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。     

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。     

高温堆球床等效导热系数实验温度测量系统设计

为解决清华大学核能与新能源技术研究院研制的高温堆示范电站(HTR-PM)堆芯全尺寸球床等效导热系数测量实验装置中温度场的稳定、准确测量问题,本文设计并构建了其测温系统的软硬件系统。该装置中的温度测量涉及高温堆安全分析的全部温度范围(0~1 600℃),并处于石墨球床环境中。根据实验装置的总体构成和测点布置需求,选择了特殊工艺制作的非标准钨铼热电偶作为前端传感器,搭建了基于NI PXI平台的数据采集硬件系统,采用生产者/消费者模式和队列模式结合的方式编写了软件系统。用前期缩小比例的验证装置对材料、结构、设备等关键设计进行先期验证,结果表明,设计的温度测量系统可长期稳定、可靠满足实验的测温需求,为球床等效导热系数实验研究的开展、提升高温气冷堆经济性和安全性奠定了基础。     

球床堆燃料元件球放热分布研究

本文主要研究球床堆燃料元件球放热分布规律及其主要影响因素。在雷诺数9600到55000范围内,研究了单球、不完整的菱形球床及完整的菱形球床中球元件的放热分布。认为:单球局部放热的强弱主要受边界层发展过程的支配。球床中,边界层的发展受到死点的限制,元件球的放热主要受气流交混扰动的影响;随着雷诺数的增加,元件球平均放热系数升高,放热不均匀系数下降。不同的球阵布置对元件球放热分布有明显的影响。     

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。     

球床内流动与传热特性等效模型的优化研究

提出研究球形燃料元件水冷堆热工-水力问题的等效模型方法。运用计算流体力学软件对窄间隙带环肋片细棒束结构进行三维建模、网格划分和流动传热模拟计算,得到表观流速在0.076~0.334 m/s范围内的压降和换热系数,并与已有的球床实验数据进行比较。根据比较结果对等效模型几何参数进行优化,得到最优等效模型。研究结果表明:最优等效模型与球床的流动与传热特性一致,从数值方法上证明采用等效模型方法对球形燃料元件水冷堆热工-水力问题进行研究是可行的。     

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。     

高温球床辐射换热机理研究

以角系数为切入点研究球床辐射换热机理,在球坐标系下推导出2个单位球之间角系数的解析表达式。对于角系数的数值计算,蒙特卡洛法可以达到很高的计算精度,适合用于大规模并行计算。在球床中由于颗粒球之间的相互阻挡,在球心距超过2倍球径时2个球之间的角系数近似衰减为零。利用voronoi单元体对球床进行空间局部划分,在体心立方(BCC)、面心立方(FCC)和随机堆积中近似认为所有存在辐射关系的颗粒球均在2层Voronoi单元球内,颗粒球数量为60~80个。在可接受的范围内忽略了大量辐射关系极弱的颗粒球,大幅度简化了球床辐射计算模型。     

球床内流动与传热特性等效模型的实验研究

针对球床过冷水(单相)流动传热特性等效模型开展实验研究,分析各热工参数对等效模型流动传热特性的影响规律,并拟合出等效模型的阻力系数和换热系数经验关系式。实验参数范围为:雷诺数467~3350,热流密度50~150 k W/m2。实验结果表明:在本实验参数范围内,压降随表观流速的增加而增大,呈二次方关系;压降随流体进口温度的增加而减小;换热系数随热流密度和表观流速的增加而增大。     

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。     

强内热源球床通道单相对流换热特性实验研究

球床水冷反应堆的堆芯为球形燃料元件堆积成的多孔通道,具有显著的强化换热作用。球床通道内的孔隙因具有多变性、随机性的特点,换热情况非常复杂,相关研究较少。为了研究含内热源球床通道内的换热特性,本文用直径为8 mm碳钢球堆积形成球床,以蒸馏水为工质,采用电磁感应加热方式对球床进行整体加热,研究球床通道内部的换热特性。通过对实验数据进行分析,得到了球床通道内部的功率分布和换热系数随热流密度、工质Re的变化规律,根据实验数据拟合得到了球床通道内平均换热系数的无量纲准则关联式,拟合结果与实验结果的相对偏差在12%以内,符合良好。     

球床式高温气冷堆球流混流的影响分析

研究球床式高温气冷堆球流存在的混流对堆芯关键参数的影响。开发了能模拟球流混流过程与效果的MFVSOP程序。选择球床模块式高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)平衡堆芯为研究对象,对比分析不同的混流程度对堆芯功率峰值、功率密度等参数的影响及其不确定性。分析发现,混流对球床式高温气冷堆关键参数的不确定性影响不大,多次通过的燃料循环方式可降低不确定性。     

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。     

含内热源球床通道换热特性实验研究

针对含内热源球床通道内的换热情况,采用电磁感应加热方式对由直径为3 mm、8 mm表面氧化不锈钢球组成的球床通道分别加热,研究球床通道内部的换热特性。通过对实验数据对比分析,得到球床通道内的功率分布情况和换热系数随热流密度、颗粒直径、工质Re的变化规律,并根据实验数据拟合得到球床通道平均换热系数的无量纲准则关联式。拟合结果与实验结果误差在15%以内,符合良好。     

标志球法1m和2m本体二维球流运动特性分析与比较

为研究球床高度对球流运动特性的影响,根据相似准则的原理建立高温气冷堆二维堆芯的球流运动试验系统,利用标志球的实验方法对球流运动规律进行研究。对1 m和2 m本体球流运动的均值流线、内部流场、标志球的平均滞留时间,以及交混区的球流的分布特征和分布区域等进行比较分析。结果表明:二维流动均值流线是光滑对称的流线型,球床边缘和中心的流动相差很大,球床下部的流动不均匀性比上部不均匀性大;增大装球高度球流可以达到更大的分散程度。验证交混区球的高斯分布;标志球的运动区域具有两头小中间大的特点;2 m本体的球床下部的流动均匀性优于1 m本体。     

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。     

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。