【摘要】：10MW氟鹽冷卻球床堆是國際上一種重要的第四代核反應(yīng)堆設(shè)計堆型,采用氟鹽作為堆芯冷卻劑和高溫氣冷堆的燃料球作為燃料,具有良好的安全性和經(jīng)濟性。球床堆安全設(shè)計要求在失流工況下反應(yīng)堆能夠依靠負(fù)反饋實現(xiàn)自動停堆,并且堆芯衰變熱都能夠通過熱傳導(dǎo)、自然對流換熱和熱輻射等非能動方式排出。通常用堆芯球床等效導(dǎo)熱系數(shù)來簡化描述這種復(fù)雜的非能動傳熱工況和計算堆芯溫度分布。已有的球床等效導(dǎo)熱系數(shù)的研究多集中于高溫氣冷堆,針對氟鹽冷卻球床堆中的球床堆積特點,尤其是堆芯冷卻劑FLiBe與高溫氣冷堆中的氦氣在熱物性上存在較大差異,如FLiBe對輻射傳熱的影響和自然對流傳熱能力等,導(dǎo)致高溫氣冷堆中相關(guān)的理論模型和實驗結(jié)果無法直接應(yīng)用于氟鹽冷卻球床堆堆芯等效導(dǎo)熱系數(shù)的研究。從反應(yīng)堆安全設(shè)計角度出發(fā),有必要對其堆芯球床內(nèi)的燃料球堆積特性以及自然對流傳熱過程進(jìn)行研究,獲得實際堆芯球床等效導(dǎo)熱系數(shù),這對于正確理解氟鹽冷卻球床堆堆芯內(nèi)的傳熱過程、開展失流事故安全分析具有重要的意義。論文主要研究內(nèi)容包括以下三部分,首先是針對10MW氟鹽冷卻球床堆開展燃料球離散元模擬,掌握并獲取堆芯球床隨機堆積規(guī)律。通過分析填充顆粒大小、顆粒間摩擦系數(shù)以及填充顆粒數(shù)對浮力作用下的球床穩(wěn)態(tài)堆積結(jié)構(gòu)的影響,表明填充直徑小的顆粒球,可使球床孔隙率振蕩減弱,有利于堆芯功率密度分布展平;顆粒間摩擦系數(shù)減小能較好的模擬球床振動壓實,且與穩(wěn)態(tài)堆積球床孔隙率和配位數(shù)滿足負(fù)指數(shù)關(guān)系;當(dāng)填充顆粒球數(shù)超過約10000個后,10MW氟鹽冷卻球床堆的球床平均孔隙率和配位數(shù)變化趨于恒定,分別穩(wěn)定在0.43和5.6左右,顆粒球數(shù)量對球床穩(wěn)態(tài)堆積結(jié)構(gòu)的影響降至最低,此時的球床穩(wěn)態(tài)堆積結(jié)構(gòu)可代替滿裝堆時的球床用于自然循環(huán)熱工水力特性研究。其次是基于離散單元法和計算流體力學(xué)方法建立球床式反應(yīng)堆自然對流傳熱數(shù)值分析模型。通過與氣冷堆球床導(dǎo)熱實驗結(jié)果對比驗證了數(shù)值模型的可靠性;在此基礎(chǔ)上對實驗未進(jìn)行的極限溫度工況開展了模擬預(yù)測,完善了高溫氣冷堆在極限溫度范圍內(nèi)的溫場分布數(shù)據(jù),給出了對應(yīng)的球床等效導(dǎo)熱系數(shù)變化區(qū)間為0~32 W/(m·℃);并對比了氦氣和氮氣兩種冷卻介質(zhì)的自然對流傳熱效果,結(jié)果表明自然對流能力強的流體介質(zhì)對堆芯穩(wěn)態(tài)溫度分布具有更大的影響,有使堆芯徑向溫度分布變偏平的作用。由于本節(jié)建立的數(shù)值模型考慮了球床內(nèi)的導(dǎo)熱、輻射和自然對流效應(yīng),沒有對傳熱模型進(jìn)行簡化,因而具有普適性,也適用于氟鹽冷卻球床堆內(nèi)的自然對流傳熱分析。最后基于前面兩部分的方法和模型,對FLiBe熔鹽作傳熱介質(zhì)的10MW氟鹽冷卻球床堆自然對流傳熱進(jìn)行模擬。結(jié)果表明:熔鹽自然對流傳熱在球床總傳熱中占據(jù)主要地位,而其熱輻射吸收系數(shù)變化對于決定球床總的等效導(dǎo)熱系數(shù)意義不大;由于FLiBe較強的自然對流特性,使得球床沿軸向呈現(xiàn)明顯的溫度梯度;而徑向上在靠近冷熱兩個壁面邊界層內(nèi)的流體溫度梯度較大,球床中心區(qū)域溫度近似保持不變,熔鹽流動大部分集中在冷熱壁面之間形成單一的環(huán)流運動;極限溫度范圍內(nèi)堆芯等效導(dǎo)熱系數(shù)變化區(qū)間為100~280 W/(m·℃)。
【圖文】：

