高温原位氟化熔盐红外吸收光谱装置研制

钍基熔盐堆是第四代核能系统的候选堆型之一,熔盐由于优异的传热性能与中子特性,被作为冷却剂和燃料盐载体在堆内运行,其微观结构对其物理化学性质有重大影响,因此,研究熔盐结构对熔盐制备净化、腐蚀控制以及熔盐堆的设计、建造和安全运行都有重要的指导作用。红外吸收光谱(Infrared Absorption Spectroscopy,IR)是研究熔盐结构的有力工具之一,但标准仪器无法实现高温(500oC)熔盐的测量。本研究在解决了样品加热、环境气氛控制以及腐蚀等难题后,研制了一套适用于高温氟化熔盐实验的高温原位红外吸收光谱装置。该装置中,加热炉为左右两开式,可以直接放进标准红外光谱仪样品仓内;样品池为组装式,主体是能够耐氟化熔盐腐蚀的镍基哈氏合金,窗片为单晶Si C或金刚石;样品池整体呈倒"T"型,上端密封盖带有进气口和出气口,可实现抽真空或通惰性气体的操作。该装置可以实现25-600oC温度范围测量,波段范围覆盖近红外和中红外(14 700-400 cm~(-1))。通过使用常温水和高温亚硝酸钠的红外光谱实验对该装置的可靠性进行了验证。利用该装置,我们成功地获得了高温氟锂铍(FLi Be)熔盐的红外吸收光谱。     

基于ANSYS的高温熔盐泵应力分析与结构优化

高温熔盐泵是钍基熔盐仿真堆(Thorium Molten Salt Reactor-Solid Fuel,TMSR-SF0)一回路系统的关键设备,设计温度高达700°C,其结构完整性对反应堆安全运行至关重要。针对TMSR-SF0高温熔盐泵泵罐初始平封头设计方案应力过大问题,提出了三角形、单井形及双井形三种筋板优化方案,研究了筋板间距对双井方案泵罐应力的影响,制定了泵罐的最终设计方案,按照美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)标准第III卷第5册对其进行了评定。结果表明:三种方案均可大幅降低泵罐应力水平,双井方案最优,单井方案次之,三角形方案最差;泵罐最终设计方案为双井方案,此方案可使泵罐应力由413.4 MPa下降至65.4 MPa,应力降幅高达84.2%,并通过了ASME标准评定。     

熔盐堆高温熔盐泵液下轴承表面织构分析与优化

高温熔盐泵是使用熔盐冷却剂热工回路的"心脏",为回路中的熔盐强迫循环提供动力。目前熔盐堆使用的高温熔盐泵采用悬臂式结构,其较长的液下主轴需要采用滑动轴承支撑。在轴承表面加工出具有一定尺寸和规则排列的几何形状,是改善轴承表面摩擦学特性提高承载能力一种有效手段。本文采用有限体积法对高温熔盐泵轴承进行研究,以光滑轴承作为对比项,分析了长条织构、圆形织构、正方形织构和十字形织构对轴承承载能力的影响,通过优化织构的形状、密度、深度等参数,得到长度8 mm、宽度3 mm、深度20μm的十字形织构,这种织构形式的轴承承压能力最好,可以为高温熔盐泵轴承设计提供有效的理论指导。     

熔盐实验堆堆芯结构变化对反应性的影响分析

熔盐堆采用液态燃料,由于燃料的流动性,堆芯结构的变化会直接影响堆芯活性区的燃料盐装载量,从而影响堆芯物理特性参数。本文基于蒙特卡罗程序MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code),以2 MW液态燃料钍基熔盐堆(Thorium Molten Salt Reactor-Liquid Fuel,TMSR-LF1)设计模型为参考,系统研究了套管破裂、石墨构件移动、石墨破损、燃料盐浸渗度等因素对堆芯反应性的影响。结果表明:对于堆芯套管破裂,堆芯引入正反应性,破裂位置离堆芯中心越近,引入的反应性越大;对于石墨构件移动,随着扇形石墨构件向外移动,堆芯反应性增加;对于堆芯石墨破损,破损发生后,原燃料盐流道被石墨堵住时,则堆芯反应性减小;对于堆芯石墨破损,破损发生后,新燃料盐流道形成时,当石墨破损半径较小时,堆芯反应性会增加,当石墨破损半径较大时,堆芯反应性会减小。对于堆芯石墨发生燃料盐浸渗,堆芯反应性增加,且燃料盐渗入量越大,反应性变化越大。本研究为2 MW TMSR-LF1安全分析提供参考依据。     

