偏心率对核主泵叶轮口环密封激励力的影响研究

为探究转子偏心率对核主泵转子密封激励力的影响,基于雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,选取平面密封、迷宫密封和螺旋密封3种口环结构方案,对核主泵口环间隙内部流动进行数值计算,得到口环间隙区域压力、泄漏量及其密封激励力的分布规律。结果表明,模型泵性能预测值和试验值较为吻合,扬程最大误差为4.78%。在转子无偏心时,相对于平面密封,采用螺旋密封方案时口环泄漏量显著降低93.1%,而密封激励力增加63%。偏心率为10%时,口环压力分布沿周向较为均匀;当偏心率为30%时,周向靠近偏心位置处,口环间隙内部产生带状压力突升区,相对于无偏心方案,平面密封的泄漏量显著降低43.6%,而密封激励力增大4.4倍,迷宫密封和螺旋密封方案可显著降低转子偏心产生的密封激励力,其中迷宫密封可显著降低55%;偏心率为50%时,口环间隙内部带状压力突升区域偏向高压侧。本数值预测方法为揭示偏心转子对核主泵口环密封激励力的影响提供理论依据。      

超临界水冷堆环形燃料组件核热耦合分析

在超临界水冷堆预概念设计中,组件设计是十分重要的,将影响堆芯性能。超临界水冷堆中水密度变化剧烈的特性要求必须进行核热耦合分析。从中子学及热工性能角度,使用三维核热耦合程序对环形燃料组件进行了优化设计。应用中子学计算程序FENNEL-N对环形燃料组件进行三维扩散计算,可得到组件内单棒功率分布,应用热工计算程序SUBSC对组件进行子通道分析。在计算过程中,分析了燃料棒间距及燃料棒与组件壁盒之间的间隙对组件性能的影响。计算结果显示,增大棒间距和棒壁间隙能提高组件k_inf,但会增大组件内功率峰因子;子通道受热不均匀性对组件热工性能影响较大,通过加入定位格架的方式能展平冷却剂出口温度,降低最大包壳温度。对环形燃料组件的安全分析表明,从中子学角度该组件是安全的。     

热电偶柱组件用新型密封结构设计研究

针对热电偶柱组件的功能要求和反应堆结构的特点设计热电偶柱组件用新型密封结构,该密封结构采用填料式石墨环,具有自紧式密封功能,其密封面设计了锥形角,以便于石墨环的拆装。对采用锥形密封面的石墨环进行密封受力计算结果表明,采用锥形密封面增加了密封环的径向压力,提高了密封效果;应力分析结果表明其强度满足规范要求;对密封结构的冷热态密封性能试验结果表明,其密封性能良好,满足设计要求。     

SCWR双排六边形燃料组件物理性能分析

重点考虑组件的均匀慢化和充分慢化性能,兼顾组件的结构和热工因素的影响,提出了超临界水冷堆(SCWR)双排六边形燃料组件概念设计方案。基于优化的双排六边形燃料组件形式,选取可接受的组件结构材料及尺寸,考虑定位材料和控制棒导向管等因素的影响,评价了其物理性能。研究表明,双排六边形燃料组件概念能在均匀慢化和充分慢化之间达到较好的平衡,组件内所有燃料棒采用同一种燃料成分且不含可燃毒物,即可实现局部功率峰值因子小于1.10的设计目标。     

快堆燃料组件管脚开孔孔径选型水力实验研究

管脚位于快堆燃料组件入口处,其结构尺寸直接决定了进入燃料组件内部的冷却剂流量,对于燃料组件压力损失、流速分布等流体力学行为均有重要影响。目前关于燃料组件的相关研究多集中于棒束区热工流体力学特性,管脚段研究较为缺乏,且尚无明确的选型标准,故在工程实践之前,有必要进一步研究快堆燃料组件管脚的流体力学特性,完善选型标准,为结构设计提供参考。本文通过水力实验,研究了不同开孔孔径的燃料组件管脚对应阻力系数分布、流量与压降对应关系等流体力学性能。结果显示,管脚开孔孔径直接决定了冷却剂钠的质量流量与压降对应关系,可以通过改变管脚开孔孔径调节进入不同分区的燃料组件入口流量,使之具有大致相等的压降;本文引入了管脚收缩系数这一无量纲数,提出与管脚结构参数有关的阻力系数经验关系式,用于快堆燃料组件管脚阻力系数及压降的一般估算;基于设计要求的压降与开孔流速限值,本文给出了快堆燃料组件管脚开孔孔径选型推荐方案,供相关实验或工程参考。     

