给出了三维重构方案的完整流程,并计算出了衡量三维重构精确度的度量值:直径重叠量。最后,搭建了一个小型规则排布的球床实验装置,通过折射率匹配技术开展球床可视化实验以探索该方案在球床三维重构中的精确度,并说明该方法的可行性。试验结果表明,颗粒间平均重叠量为1.43 mm,重构精度有待提高,重构方法有待改进。     

350MWt模块式高温气冷球床堆设计研究

提出一种350 MWt模块式高温气冷球床堆(HTR-350)方案设计,该堆采用具有石墨球中心区的环形堆芯设计方案,以强化反应堆在失冷失压事故中堆芯固有余热导出能力,从而可将国外设计的球床式模块堆的单堆功率由200 MW提高到350 MW,改善了模块堆的经济性。文章描述了HTR-350设计特点、主要参数及事故安全特性,并论述为克服环形堆出口气流温度不均匀性所采取的技术措施,给出了堆芯出口气流混合模型实验的结果。     

高温气冷堆球流检测系统中CsI(Tl)探测器温度影响研究

为保证球床式高温气冷堆（PB-HTGR）球流检测系统投影数据获取过程中输出信号的稳定性,需对探测模块输出暗电流的稳定性进行分析。本文随机选取了2组CsI(Tl)探测器模块作为研究对象,并专门设计了温度及暗电流的控制和测量装置,分析了模块暗电流的输出特性及其控制要求。实验结果表明：各探测单元输出暗电流随温度的变化呈近似指数变化,且室温下温度波动±2 ℃时第32路单元的暗电流波动达8 pA。因此需对探测系统进行温度控制,同时分析实验数据并结合暗电流稳定性的控制要求,提出检测系统的最佳温控范围为（18~22） ℃,对应的温控精度为（±0.92~±0.21） ℃。     

硅酸锂球床传热传质特性与吹扫气体流动的DEM-CFD耦合模拟

氦冷固态增殖包层是中国聚变工程实验堆（CFETR）的3种候选包层概念之一,氚增殖球床是包层的核心部件,采用硅酸锂颗粒作为氚增殖材料。球床结构对氚在球床内的输运行为及流动和传热均有重要影响。本文基于离散单元法（DEM）生成了满足氚增殖球床填充率要求的随机堆积结构,通过CFD计算获取了球床结构下氚在吹扫气体内的等效扩散系数及吹扫气体的流动特性,包括速度分布、压力分布及进出口压降;开展了外加热流及有内热源两种工况下球床等效导热系数的模拟。计算结果表明,球床结构下氚在吹扫气体内的等效扩散系数为二元气体扩散系数的40%;受球床结构影响,球床内存在流动迟滞区,壁面出现流动加速;拟合得到Ergun方程的黏性阻力系数C1=87;有内热源工况下的球床等效导热系数低于外加热流工况下的球床等效导热系数。     

高温堆堆芯双区球流运动高本体实验

双区堆芯的设计是高温气冷堆技术的发展方向之一,本文设计开展实验研究高温气冷堆球床堆芯的双区形成、交混区和滞留区等球流运动的基本特性。实验结果表明:在实验条件下,能获得稳定的双区分布,双区分界面上存在交混区,通过在加球面安装挡板能有效减小交混区大小;在球床底部存在明显的滞留区;球流运动具有随机性,在运动过程中存在一定的分散性,但在整体上又表现出统计意义上的确定性,这是球床堆球流运动的基本特点。     

350兆瓦环形球床式高温气冷堆(英文)

提出了一个带环形球床堆芯高温气冷堆设计方案。它可以在保持模块式高温堆良好固有安全性的前提下,将模块式高温堆的功率从200MWt提高到350MWt。文章给出了主要事故安全的分析结果。为解决环形球床堆出口气体温差大的问题,提出了一种专门设计的堆体下部气流混合装置。混流装置模拟实验的结果表明,该结构能满足气流混合的要求。