基于纳米CT技术研究运行后Ni-YSZ阳极三维微结构变化

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)阳极不仅提供了电化学反应的三相界面(Three-phase boundary,TPB)区域,而且在物质传输、扩散和燃料电池反应中不同物质之间的隔离起到积极作用。在运行期间,电极微结构发生变化。对SOFC阳极微结构演变的研究能够帮助我们理解长期运行的SOFC性能损失的原因。近年来不断发展的X射线纳米CT(Computed Tomography)技术使得可以无损地获得测试前后的阳极三维微结构。本文利用硬X射线纳米CT技术对Ni-YSZ复合阳极进行了三维重建,并采用自主开发的一些定量分析方法来获得阳极微结构的关键参数,如颗粒尺寸、每种相的体积分数和连通率等。发现在电池测试后,Ni颗粒尺寸增大,与之相对是由于Ni颗粒的聚集导致Ni相的连通性和三相界面长度明显下降。结果表明,在电池测试过程,Ni颗粒发生了团聚,电极微结构发生了改变,进而导致SOFC性能损失。阳极结构的数据表明,X射线纳米CT技术能够作为一个强力工具研究能源材料的微结构,为阳极结构优化提供重要参考数据。     

湍流模型对安全壳内氢气浓度场模拟的影响

利用计算流体力学程序FLUENT和GASFLOW研究了不同湍流模型下，氢气在安全壳内的传输与混合过程。计算结果表明：RNG k-ε模型能够得到较合理的结果，它能够较好的模拟氢气的质量扩散，动量扩散和湍流特征；FLUENT标准k-ε模型、标准k-ε模型和GASFLOW中k-ε模型能够在氢气浓度场分布上得到与RNGk-ε模型基本一致的结果，但由湍流导致的各种流动参数的波动不能在前三个模型中得到满意的模拟；GASFLOW中代数模型没能较好的模拟氢气的质量扩散和动量扩散，氢气的浓度场分布与其他模型的计算结果存在较大的差别。因此，选择合适的湍流模型，对于研究严重事故下安全壳内的氢气分布有重要的意义。     

严重事故下安全壳内氢气浓度场分布

利用计算流体力学程序FLuENT和GASFLOW,采用不同的湍流模型,研究了核电站严重事故下氢气在安全壳内的传输与混合过程.计算结果表明,FLUENT中的RNG k-ε模型能够较好的模拟氢气的质量扩散,动量扩散和湍流脉动特征;FLUENT中的标准k-ε模型和GASFLOW中的k-ε模型能得到工程上可以接受的计算结果;而GASFLOW中代数模型未能较好地模拟氢气的质量扩散和动量扩散,氢气的浓度场分布与其他模型的计算结果存在较大的差别.同时,本文对混合气体中的水蒸汽浓度和气体的质量流速对安全壳内氢气浓度分布的影响进行了初步研究.研究表明,破口气体的密度和流速是影响氢气浓度场的重要因素;混合气体密度越小、流速越大,则有更大的浮力和初始动量作用于气体.湍流模型的选择和对浮力驱动的湍流射流的模拟是影响严重事故下氢气在安全壳内的分布模拟结果的重要因素.     

严重事故下安全壳内氢气浓度场分布影响因素的初步研究

利用计算流体力学程序FLUENT和GASFLOW，采用不同的湍流模型，研究了核电站严重事故下氢气在安全壳内的传输与混合过程。计算结果表明，FLUENT中的RNGk-ε模型能够较好的模拟氢气的质量扩散，动量扩散和湍流脉动特征；FLUENT中的标准k-ε模型和GASFLOW中的k-ε模型能得到工程上可以接受的计算结果；而GASFLOW中代数模型未能较好地模拟氢气的质量扩散和动量扩散，氢气的浓度场分布与其他模型的计算结果存在较大的差别。同时，本文对混合气体中的水蒸汽浓度和气体的质量流速对安全壳内氢气浓度分布的影响进行了初步研究。研究表明，破口气体的密度和流速是影响氢气浓度场的重要因素；混合气体密度越小、流速越大，则有更大的浮力和初始动量作用于气体。湍流模型的选择和对浮力驱动的湍流射流的模拟是影响严重事故下氢气在安全壳内的分布模拟结果的重要因素。     

