發(fā)布時(shí)間：2020-06-02 01:28

【摘要】：隨著社會(huì)的發(fā)展、人類探索領(lǐng)域的拓展(如外空、深海、極地等)以及國防技術(shù)的進(jìn)步,能源越來越向多樣化、分散化、無人值守化等方向發(fā)展。為了滿足遠(yuǎn)距離無人值守化等極端環(huán)境下的電源可靠供給,本文在國際上提出了一種結(jié)合堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器(Alkali Metal Thermal to Electric Converter-AMTEC)的小型模塊化快堆的概念設(shè)計(jì),更重要的是反應(yīng)堆一回路采用全自然循環(huán)(非能動(dòng))的方式運(yùn)行,摒棄了傳統(tǒng)熱力發(fā)電裝置中的機(jī)械泵和汽輪機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械,從而提高了整個(gè)發(fā)電裝置的可靠性,減少了其維護(hù)要求,降低了其運(yùn)行噪音。小型模塊反應(yīng)堆(small modular reactor-SMR)主要包括堆芯、一回路、中間熱交換器和非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)。熱電轉(zhuǎn)換部分包括大型AMTEC單元,熱電偶單元和熱管單元。最后通過中間回路將反應(yīng)堆一回路和熱電轉(zhuǎn)換部分相結(jié)合,形成SMR-AMTEC (Small Modular Reactor-Alkali Metal Thermal to Electric Converter)系統(tǒng)。針對該新概念設(shè)計(jì)的小型模塊化快堆,本文研發(fā)了三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),即：基于轉(zhuǎn)鼓的堆物理控制技術(shù)；正常功率條件下一回路全自然循環(huán)技術(shù)；基于自然循環(huán)的余熱排出技術(shù)。研究了三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)行行為與特性,初步論證了其技術(shù)可行性。主要研究成果如下：提出了基于轉(zhuǎn)鼓的堆物理控制技術(shù),同時(shí)采用在保持堆芯當(dāng)量直徑和冷卻劑通道總截面積不變的情況下,減少燃料棒圈數(shù)和活性區(qū)長度的方法,有效的降低了堆芯壓降。通過研究堆芯燃料裝載量不變情況下,芯塊半徑、燃料棒長度和圈數(shù)對堆芯有效增殖因數(shù)kff、堆芯壓降和傳熱的影響,同時(shí)分析不同額外停堆裕量下,B4C吸收層厚度和堆芯初始剩余反應(yīng)性隨燃料棒圈數(shù)的變化關(guān)系,驗(yàn)證了該控制技術(shù)的可行性。提出了正常功率條件下一回路全自然循環(huán)技術(shù),利用MATLAB/Simulink建立自然循環(huán)回路的動(dòng)態(tài)仿真模型(非線性法),分析了自然循環(huán)回路的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。利用相關(guān)液態(tài)金屬回路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和FLUENT的模擬結(jié)果驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。除了采用非線性分析法,本文還基于MATLAB開發(fā)了自然循環(huán)回路穩(wěn)定性的線性方法分析程序,通過與實(shí)驗(yàn)和已有計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了程序的有效性。在此基礎(chǔ)上,同時(shí)利用非線性法和線性法分析了影響自然循環(huán)穩(wěn)定性的諸多因素,包括熱功率變化、工質(zhì)種類和回路尺寸等。計(jì)算結(jié)果表明升功率速率先慢后快時(shí)有利于減小流速振蕩和縮短流動(dòng)到達(dá)穩(wěn)定所需的時(shí)間,鈉(Na)回路比鉛鉍合金(Lead-bismuth eutectic-LBE)和鉛(Pb)回路具有更高的臨界功率和雷諾數(shù),減小回路高寬比,延長冷卻段長度都有利于增加回路穩(wěn)定性。最后利用以上分析結(jié)果對SMR-AMTEC系統(tǒng)的一回路的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,并研究其功率瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。提出了基于自然循環(huán)的余熱排出技術(shù),利用MATLAB/Simulink在單個(gè)自然循環(huán)回路的基礎(chǔ)上建立了雙自然循環(huán)回路(由一回路和余熱排出回路耦合而成)動(dòng)態(tài)仿真模型,分析其瞬態(tài)響應(yīng)和回路的穩(wěn)定性,并用FLUENT進(jìn)行驗(yàn)證。