高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器热工水力特性研究

高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器结构复杂,运行工况严苛,为实现对高温气冷堆蒸汽发生器运行特性的快速预测,获得其正常运行及典型瞬态工况下的热工水力特性,本文建立了一套完善准确的螺旋管蒸汽发生器管壳两侧流动换热模型,开发了适用范围较广的蒸汽发生器系统热工水力分析程序STAGS;基于THTR-300反应堆蒸汽发生器验证了STAGS程序准确性和可靠性;以球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)为对象,开展了螺旋管蒸汽发生器满负荷工况下系统运行特性分析,获得了关键热工水力参数沿螺旋管分布以及管壳侧流体流量对蒸汽发生器运行影响规律,进而研究了管壳侧入口参数受扰动时蒸汽发生器关键热工参数响应特性。结果表明：管侧换热系数最大值受管侧流体流量影响较大,管侧流量增加10%时,管侧对流换热系数最大值增加约5 149.3 W/(m²·K);壳侧入口氦气热工水力参数的变化对蒸汽发生器的换热功率影响较为剧烈,壳侧流量突降10%以及入口温度突增20 K时分别导致蒸汽发生器换热功率降低968 kW和上升664 kW。     

高温气冷堆蒸汽发生器卸压过程模拟和分析

当高温气冷堆发生假想事故导致停堆后,堆芯热量将通过冷却系统载出。由于系统设计和蒸汽发生器系统材料等要求,需在冷却水注入前将蒸汽发生器二次侧卸压。本文选用清华大学核能与新能源技术研究院设计的200 MW高温气冷示范堆(HTR-PM),利用热工水力瞬态分析系统程序对其蒸汽发生器二回路系统进行建模,并针对事故后蒸汽发生器不同卸压阀门设计下的热工瞬态过程进行数值模拟,计算和分析了蒸汽发生器换热管等部件在瞬态过程中的温度变化,为相关系统的应力分析和设计提供参考。     

高温气冷堆螺旋管式直流蒸汽发生器热工水力学

高温气冷堆蒸汽发生器具有一次侧氦气工质、二次侧直流、螺旋管结构、工作温度高等特点,其热工水力特性与传统压水堆自然循环蒸汽发生器存在很大区别。针对高温气冷堆蒸汽发生器的特点,对其基础热工水力及特有热工水力学问题进行了阐述,主要包括螺旋管内单相及两相流阻及换热计算、横掠螺旋管束流阻及换热计算、温度均匀性及两相流不稳定性等。同时介绍了清华大学核能与新能源技术研究院针对高温气冷堆蒸汽发生器热工设计、温度均匀性及两相流不稳定性等热工水力学问题所开发的一维稳态程序、一维瞬态程序、二维分析程序和方法,并对分析结果和结论进行了讨论。相关研究方法、程序和结论对其他相似参数螺旋管和直管式直流蒸汽发生器具有参考和借鉴意义。     

钠冷快堆蒸汽发生器换热管在役检查验收和堵管准则探讨

蒸汽发生器是快堆主热传输系统的关键设备之一,而换热管作为钠/水介质热交换边界,其破损将造成严重的钠水反应事故。为了确保蒸汽发生器的安全稳定运行,有必要对含缺陷换热管建立验收准则和确定堵管条件。本文通过有限元计算和高温爆破试验,对蒸汽发生器换热管建立验收和堵管准则,确保CFR600蒸汽发生器的安全运行。     