M310核电厂严重事故下稳压器隔间氢气风险分析

基于GASFLOW程序,选取对M310核电厂稳压器隔间内氢气风险极为不利的两种事故工况,对安全壳内氢气风险进行了分析计算。模拟结果显示:在所研究的工况条件下,卸压箱隔间、波动管隔间、稳压器隔间及穹顶区域内,只有波动管双端断裂事故在早期氢气集中释放阶段,出现了稳压器隔间内FA准则数大于1的情况,其他隔间及其他工况下所有隔间内的FA准则数和DDT准则数均不会超过1。即,所研究隔间内均可以排除燃爆转变风险。破口隔间内部氢气浓度分布主要受源项氢气浓度以及混合气体夹带作用的影响,不同位置的氢气浓度变化存在显著差别。安全壳大空间的氢气浓度呈层状结构,随着时间推移,层状结构向下推移,安全壳大空间氢气浓度分布呈均匀化趋势发展。     

在线悬浮电解去污电化学性能和去污效果

在悬浮电解去污前期实验研究中,建立了24L实验室在线悬浮电解去污装置,并且确定了悬浮电解去污配方。利用前期的实验结果,对碳钢、不锈钢模拟样品进行电化学去污实验,确定了最优的悬浮电解液配方和去污工艺。同时通过电化学工作站对其去污过程中的电化学性能进行研究,确定了电化学性能和去污效果的关系。在优化的电解液配方即0.6mol/L H2SO4、0.8mol/L Na2SO4、100g/L石墨颗粒、60g/L SiC颗粒,循环流速26mL/s、电解电压8V、传输距离5m等工艺参数和电流密度250A/cm2条件下,对碳钢和不锈钢模拟样片进行1h去污,去污因子为257和191。     

电化学法解体石墨基体过程中的尾气分析

以盐类为电解质的电化学方法解体高温气冷堆模拟燃料元件基体石墨过程中,在阴、阳极两侧均会产生一些气相产物(尾气)。采用气相色谱法对电化学过程中产生的尾气进行了分析测试。结果表明:尾气中含有氢气、氧气、氮气、二氧化碳和氮氧化物;仅约1.5%的石墨基体氧化成二氧化碳。相对于直接燃烧石墨处理法,电化学方法能够大幅减少废气,尤其是二氧化碳的产生量,从而减小后续处理的技术难度。     

严重事故下安全壳内氢气行为与风险分析

福岛事故后的核电厂安全审评过程中,国家核安全局对于严重事故下的氢气安全问题提出了更高的要求,从满足当前高标准的氢气安全要求的角度出发,有必要对安全壳内氢气行为开展更为细致深入的研究,开展氢气的三维分析,为集总参数程序的分析结果提供有益补充。本文采用一体化严重事故分析程序和流体力学程序对国产先进压水堆核电厂进行系统建模,选取大破口触发的严重事故序列,对严重事故工况下的氢气行为及氢气控制系统性能进行分析评价。首先采用一体化严重事故分析程序计算氢气产生源项、氢气产生速率和安全壳内氢气浓度分布等,评价安全壳隔间内的氢气风险。并采用计算流体力学程序,进一步对安全壳内重要隔间的氢气分布进行三维分析,研究安全壳内氢气和水蒸汽的行为,获得重要隔间内的流场、温度场、压力场、氢气分布及浓度变化等计算结果。CFD程序在计算气体分布方面要比集总参数程序更加精确和详细,通过更精细地模拟安全壳内的氢气行为,可以为集总参数程序的计算结果提供补充,为氢气控制系统的设计优化和严重事故氢气风险管理等提供有力的支持。     

反应堆上产生强流放射性核束的模拟实验装置

正研制了一台反应堆上产生强流放射性核束的模拟实验装置。模拟装置示于图1,模拟装置真空室与反应堆中子管道尺寸一致。模拟装置由真空系统、真空室、加热系统、离子源、导向器、四极透镜、束测单元等元件组成。离子源阴极采用LaB6材料,由加热元件加热发射电子,电子在阴极和阳极之间加速获得能量后在阳极内与原子碰撞将原子电离。离子源位于20kV的电位上,离子通过引出电极引出加速获得20keV的能量。紧跟着离子源,布置了一套XY导向器,然后是两组四极     