熔盐实验堆备用停堆方案及其可行性分析

反应性控制系统的设计是反应堆物理设计的主要内容之一。熔盐堆采用熔融的氟化盐混合物作为燃料,由于核燃料的特殊性,熔盐堆在反应堆设计方面与传统固体燃料反应堆有着较大区别。本文鉴于熔盐堆的特殊性,针对2 MW液态燃料钍基熔盐堆(Thorium Molten Salt Reactor-Liquid Fuel,TMSR-LF1),提出多种停堆方式,包括排燃料盐、套管中注中子毒物、改变燃料盐成分、改变堆芯石墨栅元数,并进行了计算分析。分析结果表明:往套管中注入中子毒物是在控制棒失效的情况下很好的替换停堆方式;燃料盐成分可调,是熔盐堆本身具有的特点,因此往燃料盐中添加BF_3、LiF-BeF_2-ZrF_4、LiF-ThF_4,是调节堆芯反应性很好的方式;改变石墨栅元数也可以使反应堆停堆。本研究分析可以为熔盐堆停堆方式提供技术储备和理论参考。     

四氟化铀和四氟化钍的高温水解

为适应钍基熔盐堆核燃料水法后处理的需求,需将乏燃料中难溶的氟化物转化为相应的氧化物形式,因此提出了高温水解的方法来实现这一目的。研究了UF4、ThF4在不同反应温度和反应时间下的高温水解行为,对其水解产物进行了结构表征和溶解实验的研究。结果表明,UF4、ThF4分别在300℃和350℃即可全部转化为相应的氧化物UO2.25和ThO2。溶解实验结果表明,二者的高温水解产物较易溶解在3mol/L HNO3和Thorex试剂中。     

2 MWt液态燃料钍基熔盐实验堆滞留盘管优化设计

液态燃料钍基熔盐实验堆滞留盘管是熔盐堆尾气处理系统的重要核安全级设备,为尾气中短寿命核素衰变提供封闭环境,同时去除衰变热,降低其后碘吸附床和活性炭吸附床的温度。本文介绍了业主提供的2 MWt液态燃料钍基熔盐实验堆滞留盘管原设计方案中存在的问题及结构优化后的新设计方案。优化后的滞留盘管设计方案具有散热性好、泄漏点少（焊缝少）、容易施焊、便于检测监控维修、用材少等优点,具有较好的可靠性和经济性。      

基于同步辐射原位拉伸XRD研究熔盐浸渗的核石墨IG-110微观结构演化

钍基熔盐堆(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)是第四代核反应堆的代表之一,其特点是以熔融氟盐作为冷却剂和燃料的载体。在熔盐堆中,熔盐容易浸渗到核石墨内部,引发核石墨局部高温,造成核石墨损伤程度增加,严重破坏核石墨的结构,从而影响核石墨材料的宏观性能和使用寿命。然而,熔盐浸渗对核石墨力学性能的微观机制以及熔盐浸渗引起的微结构损伤或破坏机制目前仍不清晰,因此有待进一步研究原位环境下(如力学加载、高温等)熔盐浸渗对核石墨微结构的影响,并揭示微结构演化的相关机制。本文基于同步辐射原位拉伸X射线衍射技术(Two Dimensional X-ray Diffraction,2D-XRD),开展了外部载荷为0 N、15 N、21 N、27 N和32 N时熔盐浸渗后的核石墨IG-110在拉伸断裂过程中的微观结构演化研究,以揭示外部载荷条件下的核石墨IG-110与熔盐之间的原位实时相互作用及材料断裂的微观机制。实验结果表明:在拉伸断裂过程中外部载荷使熔盐浸渗后的核石墨IG-110的结晶性变差、层间距变大,同时FLiNaK盐的结晶性也明显变差。这一发现将有助于解释熔盐浸渗后核石墨IG-110力学性能的变化,理解核石墨IG-110与FLiNaK熔盐间的相互作用机理,有利于高性能核石墨的制备和TMSR的安全可靠运行分析。     

LiCl-KCl熔盐中钍的电极过程研究

通过循环伏安法和计时电位法,研究LiCl-KCl熔盐中Th⁴⁺在723～803 K内在Mo电极上的电极过程。结果表明,Th⁴⁺在Mo电极上的电极过程受离子扩散步骤控制,扩散系数D随温度T变化的经验公式为ln D＝33.94-2.879×10⁴/T,形式电位的经验公式为E _vsCl-^0′/Cl²＝-3.45+7.5×10^-4T。     

基于S/U分析方法的钍基熔盐装置核数据需求初步分析

采用蒙特卡罗微扰方法计算钍基熔盐堆装置(MSRE)的keff对关键核数据的灵敏度,结合数据中心制作的多群协方差核数据库,应用S/U分析方法分析核数据引入的不确定度,给出了核素数据重要性的排序。     