第 1 章 緒論核能發(fā)展概述能源是人類文明賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。石油、煤炭等化石能源支撐了社會的進(jìn)步和工業(yè)化的發(fā)展，但是隨著世界人口的增長和人們生活水平高，人們對能源的需求也在以幾何級不斷增加。根據(jù) 2018 年 BP 世界年鑒給出的數(shù)據(jù)[1]，2017 年全球一次能源消費增長 2.2%，增速高于十速 1.7%，如圖 1.1 所示，其中中國能源消費增長 3.1%，，連續(xù) 17 年成為消費增量最大的國家。世界對能源的需求在未來的幾十年里仍然會保持長速度。

圖 1. 2 世界能源消費占比Figure 1.2 World share of energy consumption核能作為一種能量密度高、可大規(guī)模應(yīng)用的能源，在解決環(huán)境問題和應(yīng)要快速增長方面具有其他能源所不可比擬的巨大優(yōu)勢，不僅能滿足經(jīng)濟力的需求，還能夠大大減少溫室氣體的排放，已經(jīng)成為未來相當(dāng)長時期源的主要候選者之一。截至目前，世界上在役運行核反應(yīng)堆共有 454 應(yīng)堆 54 座，總計裝機容量 387 GW，為世界提供了約 14%的電力供應(yīng)多國家的核電比例超過 20%，法國核電占比甚至高達(dá) 76%，如圖 1.3國際原子能機構(gòu) IAEA 發(fā)布的《2017 年核電國際現(xiàn)狀與前景》的報告情況下到 2050 年，全球核電裝機容量將增加到 874 GW。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TL426

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 黃青富;詹美禮;盛金昌;羅玉龍;張霞;;基于顆粒離散單元法的獲取任意相對密實度下級配顆粒堆積體的數(shù)值方法[J];巖土工程學(xué)報;2015年03期

2 任成;楊星團(tuán);李聰新;孫艷飛;;高溫氣冷堆球床等效導(dǎo)熱系數(shù)實驗研究進(jìn)展[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2013年07期

3 孫其誠;王光謙;;顆粒流動力學(xué)及其離散模型評述[J];力學(xué)進(jìn)展;2008年01期

4 徐泳,孫其誠,張凌,黃文彬;顆粒離散元法研究進(jìn)展[J];力學(xué)進(jìn)展;2003年02期

5 劉 杰,高祖瑛;高溫氣冷堆球床有效導(dǎo)熱系數(shù)的計算模型及其在SANA基準(zhǔn)試驗分析中的應(yīng)用[J];核科學(xué)與工程;1999年04期

6 程碧華，徐世江;高溫堆包覆燃料顆粒的破損率[J];高技術(shù)通訊;1996年03期

本文編號：2605451