乏燃料干法后处理中铀电沉积行为模拟研究

基于多物理场耦合软件COMSOL,在LiCl-KCl熔盐体系中建立以电解槽为阳极、双石墨棒为阴极的氯化铀电沉积行为三维数值模型。通过研究熔盐中铀离子的运动情况以及对阴极几何形状的实时计算,得到了铀电沉积的沉积层厚度随时间的变化情况,得到了铀离子阴极沉积行为与阴极表面的位置、熔盐铀离子浓度、反应温度、平均电流密度之间的关系。研究中,还将模拟结果与氯化铀熔盐电解实验数据进行对比,计算与实验结果拟合良好,证明铀电沉积行为模拟的可靠性,模拟结果可为乏燃料干法后处理中铀的提取提供设计参考。      

GASFLOW程序以及COM3D程序在反应堆氢气行为分析上的应用

反应堆在事故情况下的氢气风险一直是反应堆安全研究中非常重要的内容。利用氢气风险管理程序GASFLOW计算了反应堆一回路破口事故后安全壳内的氢气分布,对计算结果进行分析。在GASFLOW计算结果的基础上,应用COM3D程序模拟氢气燃烧和爆炸,研究了氢气浓度以及点火位置对火焰扩散的影响。     

不同湍流模型对氢气分布影响的数值研究

研究严重事故下安全壳内氢气分布有利于评估氢气风险。本文采用三维CFD方法对THAI装置HM2试验进行建模,并分别使用代数模型和k-ε模型模拟氢气分层形成以及破坏过程。分析结果表明,CFD模拟结果与实验数据基本符合,在模拟中可观察到氢气分层现象的形成以及水蒸气对氢气分层的逐步破坏与混合过程;在氢气注射阶段,代数模型和k-ε模型的模拟结果接近,能够反映氢气浓度分层的形成过程;在水蒸气注射阶段,代数模型基于半经验的混合长度理论,在模拟装置较复杂几何结构内水蒸气流动对氢气分层的破坏作用时并不十分理想,标准k-ε模型对装置各测点氢气浓度达到一致的时间预测与试验结果较为接近。     

H、He离子辐照对国产ZIRLO合金氧化膜的影响

针对国产ZIRLO合金开展了H、He离子辐照对其腐蚀性能影响的研究。对国产ZIRLO合金样品分别进行高温（300 ℃）H、He离子辐照试验,辐照峰值剂量为1 dpa,之后进行模拟一回路腐蚀试验。通过腐蚀增重方法得到腐蚀动力学曲线。利用慢正电子湮没多普勒展宽谱对未辐照样品和辐照样品进行微观结构表征,用透射电子显微镜对腐蚀125 d的样品进行微观结构表征。结果表明,H、He离子辐照并未改变ZIRLO合金的腐蚀机理。He离子辐照产生的空位团可促进腐蚀过程中裂纹形核,增加了氧扩散通道,减少氧扩散激活能,导致腐蚀初期有明显的加速效应。H离子辐照对腐蚀的加速现象不如He离子辐照明显,原因是H离子辐照产生H-空位复合缺陷对氧扩散激活能减少作用较小。     

空间中氦气与氢气分布相似性分析

安全壳内氢气积聚和不凝性气体存在时的蒸汽冷凝是核电厂严重事故时所重点关注的现象,通常采用氦气替代氢气开展相关实验研究.针对使用氦气替代氢气开展实验研究的相似性问题,基于氢气与氦气等体积流量、等浮力以及等浓度分布相似三种方法使用GASFLOW模拟分析了含圆盘障碍物的封闭空间内氦气与氢气的分布特征.采用三种相似方法能够使得...     