高温气冷堆螺旋管式直流蒸汽发生器热工水力学

高温气冷堆蒸汽发生器具有一次侧氦气工质、二次侧直流、螺旋管结构、工作温度高等特点,其热工水力特性与传统压水堆自然循环蒸汽发生器存在很大区别。针对高温气冷堆蒸汽发生器的特点,对其基础热工水力及特有热工水力学问题进行了阐述,主要包括螺旋管内单相及两相流阻及换热计算、横掠螺旋管束流阻及换热计算、温度均匀性及两相流不稳定性等。同时介绍了清华大学核能与新能源技术研究院针对高温气冷堆蒸汽发生器热工设计、温度均匀性及两相流不稳定性等热工水力学问题所开发的一维稳态程序、一维瞬态程序、二维分析程序和方法,并对分析结果和结论进行了讨论。相关研究方法、程序和结论对其他相似参数螺旋管和直管式直流蒸汽发生器具有参考和借鉴意义。     

HTR-PM直流蒸汽发生器的建模与分析

球床模块式高温气冷堆核电站示范工程（HTR-PM）采用两座模块式高温气冷堆带一台汽轮发电机组的技术方案,为了开展其运行特性研究,清华大学核能与新能源技术研究院开发了针对HTR-PM的工程模拟机,其中螺旋管式直流蒸汽发生器的模型还需进一步完善。本文深入分析了螺旋管式直流蒸汽发生器的流动、换热规律,明确了蒸汽发生器一次侧和二次侧的流动与换热模型,通过对稳态工况中分布数据的详细分析,说明了模拟结果的正确性。为适应更多模块的高温气冷堆核电站的运行分析要求,通过网格划分方案的讨论与优化,在保证实时性的前提下,提高了蒸汽发生器中流动与换热模拟的准确性,为下一步采用工程模拟机开展其运行特性研究打下基础。     

螺旋管蒸汽发生器三维热工水力程序HeTAF开发

针对核动力系统螺旋管蒸汽发生器,本文采用多孔介质方法对具有复杂换热组件区域多层螺旋套管结构进行简化,构建了壳侧工质流动换热特性数学物理模型,并基于均相流假设建立了管侧水-水蒸气两相流动沸腾换热特性分析模型,采用网格-节点映射方法实现了管壳两侧耦合传热计算,基于开源OpenFOAM平台开发了适用于螺旋管蒸汽发生器的三维全尺寸热工水力特性分析程序HeTAF。基于螺旋管两相流动沸腾换热实验开展了模型验证,并以高温气冷堆示范工程中螺旋管直流式蒸汽发生器为分析对象开展了单换热组件模拟,获得的氦气和蒸汽出口温度计算结果与设计值符合较好,表明HeTAF能有效预测换热组件内管壳两侧流动换热特性。本文的研究对螺旋管蒸汽发生器的设计和安全分析具有参考意义。     

高温气冷堆蒸汽发生器传热管断裂事故进水量分析

模块式高温气冷核反应堆是一种安全性好、发电效率高的先进核反应堆.蒸汽发生器传热管断裂导致一回路进水的事故对于高温气冷堆是特有的,可能导致高温石墨燃料和构件与水发生化学反应,引起放射性物质释放和大量可燃爆气体产生的严重后果.对此事故进行深入分析对于验证高温气冷堆的固有安全性有着重要意义,而事故过程中的进水量对事故后果严重性有非常重要的影响.本工作以清华大学核能与新能源技术研究院设计的10 MW高温气冷堆(HTR-10)为例,针对蒸汽发生器传热管两种典型位置下的单管、双管双端(2A)断裂,使用热工水力系统分析程序RETRAN-02模拟分析了断管进水过程.分析表明,进水量与断管位置、断管数目、破口面积有关.入口段断裂进水量比出口段断裂进水量更大.断管处破口面积越大、断管数目越多,进水量越大.HTR-10泄放系统可有效排空蒸汽发生器内存留的水和蒸汽,以免其大量进入一回路.     

