【摘要】：熔鹽堆作為國(guó)際上重點(diǎn)關(guān)注的第四代核反應(yīng)堆候選堆型之一,具有良好的發(fā)展前景。熔鹽堆在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氣態(tài)放射性核素,如氚、氙、氪。氚具有強(qiáng)的滲透性,在熔鹽堆高溫環(huán)境下,容易進(jìn)入到環(huán)境中,污染環(huán)境、威脅人體健康;裂變氣體氙和氪屬于中子“毒物”,它們會(huì)影響反應(yīng)堆的反應(yīng)性。因此,將這些氣態(tài)放射性核素從熔鹽中脫除對(duì)熔鹽堆的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。針對(duì)熔鹽堆中氚、氙、氪的去除,目前國(guó)際上主要采用鼓泡脫氣的方法,利用文丘里氣泡發(fā)生器將載氣體以鼓泡的方式充入到熔鹽回路中,然后這些氣態(tài)放射性核素通過(guò)擴(kuò)散和傳質(zhì)作用進(jìn)入到載氣泡中,最后將載有氚、氙、氪的載氣泡從熔鹽中分離出來(lái)。文丘里氣泡發(fā)生器作為脫氣系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分,其產(chǎn)生氣泡的大小和粒徑分布直接影響脫氣效果,載氣泡粒徑為0.5 mm脫氣效果被認(rèn)為最佳。目前在理論與機(jī)理上對(duì)鼓泡器進(jìn)行了大量的研究,然而鼓泡器內(nèi)氣液兩相流場(chǎng)十分復(fù)雜,氣泡在鼓泡器中各運(yùn)動(dòng)階段的動(dòng)力學(xué)機(jī)理描述還不完善,一些模型存在著適用的局限性。因此,本文針對(duì)載氣體經(jīng)鼓泡器進(jìn)入熔鹽回路的過(guò)程,即氣泡的形成和脫落、氣泡的運(yùn)動(dòng)和碎化以及氣泡的聚并等,進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)可視化實(shí)驗(yàn)研究和(CFD)模擬計(jì)算。主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:1)氣泡的形成和脫落。首先,在靜水系統(tǒng)中,本文針對(duì)不同的進(jìn)氣孔徑以及進(jìn)氣率研究了氣泡在豎直壁面的形成和脫落特性。結(jié)果表明:當(dāng)進(jìn)氣量一定時(shí),進(jìn)氣孔徑越大形成氣泡的體積越小;孔口處的壓力波動(dòng)可直接反映氣泡形成的成核、穩(wěn)定生長(zhǎng)和縮頸三個(gè)階段。其次,在計(jì)算模型中首次引入緩沖體積后,本文對(duì)氣泡形成周期、形成時(shí)間、等待時(shí)間、形成體積等參數(shù)的模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)十分吻合;而未引入緩沖體積時(shí),文丘里鼓泡器喉部進(jìn)氣管內(nèi)回流量的模擬計(jì)算結(jié)果較實(shí)驗(yàn)值偏低。由此表明,在本課題的計(jì)算模型中引入緩沖體積的必要性和正確性。2)氣泡的運(yùn)動(dòng)和碎化。首先,通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)研究了不同水流量,含氣率為0.2%的氣泡在喉部和擴(kuò)張段的運(yùn)動(dòng)和碎化情況。通過(guò)分析氣泡碎化與氣泡速度分布的關(guān)系指出:氣泡速度梯度決定了碎化的劇烈程度,同時(shí)氣泡主要碎化區(qū)域會(huì)隨著水流量增加向著靠近喉部與擴(kuò)張段交界位置縮小。其次,通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法,研究了高溫熔鹽環(huán)境中單氣泡在喉部和擴(kuò)張段的碎化:氬氣泡的形變和破碎是由湍流動(dòng)能、粘性剪切力和界面不穩(wěn)定性造成的,其中粘性剪切力使氣泡周圍形成速度梯度,從而使氣泡發(fā)生形變和碎化。3)氣泡上升聚并行為。采用數(shù)值模擬方法初步研究了同軸氣泡上升聚并的行為,結(jié)果顯示,上氣泡的運(yùn)動(dòng)速度幾乎不受下氣泡的影響;因受到上氣泡尾流的影響,下氣泡速度明顯的增大;在靠近的過(guò)程中兩氣泡的相對(duì)速度先增大后減小;兩氣泡在聚并前,液膜會(huì)經(jīng)過(guò)厚度減小、皺縮形變過(guò)程,最終在液膜中間部分發(fā)生破裂。通過(guò)模擬同軸氬氣泡在高溫熔鹽中的聚并行為發(fā)現(xiàn),直徑為2 mm的氬氣泡(E_0=0.444、M_0=5.8×10~(-11))較難發(fā)生聚并,上氣泡兩側(cè)的漩渦會(huì)阻礙下氣泡向上運(yùn)動(dòng)。
【圖文】：

第 1 章 緒論1.1 研究背景及意義能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)造成了能源危機(jī)和環(huán)境嚴(yán)重污染等問(wèn)題[1]，人類在探索新的清潔能源和可再生能源過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，，雖然太陽(yáng)能和風(fēng)能是清潔的可再生能源，但是它們嚴(yán)重受到地域的限制，具有間歇性和不可靠性的缺點(diǎn)[2,3]，因此無(wú)法解決目前面臨的能源問(wèn)題。核能因其能量密度高、低碳排放、污染小、潛在的可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，在解決能源需求快速增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)的矛盾上具有其他能源無(wú)法比擬的巨大優(yōu)勢(shì)，因此成為世界各國(guó)發(fā)展的目標(biāo),大力發(fā)展核電已成為我國(guó)能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一[4,5]。

(TMSR)核能系統(tǒng)項(xiàng)目是中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)換效率高、釷基燃料產(chǎn)生的高毒性放射性核素相對(duì)較可在常壓下運(yùn)行等特點(diǎn)。鑒于我國(guó)是釷資源大國(guó)，釷此在中國(guó)發(fā)展釷基熔鹽堆具有良好的前景。我國(guó)計(jì)劃研究，解決釷鈾燃料循環(huán)和釷基熔鹽堆相關(guān)重大技術(shù)MSR，實(shí)現(xiàn)釷資源的有效使用與核能的綜合利用[9]。的運(yùn)行，熔鹽堆內(nèi)將產(chǎn)生大量的裂變產(chǎn)物。實(shí)際這些的同位素?cái)?shù)目有 300 種左右[10]。熔融態(tài)氟化鹽作為以氚、氙、氪為主的氣載性放射性核素，Kr 主要存r；Xe 主要存在的形式為133Xe、135Xe；氚主要存在的變碎片及衰變子體中 Kr、Xe 占總裂變產(chǎn)額 90%以上半衰期大于 3 分鐘，半衰期大于 50 秒的占 50%，如大多數(shù)的裂變產(chǎn)物在其衰變過(guò)程中經(jīng)過(guò) Kr、Xe 狀態(tài)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TL426

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本文編號(hào)：2622965