板型燃料组件内部温度场数值模拟

以板型燃料组件为研究对象，采用商用流体力学计算程序CFX5对板型燃料组件内部温度场进行数值模拟。数值计算结果表明：燃料组件不同流道的流速分布和温度分布均较均匀，单一流道的流速分布和温度分布也较均匀。燃料板所构成的各流道从外到内流速变化不太大，在中间流道内流速稍小一些，但差值很小；燃料组件单一流道内的流速在壁面附近快速减小，壁面上流速为0。燃料板和定位梳的温度最高，侧板温度与板间流体温度相近，侧板外侧的流体温度较低。     

5×5花瓣形燃料棒束组件内单相流动与换热特性数值模拟研究

相较于传统圆柱形燃料棒,花瓣形燃料棒具有安全裕量高等优点,研究其在压水堆运行工况下的热工水力特性具有重要意义。本文通过STAR-CCM+对5×5花瓣形燃料棒束组件进行数值模拟研究,计算并分析了组件内二次流速度、温度、换热系数等关键热工参数,获得了入口流速、螺旋节距对组件内部流动与换热特性的影响规律。计算结果表明：花瓣形燃料棒的螺旋结构可增强冷却剂的横向流动,同一高度上燃料棒表面温度分布具有周期性,增大入口流速可增强燃料棒的表面换热,消除温度分布的不均匀性。此外,螺旋节距大于750 mm,燃料棒换热性能与无扭转的燃料棒相差不大,甚至更低。     

冷却剂丧失事故下稳压器波动管及人孔结构的失效机理研究

稳压器是核反应堆进行压力控制和保护的重要设备,冷却剂丧失事故（LOCA）产生的巨大冲击可能造成其关键部位的结构失效。通过多场耦合计算方法,对小破口LOCA下稳压器波动管的流动传热和结构应力、人孔结构的温度分布和密封性能进行了三维瞬态数值模拟,分析了其失效机理。结果表明：高温流体快速流入波动管形成了巨大的瞬时载荷,造成了管道短时间的强烈振动,管道中间部位变形最大,可能破坏管道支撑结构;各部位等效应力快速增大,与主管道的接管部位出现了集中应力现象,较大的应力波动会影响其寿命;人孔结构出现较大的温度分布不均匀性,密封结构下垫片的密封性能变化最大,在100 s前后其内、外侧密封面接触压力都降至设计密封比压值以下,即出现泄漏。本文根据分析结果提出了波动管和人孔结构的改进建议,可为船用核动力装置发生小破口LOCA后的事故缓解提供技术借鉴。     

低流量工况下燃料组件优化设计研究

为了探索适用于模块式小堆（SMR）的燃料组件优化设计,本文针对截短型CF2燃料组件在SMR参数范围下的热工-水力性能开展分析研究,获得搅混格架的间距及布置形式对于燃料组件热工-水力性能的影响规律。研究结果表明:①低流量工况下,搅混格架间距过长或过短都将降低燃料组件的热工性能,设计上应合理考虑搅混格架间距;② 燃料组件加热段上游区域的搅混格架布置对于提升SMR燃料组件的热工性能不明显,设计上在此区域应简化布置;③ SMR在正常运行与事故工况下,燃料组件的中下游区域的状态点参数相对恶劣,在中下游区域合理地设计搅混格架的间距与布置可以显著地提升燃料组件的热工性能,提高热工安全裕量。本文研究结果可为SMR燃料组件的设计优化提供参考。      

