【摘要】：隨著2002年核能國際論壇確定了第四代核反應(yīng)堆發(fā)展目標,快中子反應(yīng)堆成為世界上先進核能系統(tǒng)的首選堆型,代表了第四代核能系統(tǒng)的發(fā)展方向。其中鉛冷快堆(LFR)選用純Pb/LBE作為冷卻劑,鉛合金的天然特性和LFR的結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合,系統(tǒng)最簡單,設(shè)備數(shù)量最少,構(gòu)成了LFR固有的安全特性,目前世界各國都在積極推進該堆型的研究發(fā)展。本文主要工作是以第四代鉛冷快堆(LFR)中的主循環(huán)泵為研究對象,以國內(nèi)CLEAR-I鉛鉍冷快堆中預研裝置對主循環(huán)泵的參數(shù)要求為設(shè)計依據(jù),對鉛鉍冷快堆主循環(huán)泵進行設(shè)計研究。1.由于目前LFR還處于概念設(shè)計和試驗堆的研發(fā)階段,關(guān)于LFR的公開資料主要為綜述性文獻,商業(yè)化技術(shù)相關(guān)文獻幾乎為空白,而關(guān)于LFR主循環(huán)泵的研究文獻更少之又少,LFR主循環(huán)泵并沒有一個成熟的設(shè)計方案,本文的第一、二章主要對LFR堆型的結(jié)構(gòu)特點和主循環(huán)泵的潛在設(shè)計方案進行研究。首先從Pb/LBE的各種天然特性及其作為冷卻劑可能遇到的技術(shù)問題等著手分析,然后依次對多種LFR堆型的結(jié)構(gòu)特點、反應(yīng)堆各組件的布置方式和一回路冷卻循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計方案進行研究逐步深入,得出LFR堆型對主循環(huán)泵的基本設(shè)計要求,明確了主循環(huán)泵的選型方向,最后確定了對稱型雙出口蝸殼式結(jié)構(gòu)和空間導葉式結(jié)構(gòu)兩種主循環(huán)泵的潛在設(shè)計方案作為本文的研究對象。2.根據(jù)LFR快堆對主循環(huán)泵的設(shè)計要求,分別對雙出口蝸殼式和空間導葉式兩種結(jié)構(gòu)形式的主循環(huán)泵在正常運行工況和事故運行工況的水力特性進行多方面對比分析。綜合主循環(huán)泵可能出現(xiàn)的各種運行工況后發(fā)現(xiàn),雙出口蝸殼式主循環(huán)泵在正常水泵工況的水力性能略優(yōu),但空間導葉式主循環(huán)泵應(yīng)對事故工況的能力以及長期運行的可靠性方面存在很明顯的優(yōu)勢。最終確定空間導葉式結(jié)構(gòu)作為CLEAR-I快堆主循環(huán)泵的設(shè)計方案。3.為了使主循環(huán)泵擁有更好的水力性能和應(yīng)對突發(fā)事故的能力,在本文的第三章將多學科優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于主循環(huán)泵的設(shè)計。提出一種主循環(huán)泵參數(shù)化設(shè)計的多目標優(yōu)化方法,將葉輪和導葉的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)化,以主循環(huán)泵的子午面和徑向面的13個幾何參數(shù)為設(shè)計變量,以主泵的惰轉(zhuǎn)性能和水力性能為響應(yīng)目標,在ISIGHT平臺集成CFturbo、PumpLinx、Matlab和Flowmaster等軟件,將所有設(shè)計流程組織到一個統(tǒng)一、有機和邏輯的框架中,各軟件自動運行,并自動重啟設(shè)計流程,從而實現(xiàn)整個設(shè)計流程全自動化計算。并對影響主循環(huán)泵水力性能和各惰轉(zhuǎn)性能指標的輸入變量(幾何參數(shù))及各輸入變量之間的高階耦合作用所帶來的不確定性進行分析。4.針對主循環(huán)泵的優(yōu)化在采樣尋優(yōu)過程中的樣本點的非連續(xù)性而無法求得整個計算空間的最優(yōu)解問題,基于最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計來有效的填滿整個約束空間以構(gòu)建約束空間的響應(yīng)網(wǎng)絡(luò),然后以采樣點作為訓練集構(gòu)建連續(xù)型近似數(shù)學模型。選擇響應(yīng)面法(RSM)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種成熟的數(shù)學模型來構(gòu)建輸入變量與響應(yīng)目標之間數(shù)學關(guān)系,然后基于Muti-objective Particle Swarm和NSGA-II算法在約束空間內(nèi)完成迭代尋優(yōu)。最終獲得揚程滿足要求、效率高、惰轉(zhuǎn)性能優(yōu)和結(jié)構(gòu)可靠的優(yōu)秀水力模型。5.基于雙向流固耦合技術(shù)對主循環(huán)泵的安全啟動特性進行探索。首先,基于力矩平衡關(guān)系和能量守恒原理,對初始啟動轉(zhuǎn)矩、啟動過程中的實時轉(zhuǎn)速和總啟動時間的關(guān)系進行理論推導,得到啟動過程中主循環(huán)泵的瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)學模型。然后,對不同啟動工況下轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的瞬變載荷特性進行分析,主要包括啟動過程中泵揚程和水阻力矩的變化規(guī)律,轉(zhuǎn)子部件所受瞬態(tài)徑向載荷和軸向載荷的變化規(guī)律,葉輪葉片壓力載荷分布隨時間變化的規(guī)律,葉輪應(yīng)力分布及動應(yīng)力轉(zhuǎn)移的規(guī)律。6.針對主循環(huán)泵的高溫水力性能試驗驗證問題,設(shè)計了泵運行溫度高于300℃的高溫試驗臺,并給出了詳細的試驗設(shè)計方案,解決了高溫工況下的壓力測量和流量測量等問題,完成了主循環(huán)泵的高溫水力性能試驗。
【圖文】：