不同Cr含量的镍基高温合金在LiF-NaF-KF熔盐中的腐蚀行为

为探究不同Cr含量的镍基合金在熔盐环境中的腐蚀行为,在700°C的FLi Na K(Li F-Na F-KF:46.5-11.5-42 mol%)盐中对Hastelloy B-2、Haynes 242、Hastelloy S、GH3030和Hastelloy X五种不同Cr含量的镍基高温合金进行了400 h的腐蚀实验。利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)和电子探针(Electron Probe Microanalysis,EPMA)对腐蚀后样品进行表征,结合样品失重,对不同Cr含量合金的腐蚀规律进行归纳分析。结果表明,合金的耐腐蚀性能受其Cr含量的影响较大,低Cr合金(Hastelloy B-2和Haynes 242)具有较好的耐熔盐腐蚀性能,高Cr合金耐熔盐腐蚀性能较差,当合金中Cr含量大于20%时(GH3030和Hastelloy X),腐蚀急剧增加,合金表面出现明显的贫Cr层,合金不适合在熔盐环境中应用。     

一体化小型氟盐冷却高温堆瞬态特性分析

根据下一代核能系统的发展目标,提出了采用自然循环的一体化小型氟盐冷却高温堆的概念。利用修改后的RELAR5-MS系统分析程序,建立了一体化小型氟盐冷却高温堆模型,并得到其稳态特性参数。在此基础上,对其在满功率运行状态下的反应性引入事故和失热阱事故进行了分析。分析计算表明,在反应性事故工况下,由于自然循环的存在,堆芯冷却剂流量随着堆芯温度发生动态变化,最终达到新的稳态,燃料棒和冷却剂温度均处于安全限值范围内。在失热阱事故下,反应堆负反馈的特性使得堆芯功率逐渐降低并实现自动停堆,即使不考虑余热排出系统的作用,燃料组件和冷却剂温度上升缓慢,在140 h内,燃料棒和冷却剂温度均处于全限值范围内。结果表明,一回路采用自然循环冷却的一体化小型氟盐冷却高温堆具有良好的固有安全性。     

不同温度FLiNaK熔盐对Hastelloy-N合金腐蚀的影响

国产Hastelloy-N合金与FLi Na K(Li F-Na F-KF:46.5-11.5-42 mol%)熔盐在有氩气保护的箱式炉中进行了相同时间(300h)、不同温度(600-900oC)的腐蚀实验。对腐蚀后的样品进行了失重测量,并用扫描电子显微镜/能量扩散光谱(Scanning Electron Microscope/Energy Dispersive Spectrometer,SEM/EDS)观测了腐蚀深度、表面形貌以及腐蚀区域的元素分布变化,同时对比熔盐中有水、氧等杂质参与的腐蚀,从而进行腐蚀机理研究。研究发现,对于经过去水、氧等杂质处理的熔盐的腐蚀,当腐蚀温度从600oC升高到900oC时,合金的腐蚀深度从8μm逐渐增加到40μm。合金单位面积的腐蚀失重从2 mg·cm-2增加到8 mg·cm-2,但增加速率逐渐下降。SEM/EDS测量结果显示,合金腐蚀区域均出现了Cr元素的流失现象,并伴有Mo元素的富集;合金微观形貌的变化表现为腐蚀后的晶界结构明显加宽并显现出来,但是当腐蚀温度升高到700oC时,合金表面晶粒细化明显,晶粒尺寸由腐蚀前的40μm细化到5-20μm不等,800oC和900oC的腐蚀使得晶粒重新粗化到40μm,且有Mo为主成分的析出物出现,尤其在晶界处更为明显。另外,当熔盐中有杂质(水、氧等)时,850oC的腐蚀使得腐蚀深度已经远大于100μm,同时使耐熔盐腐蚀的Mo元素也出现了脱溶现象,明显加剧了熔盐对合金的腐蚀作用。     

Study on the effect of thermal deformation on the liquid seal of high-temperature molten salt pump in molten salt reactor

The high-temperature molten salt pump is the core equipment in a molten salt reactor that drives the flow of the molten salt coolant. Rotor stability is key to the continuous and reliable operation of the molten salt pump, and the liquid seal at the wear ring can affect the dynamic characteristics of the rotor system. When the molten salt pump is operated in the hightemperature molten salt medium, thermal deformation of the submerged parts inevitably occurs, changing clearance between the stator...     

Corrosion behavior of Fe-Ni-Cr alloys in the molten salt of LiCl-Li2O at high temperature

At Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), we investigated the corrosion behavior of a series of Fe-Cr-Ni alloys with different chromium contents in molten LiCl and molten LiCl-25wt%Li₂O mixture at temperatures ranging from 923 to 1123 K. In molten LiCl, dense protective scale of LiCrO₂ grows outwardly while corrosion is accelerated by addition of Li₂O to LiCl. The basic fluxing of Cr₂O₃ by Li₂O would be the cause of accelerated corrosion. Because of low oxygen solubility and very high Li₂O activity in the molten LiCl-Li₂O mixture, Cr is preferentially corroded while Ni remains stable and thus, corrosion rate of the alloys in molten LiCl-Li₂O mixture increases with an increase in Cr content.     

