【摘要】：安全性是反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中首要考慮的問題。在先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中已廣泛采用了非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng),通過自然循環(huán)的方式為燃料元件提供長期的衰變熱導(dǎo)出功能,從而提高反應(yīng)堆安全性。目前我國正在自主設(shè)計(jì)開發(fā)液體燃料熔鹽堆,保證熔鹽堆停堆后燃料鹽衰變熱的非能動(dòng)導(dǎo)出是必須解決的關(guān)鍵問題,相關(guān)研究工作還十分不足。因此,本文針對(duì)高溫燃料鹽衰變熱導(dǎo)出過程中所涉及的換熱元件傳熱問題、自然循環(huán)流動(dòng)問題、熔鹽熱分層問題、系統(tǒng)運(yùn)行特性等進(jìn)行了細(xì)致的研究。首先,在解決高溫熔鹽與水之間大溫差傳熱問題的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并搭建了2 MW液體燃料熔鹽堆的非能動(dòng)余熱排出實(shí)驗(yàn)裝置。為了避免燃料鹽中鈹及其化合物的劇毒性帶來的操作風(fēng)險(xiǎn),采用實(shí)驗(yàn)測定的方法,找到了一種三元混合碳酸鹽,其主要熱物性與燃料鹽相近,提出了采用碳酸鹽替代燃料鹽進(jìn)行非能動(dòng)熱量導(dǎo)出熱工實(shí)驗(yàn)的方法。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到了不同邊界溫度條件下余熱排出系統(tǒng)的傳熱特性,系統(tǒng)在熔鹽溫度643℃時(shí)排熱功率為16 kW,在熔鹽凝固點(diǎn)附近的排熱功率為5.1 kW,且材料發(fā)射率對(duì)換熱元件的傳熱能力影響較大。正常工作溫度范圍內(nèi),熱量從最外層套管傳遞到中間層套管的過程中輻射傳熱起主導(dǎo)作用。對(duì)系統(tǒng)傳熱路徑上的熱阻組成情況進(jìn)行了分析,其中氣隙層熱阻起主導(dǎo)作用,是限制系統(tǒng)排熱功率的主要因素,也是系統(tǒng)能夠在溫度和壓力較低的條件下運(yùn)行的主要因素。通過套管式換熱元件內(nèi)自然循環(huán)瞬態(tài)流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)隨著入口過冷度減小出現(xiàn)間歇泉和閃蒸兩種不穩(wěn)定現(xiàn)象,并確定了不穩(wěn)定邊界。利用RELAP5/MOD4.0程序分析了換熱元件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)自然循環(huán)流動(dòng)能力的影響。對(duì)單相和兩相條件下?lián)Q熱元件內(nèi)穩(wěn)態(tài)循環(huán)流量與傳熱量的關(guān)系進(jìn)行了理論推導(dǎo),與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合情況良好。利用CFD軟件Fluent對(duì)排鹽罐內(nèi)高粘度低流速的熔鹽自然對(duì)流進(jìn)行數(shù)值模擬,基于流場和溫度場變化情況分析了熔鹽熱分層發(fā)展過程,確定了排鹽罐內(nèi)溫度最低點(diǎn)位置。對(duì)比了內(nèi)熱源和外熱源加熱條件下排鹽罐內(nèi)自然對(duì)流和溫度分布的區(qū)別,發(fā)現(xiàn)外熱源條件得到的結(jié)果更為保守。對(duì)自然對(duì)流相關(guān)無量綱數(shù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),熱分層數(shù)Str可以用來評(píng)估排鹽罐內(nèi)熱分層的程度,混合數(shù)Mi可以用來預(yù)測整個(gè)瞬態(tài)過程中熱分層的發(fā)展速度,瑞利數(shù)Ra可以用來預(yù)測主流溫度梯度形成后熱分層的發(fā)展速度。最后,通過實(shí)驗(yàn)確定了系統(tǒng)在啟動(dòng)過程和衰變熱導(dǎo)出過程中的瞬態(tài)運(yùn)行特性。發(fā)現(xiàn)由于下降段和加熱段內(nèi)流體換熱導(dǎo)致啟動(dòng)初期的3800 s內(nèi)流體不流動(dòng)。在衰變熱導(dǎo)出過程中,當(dāng)換熱元件近壁區(qū)熔鹽發(fā)生凝固時(shí),換熱元件附近軸向溫度梯度迅速增大,并在壁面附近熔鹽完全凝固時(shí)達(dá)到軸向溫度梯度最大值。本文通過實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值計(jì)算和理論分析相結(jié)合的方法,確定了高溫熔鹽非能動(dòng)熱量導(dǎo)出的可行性,為非能動(dòng)原理在熔鹽堆中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),為我國熔鹽堆非能動(dòng)余熱排出設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
【圖文】：

實(shí)驗(yàn)裝置

高溫鹽浴爐設(shè)計(jì)圖
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TL426

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2695993