圖 1.1 2018 年全球核電在運機組 根據(jù)第三階段規(guī)劃，先進的反應(yīng)堆技術(shù)，嚴重事故的預防和減少等技術(shù)。方成熟的技術(shù)，在反應(yīng)堆設(shè)計建造以及為了擺脫西方技術(shù)的壁壘，，2012 年 10 月指出，中國將加大對核電技術(shù)創(chuàng)新的投備的技術(shù)水平。在國家政策推動下，相示范先進反應(yīng)堆的項目，包括用于商業(yè)的第四代核反應(yīng)堆。從該計劃可以看出核電發(fā)展的主流。目前，最具前景的第四鉛冷快堆（LFR）、熔鹽堆（MSR）、超和超高溫氣冷堆（VHTR）。其中，超臨4.3%13.2%

圖 1.3 CLEAR-I 鉛冷快堆主體構(gòu)造圖本文的研究對象為鉛鉍冷卻快堆一回路主循環(huán)泵。主循環(huán)泵是鉛冷快堆路冷卻系統(tǒng)的唯一驅(qū)動部件，屬于核 I 級設(shè)備，其主要功能是：（1）在反啟動、正常運行期間驅(qū)動主回路內(nèi)液態(tài)重金屬冷卻介質(zhì)以一定的流量循環(huán)，及時帶走堆芯內(nèi)產(chǎn)生的熱量，確保反應(yīng)堆的正常運行；（2）事故工況下停堆時依靠自身的慣性力在一定時間內(nèi)（緊急停堆到反應(yīng)堆預熱排出系統(tǒng)的時間）提供給主回路一定的冷卻劑流量，防止堆芯熱量過高而導致熔堆。一回路主循環(huán)泵作為反應(yīng)堆的最核心設(shè)備之一，由于其技術(shù)保密性高，關(guān)于鉛冷卻快堆主循環(huán)泵的相關(guān)文獻和報道都比較少。鉛冷卻快堆主循環(huán)關(guān)技術(shù)未來一定會受到國外的封鎖，而且越是先進的堆型關(guān)鍵設(shè)備，從國得的技術(shù)資料越少，技術(shù)封鎖的年限越長。為實現(xiàn)我國第四代核電的發(fā)展盡早開展對第四代鉛鉍冷卻反應(yīng)堆主循環(huán)泵的研制工作。本文關(guān)于鉛冷快循環(huán)泵的相關(guān)研究，將會對我國四代鉛基堆核電項目的發(fā)展有一定的引導
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TL433


本文編號：2604829