超临界水冷动力堆燃料组件的子通道研究分析

与目前的轻水堆相比较，由于超临界水冷动力反应堆(SCPR)的热效率高、反应堆系统简单，预计将降低发电成本高热效率通过超临界压力水冷却来获得、如果冷却剂流体在燃料组件中的分布是非均匀的．由于冷却剂温度提高、冷却剂密度的变化而出现大的流量偏移和传热系数降低的复合效应，燃料包壳的表面温度会局部升高：因此，SCPR燃料组件设计采用基于沸水堆的SILFEED的子通道分析程序SCPR燃料组件具有许多正方形水棒、燃料棒被布置在这些水捧周围。燃料棒的间距和直径分别为11．2nun和10．2mm。由于冷却剂流体在燃料组件内的分布主要取决于燃料棒和水棒之间的间隙宽度、对适当的间隙宽度进行了研究。子通道分析表明，在间隙宽度为1．0mm时，冷却剂流量分布是均匀的，最高的燃料包壳表面温度低于600℃、在设计中提高了燃料包壳的温度裕度。     

Gas-solid Two-phase Flow Analysis and Structure Optimizationof Spent Fuel Shearing Machine

Mechanical shearing systems are commonly used in reprocessing plants to crack spent fuel. The radioactive dust generated by shearing needs to be contained to ensure the full utilization of spent fuel pellets and the maintainability of the hot chamber. The airflow pattern and particle distribution and movement in the machine are of great significance to ensure the normal operation of the shearing machine. In order to supplement the deficiencies of experimental research and theoretical research, and improve dust distribution, reduce dust levels and optimize design of the shearing machine, the flow field in bar shearing machine with injected virtual particles was simulated based on the discrete particle model. By analyzing the distribution of velocity, pressure and turbulent kinetic energy of the fluid in shearing machine and the destructive effect of dust particles on the inner wall of shearing machine, the structure and boundary conditions of the shear were optimized. The results show that the eddy current, turbulence and high impact force can be effectively avoided by improving the structure of the flow passage and the input conditions. The velocity field, pressure field and turbulent kinetic energy distribution of gas-solid two-phase flow in the box are more uniform and the gradient change is smaller, and the damage of box wall is effectively reduced.     

乏燃料剪切机气固两相流分析及结构优化

后处理厂普遍采用机械法的剪切机系统进行乏燃料破解，剪切产生的放射性粉尘需进行包容设计，确保乏燃料芯块的充分利用和热室的可维修性，研究乏燃料剪切机内气流形态和颗粒物分布运动规律对于保障剪切机的正常运行具有重要意义。为补充试验研究和理论研究的不足，改善剪切机内粉尘分布、降低粉尘水平和优化剪切机设计，本文以注入模拟颗粒的乏燃料剪切机为研究对象、离散颗粒模型为基础，对剪切机内气固两相流进行了计算流体力学模拟。通过分析剪切机内流体的速度、压力和湍动能的分布规律，以及粉尘颗粒对箱体内部的破坏作用，对剪切机的结构和边界条件设计进行了优化。结果表明：改进流道结构和输入条件可有效避免剪切机内涡流、湍流和高冲击力的产生，箱体内气固两相流的速度场、压力场和湍动能分布规律较为均匀，梯度变化较小，可有效降低箱壁损伤。     

A CFD simulation process for fast reactor fuel assemblies

A CFD modeling and simulation process for large-scale problems using an arbitrary fast reactor fuel assembly design was evaluated. Three-dimensional flow distributions of sodium for several fast reactor fuel assembly pin spacing configurations were simulated on high performance computers using commercial CFD software. This research focused on 19-pin fuel assembly “benchmark” geometry, similar in design to the Advanced Burner Test Reactor, where each pin is separated by helical wire-wrap spacers. Several two-equation turbulence models including the k-? and SST (Menter) k-ω were evaluated. Considerable effort was taken to resolve the momentum boundary layer, so as to eliminate the need for wall functions and reduce computational uncertainty. High performance computers were required to generate the hybrid meshes needed to predict secondary flows created by the wire-wrap spacers; computational meshes ranging from 65 to 85 million elements were common. A general validation methodology was followed, including mesh refinement and comparison of numerical results with empirical correlations. Predictions for velocity, temperature, and pressure distribution are shown. The uncertainty of numerical models, importance of high fidelity experimental data, and the challenges associated with simulating and validating large production-type problems are presented.     