Ti35钛合金与低碳不锈钢在硝酸溶液中的电化学腐蚀对比研究

从电化学角度对Ti35合金(Ti-5%Ta)和超低碳不锈钢在硝酸溶液中的抗腐蚀性能进行了对比评价。对不同温度、不同浓度、不同添加离子等条件下的阳极极化曲线进行了测试。得到结论:在相同温度下,硝酸溶液浓度的变化导致了钛合金的腐蚀加剧。在相同浓度下,随着温度的升高,钛合金腐蚀越来越不明显。Cr6 离子浓度对钛合金腐蚀能力的影响不大。铀酰离子的作用较弱,加了铬和钌离子后表现出对阳极反应的明显抑制作用。通过表面微观形貌的观察,发现不锈钢对硝酸浓度的变化更为敏感,氧化性离子的综合作用对于不锈钢的耐蚀性影响很大。研究结果表明,Ti35合金具有比不锈钢优异得多的抗腐蚀性能,有希望取代000Cr25Ni20不锈钢而用于后处理设备。     

秦山二期核电站氢气风险的CFD研究

利用计算流体力学(CFD)程序GASFLOW模拟了波动管大破口事故发生后7 000 s内装有22台氢气复合器的秦山二期核电站安全壳内的水蒸汽及氢气行为,得到了不同阶段的特征性流场及氢气浓度的分层情况,给出了所采用的复合器布置方案的稳定消氢速率为20 g/s,并指出了破口所在蒸汽发生器隔间内发生氢气燃烧火焰加速的可能性.同时,计算结果表明,安全壳内构筑物吸热带走了大部分从一回路释放的热量;压力变化同时受气体总质量(主要是水蒸汽质量)与温度的控制.     

基于CFD的安全壳局部隔间非能动氢气复合器布置方案研究

非能动氢气复合器用于压水堆核电厂严重事故条件下安全壳内氢气的消除。通过计算流体力学(CFD)方法能够给出事故条件下非能动氢气复合器周围三维流场和温度场的分布。基于CFD程序根据非能动氢气复合器消氢公式,计算非能动氢气复合器进出口的气体流量和气体组分,并作为非能动氢气复合器的边界条件,开展三维空间内非能动氢气复合器消氢速率和氢气分布情况研究。结果表明：简化的非能动氢气复合器模拟方案能很好地模拟非能动氢气复合器样机的消氢效果;对安全壳内局部隔间开展非能动氢气复合器消氢效果研究发现,在相同环境条件下,非能动氢气复合器布置在较高位置与布置在较低位置相比,布置在较高位置时,非能动氢气复合器具有更高的消氢速率,隔间整体氢气浓度较低,但是非能动氢气复合器布置在较高位置时出现隔间底部局部氢气聚集的情况。     

EAST装置ICRF天线电特性分析与优化研究

射频波加热是磁约束核聚变装置的重要加热方式.本论文基于 EAST 装置离子回旋共振(ICRF)加热天线结构和运行参数,运用高频分析方法对 ICRF天线开展电特性分析模拟,获得 ICRF天线射频电势和电场分布特性,初步评估了天线电特性.基于天线电场分布特性和分析结果,从天线结构和运行相位两方面对 ICRF天线电特性进行了...     

重闪烁体PbWO4的EXAFS研究

本利用扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）的方法对重闪烁体PbWO4微晶进行了研究。通过测量Pb和W的L吸收边的EXAFS谱,主要研究了PbWO4中Pb^2 和W^6 的近邻结构。结果表明,W周围氧离子的配位数和键长没有显变化,而Pb周围氧配位数和分布则有改变,说明其中可能有间隙氧存在。同时也简要讨论了间隙氧对PbWO4发光的影响。     

V-5Cr-5Ti在AlCl3-EMIC离子液体中的阳极活化及表面铝沉积

钒合金表面获得性能优良的Al涂层是在其表面制备V-Al/Al₂O₃阻氚涂层的重要基础。针对聚变堆候选结构材料V-5Cr-5Ti,本文采用电化学方法研究了其在AlCl₃-EMIC（摩尔比为2∶1）离子液体中的阳极行为,比较分析了恒电位极化模式下不同电位、极化时间对表面阳极活化的影响。在此基础上,采用恒电流沉积（16 mA/cm²）模式研究了阳极活化电位、沉积时间和温度对镀层的影响。结果表明：阳极氧化电流在1.25 V（参比Al的电位）电位时出现峰值,在该电位下极化15 min,V-5Cr-5Ti基体可获得腐蚀均匀的可再生表面。16 mA/cm²下铝沉积,活化表面为（111）和（200）方向择优生长的纯铝涂层,与基体结合良好,室温下沉积75 min,可获得20 μm厚性能良好的铝涂层。