螺旋管管束流体诱发振动的实验研究

根据200MW高温气冷堆蒸汽发生器的结构参数建立了实验研究模型,并针对相邻两层旋向相同的螺旋管管束,在横向流的冲刷下,对管子的动态响应进行了实验研究。实验结果表明,螺旋管管束的流体诱发振动响应与直管相比存在一定的差别;200MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计避免了管束的大振幅振动。     

HTR-PM蒸汽发生器绝热层支撑结构的设计与分析

为提高HTR-PM高温气冷堆蒸汽发生器的热交换效率并分隔冷热氦气的通路,必须在蒸汽发生器中设置绝热装置.在围绕换热管放置的钢制围筒上铺设一定厚度的绝热纤维,用多块覆盖板将绝热纤维压紧,在每块覆盖板中心与四角,用中间填充绝热纤维的螺栓将覆盖板定位并紧固,组成绝热层支撑结构.使用有限元方法对绝热层支撑结构在绝热材料压力、蒸汽发生器失压、地震等多种载荷的综合作用下的应力分布情况进行计算,计算结果表明:支撑结构在多种载荷的作用下仍能保持绝热层功能的可靠性与结构的完整性.     

模块式高温气冷堆超临界蒸汽发生器设计

介绍了用于模块式高温气冷堆的超临界蒸汽发生器的设计参数，给出了传热管束的螺旋管结构设计方案和结构尺寸，并分析了其在超临界压力下的传热特性。经过热工水力分析计算，证明能够满足传热和水动力要求，且在设计工况下，不会发生传热恶化。     

A lumped parameter dynamic model of the helical coiled once-through steam generator with movable boundaries

A lumped parameter mathematical model of the helical coiled once-through steam generator of the 10 MW high-temperature gas-cooled reactor (HTR-10) is developed based upon the fundamental conservation of fluid mass, energy, and momentum. The steam generator is handled with single tube concept and is divided into three regions as subcooled region, boiling region, and superheater region. And these regions have movable boundaries to simulate the change of the region lengths. A lot of numerical experiments are investigated using the developed model. The steady-state simulation results agree well with the design data. The transient simulation results show that the model can properly predict the steam generator dynamics.     

高温气冷堆氦气透平直接循环启动参数分析计算

开发了包括堆芯、蒸汽发生器、透平、压气机及换热器等模块在内的高温气冷堆氦气透平直接循环系统的稳态计算程序。对系统的启动过程进行了模拟分析,并对压气机的喘振问题进行了分析,考虑了换热能力、温度和压力的影响。结果表明：在变负荷过程中压气机有足够的安全裕度。     

高温气冷堆蒸汽发生器中石墨粉尘重悬浮规律研究

高温气冷堆中石墨粉尘的运动规律对反应堆安全具有重要意义。本文采用数值模拟方法计算得到蒸汽发生器中的流场分布,在此基础上分析了蒸汽发生器中石墨粉尘重悬浮的规律。结果表明,对于粒径为0.1 μm的石墨粉尘,粉尘的重悬浮率几乎为0,对于粒径为1 μm以上的石墨粉尘,随着氦气流速的增大,蒸汽发生器中石墨粉尘的重悬浮率增大;在相同氦气流速下,随着石墨粉尘粒径的增大,石墨粉尘重悬浮率增大。     

高温气冷堆堆芯主动冷却过程动态分析

高温气冷堆紧急停堆后需要快速冷却堆芯,使其达到重新启动条件,制定合理的冷却方案对于减少电厂运行成本和保护设备安全具有重要意义。本文建立了冷却系统的数学模型,对冷却过程中关键设备的传热传质过程进行了动态数值模拟。首先分析了德国高温气冷堆采用的直接冷却方案,结果表明,此方案无法避免对设备形成冷冲击或热冲击,风险性较大。进而提出了适用于我国高温气冷堆的新方案,新方案包括4个步骤：蒸汽发生器排水-卸压-预冷-冷却堆芯。动态分析表明,新方案成功地避免了冷/热冲击,大幅提高了安全性,冷却时间也在可接受范围内。     

高温气冷堆蒸汽发生器换热管断裂事故进水量影响因素分析

以清华大学核能与新能源技术研究院设计的250 MW球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)为例,对蒸汽发生器换热管断裂事故下影响一回路进水量的一些因素进行了分析.分析结果表明:除了断管位置、破口面积等对一回路进水量有直接影响外,进水量还与泄放管线直径、节流孔直径、泄放阀门选择、泄放系统动作设定等因素有关.合理地选择参数可有效排空蒸汽发生器内存留的水,避免一回路大量进水并减少一回路放射性物质向二次侧泄漏所造成的污染.     