钠冷快堆乏燃料组件自然循环冷却瞬态过程的数值模拟研究

应用Fluent程序,对处于氩气中的钠冷快堆乏燃料组件自然循环冷却瞬态过程进行了三维数值模拟。计算获得了乏燃料组件内部冷却剂通道和外部区域的热工水力学现象及变化规律。结果表明:利用标记区域分割方法,将燃料棒间隙网格划分为绕丝网格和绕丝周边流体域网格,能在棒束区生成高质量结构化网格;在氩气自然循环冷却瞬态过程中,棒束区内子通道氩气流量增加速度落后于边子通道,内子通道升温更快;乏燃料组件棒束区温度在轴向呈现中心高、边缘低的分布特征;为避免包壳温度超过设计值,乏燃料组件处于氩气中的时间不宜超过6min。     

池式反应堆堆内流场数值模拟

以板型燃料组件池式反应堆为研究对象,采用计算流体动力学程序CFX5对堆内流场进行了数值模拟,结果表明:流过堆芯燃料组件的流速较大,在燃料组件出口位置流速达到最大值;无论是否带有围桶,堆内压降均主要集中在堆芯燃料组件上,入口流量增大,堆芯燃料组件上的压降随之增加;堆芯上部腔室和下部腔室的压力变化很小;在相同的入口流量下,带与不带围桶的堆芯进出口差压非常接近。     

吊篮下挂分体式堆内构件设计研究

通过对模块式多用途小型压水堆（ACP100）结构特点进行分析,提出了一种吊篮下挂的分体式堆内构件,其吊篮组件悬挂于反应堆压力容器中部并由压紧筒组件压紧,该结构具有易于制造安装、冷却剂分流密封效果好、流量分配合理等优点。力学分析、控制棒驱动线综合实验、堆内构件流致振动实验结果表明,该结构具有很好安全性和可靠性,满足ACP100的功能需求。      

棒束通道内定位格架搅混特性PIV可视化研究

定位格架作为燃料组件中重要的组成部件之一,不仅在结构上固定燃料棒,而且在燃料组件内热工水力性能同样显著,特别是对工质的搅混性能直接关系到反应堆的经济性和安全性,因此有必要对燃料组件内定位格架搅混特性进行研究。本文通过粒子图像测速（PIV）技术开展了棒束通道内定位格架上下游流场的可视化研究,对比了有无格架棒束通道内流场的分布特征,定量分析了定位格架对棒束通道流场搅混的贡献。对不同流速下定位格架下游横纵速度的沿程变化特性进行研究,发现了不同流速作用下定位格架对横向、轴向速度的促进和抑制规律。另外,通过速度均方根对下游的湍流特性进行了评估。实验结果可为数值计算提供全场的数据验证,并可为定位格架设计和优化提供基础。     

铅铋反应堆堆芯流量分区智能优化方法研究

堆芯流量分区是实现堆芯出口温度展平的重要手段,合理地分区可以提高反应堆的安全性和经济性。本文将人工智能优化算法与单通道模型进行耦合,构建了反应堆堆芯流量分区计算模型,分别开展遗传算法、差分进化算法、量子遗传算法在反应堆流量分区问题上的收敛性分析。根据所得最优算法,分别以寿期初功率分布、各燃料组件在整个寿期内最大功率为样本数据,基于小型长寿命自然循环铅铋快堆SPALLER -100开展两种不同流量分区方案对比分析。研究结果表明,在3种智能优化算法中,量子遗传算法在反应堆流量分区问题上收敛性最佳,能较快地搜索到最优分区结果;基于寿期初功率分布样本数据所得燃料组件最大出口温度超出反应堆热工安全限值,而基于各燃料组件在整个寿期内最大功率所得燃料组件最大出口温度降低了140 K,且始终保持在热工安全限值之下;SPALLER-100反应堆最佳分区数为5,再增加分区数对提高反应堆热工安全性能影响较小。