其次采用該模型分析了功率變化和中間熱交換器換熱面積對雙自然循環(huán)回路穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明先慢后快的升功率方式同樣有利于減小流速振蕩和縮短流動(dòng)到達(dá)穩(wěn)定所需的時(shí)間,但是不同的降功率方式對降功率過程的穩(wěn)定性影響并不顯著。增加中間熱交換器換熱面積有利于提高回路穩(wěn)定性。最后本文對SMR-AMTEC的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的功率瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。針對該新概念設(shè)計(jì)的小型多管循環(huán)式AMTEC單元,本文重點(diǎn)開展了三項(xiàng)關(guān)鍵部件制備技術(shù)的研發(fā),即：AMTEC的TiN多孔薄膜電極制備技術(shù)；BASE (β"氧化鋁固體電解質(zhì))組件封接技術(shù)；吸液芯組件的制備及測試技術(shù)。主要研究成果如下：采用絲網(wǎng)印刷法在α"-Al2O3基底表面分別以三種不同的氮化溫度和時(shí)間制備了用于AMTEC的TiN多孔薄膜電極。通過x-射線衍射儀(X-ray diffraction, XRD)對TiN薄膜進(jìn)行相分析,同時(shí)利用掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察薄膜表面孔徑和孔隙度,采用表面輪廓儀測量了薄膜厚度并且利用電導(dǎo)率儀測量了薄膜方阻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：試樣在900℃～1100℃下氮化2h-4h,都可生成擇優(yōu)取向(200)為主的TiN薄膜；TiN薄膜平均孔徑隨氮化溫度增加而減小,孔隙度隨著氮化時(shí)間增加而增加；隨著氮化溫度的升高,電導(dǎo)率和氮化時(shí)間的關(guān)系由正相關(guān)向負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變；在1100℃下氮化2h可以得到電性能較好的TiN多孔薄膜電極,其電導(dǎo)率為1.43×105S·m-1。為了解決BASE組件與不銹鋼底座的封接問題,設(shè)計(jì)了“BASE-鉭-α"-Al2O3-鉭”形式的特殊封接結(jié)構(gòu),采用Ti (70) Cu (15) Ni (15)活性焊料進(jìn)行高溫活性釬焊,完成BASE組件的封接。試驗(yàn)研究了封接溫度和真空度對封接質(zhì)量的影響,采用SEM觀察了封接面的組成,利用氦氣檢漏儀測試了封接件的密封性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在焊料流動(dòng)點(diǎn)附近需要緩慢升(降)溫以保證封接時(shí)材料溫度的一致性；由于活性焊料含有大量的Ti,所以爐內(nèi)真空度需要優(yōu)于10-3Pa以避免焊料氧化；采用高溫活性釬焊法能夠獲得連接緊密和氣密性良好(泄漏率10-10Pa-m3/s)的BASE組件。利用粉末燒結(jié)成型配合線切割的方法進(jìn)行吸液芯組件的制備。通過建立乙醇實(shí)驗(yàn)回路測量了吸液芯組件的毛細(xì)力和流量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：吸液芯組件可以為乙醇的循環(huán)流動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力,證明了吸液芯組件的可靠性；吸液芯組件提供的最大壓力主要取決于吸液芯的孔徑,而蒸發(fā)器對組件的最大壓頭影響較��；選擇小孔徑的吸液芯和大孔隙率的蒸發(fā)器既有利于提高整個(gè)組件的壓頭,也有利于減小流動(dòng)阻力。終上所述,本文創(chuàng)新性地提出了一種AMTEC和SMR相結(jié)合的發(fā)電系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。通過對SMR-AMTEC系統(tǒng)的堆和器兩部分的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究,本研究突破了SMR-AMTEC系統(tǒng)工程研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問題,為SMR-AMTEC系統(tǒng)工程研發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。經(jīng)過進(jìn)一步研發(fā),SMR-AMTEC系統(tǒng)可成為我國社會(huì)發(fā)展,科學(xué)探索以及國防的一種重要的能源選擇。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TL351.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2692388