HTR蒸汽发生器环形通道内单液滴蒸发行为研究

高温气冷堆进水事故的机理研究对该反应堆安全具有重要意义。本文对液滴在蒸汽发生器环形通道内的流动和传热进行数值模拟研究,采用单液滴模型,利用龙格库塔方法进行求解。结果表明,初始直径小于420 μm的液滴将无法运动到环形通道顶部。氦气压力的改变对于液滴完全蒸发需要的时间和液滴最大运动距离影响很小。     

Detection and Mode Identification of Axial Cracks in the Steam Generator Tube of the Nuclear Power Plant Using Ultrasonic Guided Wave

For those people who are involved in NDE, there is a growing concern regarding the significant traveling distance of a guided wave in a structure, which ensures the inspection of a large area of the structure from a single location. A significant number of studies on the guided wave have therefore been made to apply the foregoing to a nondestructive evaluation in many different industries and resulted in an increase in the efficiency of practical guided wave inspection. Unlike the previous studies based mainly on the detection of circumferential flaws, this study is focused on the axial flaw detection in the steam generator tubes of Korean standard nuclear power plants by generating the guided wave by changing frequency and selecting the applicable mode from the dispersion curve for the steam generator tube calculated in this study, where the dispersion-based short-time Fourier transform (D-STFT) algorithm is used to enhance mode identification. In conclusion, the L (0,1) mode at 2.25MHz is found to be most sensitive in detecting axial flaws in a steam generator tube.     

超临界水在垂直管内换热及流动不稳定性研究

清华大学核能与新能源技术研究院在建的250 MWt高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)中蒸汽发生器二回路为亚临界水,由于反应堆能提供750℃的高温氦气,二回路水可提高到超临界压力和温度,采用多堆带一机方案可与超临界蒸汽透平机组匹配,因此研究超临界水在管内的流动、传热以及流动不稳定现象非常重要。本文通过使用RNGk-ε模型耦合强化壁面函数,发现模拟结果与Yamagata等的实验数据符合较好。基于此模型,分析了超临界流体流动时换热系数的变化规律,并采用瞬态计算方法,线性增大加热功率,分析了流动不稳定现象,发现流体一旦进入不稳定区,进出口流量的波动非常严重,甚至出现倒流,应尽可能避免此类现象。     

Design aspects and achievements of active magnetic bearing research for HTR-10GT

The project of direct helium turbine power conversion cycle of the 10 MW high-temperature gas-cooled reactor (HTR-10GT) program is to set up a direct helium cycle with a helium turbine and generator system to replace the current heat exchange system and steam cycle. This program is supported by Chinese government and will be assumed by the Institute of Nuclear and New Energy Technology (INET) at Tsinghua University of China. Instead of ordinary mechanical bearing, active magnetic bearing (AMB) has been chosen to support the helium turbine and generator rotors in this project. Until now, no experience on AMB running in reactor or in helium environment has been performed. So, the AMB research and experiment would at least go through several convictive stages to finally match the requirements of the HTR-10GT program. The magnetic bearing laboratory of INET has begun to work on this project in 2002. Till now, a control method of exceeding two bending frequency has been successfully tested on a small test rig. A high load AMB for 3500 kg generator rotor suspension has been constructed and long-term running tests have just been finished. In addition, the general design of a high-temperature AMB test rig has already been finished. All these achievements on AMB research show that we are well on the way to the ultimate goal of direct helium cycle. Today the final joint experiment of turbine and generator is already under detailed planning.