Radiation dose distribution of liquid fueled thorium molten salt reactor

A liquid fueled thorium molten salt reactor(TMSR-LF),one of the Generation IV reactors,was designed by the Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy...     

一种液态燃料熔盐堆堆芯流量分配设计

在液态燃料熔盐堆(Molten salt reactor,MSR)热工水力设计中,为实现堆芯径向功率展平需对堆芯流量分配进行设计,使得堆芯进口流量分布正比于释热量分布,而下腔室结构和流场分布对堆芯流量分配起决定性作用。利用FLUENT软件对堆芯三维流场进行模拟,通过调节下腔室结构和流量分配装置,对下腔室流场分布进行优化,最终实现堆芯流量合理分配。数值模拟结果表明,喇叭状下腔室比椭球形下腔室熔盐通道流量标准差降低4.2%,设置流量分配板熔盐通道流量标准差降低29.2%;改变下腔室结构和设置流量分配装置能够较好调节流量分配和功率分布匹配性,该结果可为液态熔盐堆堆芯优化设计提供依据。     

减压蒸馏法对熔盐堆载体盐中氧的去除研究

在熔盐堆核能系统中,为避免载体盐中含氧类杂质离子的腐蚀性及其与UF4燃料反应生成UO2沉淀而造成安全隐患,需严格控制熔盐中的含氧类杂质离子含量.利用自行研制的熔盐减压蒸馏装置,研究了载体盐中主要含氧杂质离子(O2?、NO3?、SO42?、PO43?)在高温低压下的蒸发分离行为,以及温度、压力、熔盐起始氧含量等工艺参数对...     

Effects of fuel salt composition on fuel salt temperature coefficient(FSTC) for an under-moderated molten salt reactor(MSR)

With respect to a liquid-fueled molten salt reactor(MSR),the temperature coefficient of reactivity mainly includes the moderator temperature coefficient(MTC)and the fuel salt temperature coefficient(FSTC).The FSTC is typically divided into the Doppler coefficient and the density coefficient.In order to compensate for the potentially positive MTC,the FSTC should be sufficiently negative,and this is mostly optimized in terms of the geometry aspect in pioneering studies.However,the properties of fuel salt also directly influence the FSTC.Thus,the effects of different fuel salt compositions including the~(235)U enrichment,heavy metal proportion in salt phase(HM proportion),and the~7Li enrichment on FSTC are investigated from the viewpoint of the essential six-factor formula.The analysis is based on an undermoderated MSR.With respect to the Doppler coefficient,the temperature coefficient of the fast fission factors(a_T(ξ))is positive and those of the resonance escape probability(a_T(p)),thermal reproduction factor(a_T(g)),thermal utilization factor(a_T(f)),and total non-leakage probability(a_T(λ))are negative.With respect to the density coefficient,a_T(p)and a_T(g)are positive,while the others are negative.The results indicate that the effects of the~(235)U enrichment and HM on FSTC are mainly reflected in a_T(e)and a_T(p),which are the dominant factors when the neutron spectrum is relatively hard.Furthermore,the~7Li enrichment influences FSTC by a_T(f)and a_T(λ),which are the key factors in a relative soft spectrum.In order to obtain a more negative FSTC for an under-moderated MSR,the possible positive density coefficient,especially its a_T(p),should be suppressed.Thus,a lower~(235)U enrichment(albeit higher than a certain value,5 wt%in this article)along with a lower HM proportion and/or a higher~7Li enrichment are recommended.The analyses provide an approach to achieve a more suitable fuel salt composition with a sufficiently negative FSTC.     

基于球床密实实验装置的熔盐堆分流板设计

在熔盐球床堆设计中,为实现堆芯内部燃料球堆积结构的稳定性,需保证堆芯内部的流场均匀分布。研究基于模拟熔盐球床堆堆芯水力特性的球床密实实验装置(Pebble bed dense experiment facility,PBDE),通过设计不同形状和不同孔道分布的分流板,运用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法使用FLUENT软件对其堆芯内部的流场分布进行数值模拟,目的是保证实验中堆芯的流场分布均匀稳定。模拟结果表明,平板形分流板较锥形分流板能更好地使堆芯内流场均匀分布;且增加分流板的孔道数目或减小孔径能使堆芯内部的流场更加均匀稳定;比较设计的6种分流板模拟结果,最终给出满足PBDE堆芯流场均匀分布的分流板,为PBDE实验提供了基础,也为熔盐球床堆的堆芯流量分配设计提供技术方案与选型参考。