【摘要】：熔鹽堆是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的候選堆型之一,具有經(jīng)濟(jì)性好、安全性高以及燃料循環(huán)靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)。安全問(wèn)題是熔鹽堆設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一。熔鹽堆的余熱排出系統(tǒng)是保障熔鹽堆停堆后安全的重要系統(tǒng)之一。本文以百兆瓦級(jí)熔鹽堆的余熱排出系統(tǒng)為研究對(duì)象,在大量閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)后,分析總結(jié)了一些典型反應(yīng)堆的余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與特點(diǎn),并參考MSRE排鹽罐余熱排出系統(tǒng)與Mark-1的DRACS介紹了一種適用于百兆瓦級(jí)熔鹽堆排鹽罐的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)方案。針對(duì)排鹽罐非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的核心部件——換熱元件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。換熱元件是一個(gè)采用了三套管設(shè)計(jì)的部件,套管內(nèi)部流動(dòng)的冷卻水與套管外部的高溫熔鹽進(jìn)行換熱,冷卻水受熱氣化后產(chǎn)生的密度差成為換熱元件內(nèi)形成自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力。本文對(duì)熔鹽-套管的換熱過(guò)程和套管內(nèi)部冷卻水的自然循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了分析,使用MATLAB和FLUENT建立了換熱元件的模型,將哈爾濱工程大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和FLUENT的仿真結(jié)果與MATLAB程序的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了模型的適用性。使用MATLAB計(jì)算模型對(duì)換熱元件進(jìn)行敏感性分析,為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了計(jì)算基礎(chǔ)。根據(jù)MATLAB模型的計(jì)算結(jié)果,使用FLUENT軟件對(duì)換熱元件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。在加入熔鹽衰變熱曲線的情況下,分析了不同排布方案下熔鹽與換熱元件關(guān)鍵部位溫度的變化情況,分析了氣隙層厚度、換熱元件高度和氣隙層壁面發(fā)射率的變化以及排鹽罐邊緣效應(yīng)對(duì)換熱元件設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生的影響。結(jié)論表明:在保證換熱元件壁面最高溫度不超過(guò)977.4K最高設(shè)計(jì)溫度的前提下,單位高度換熱元件采用間距值為0.095m的正方形排布方案時(shí),換熱元件數(shù)量為2536根才能滿足保守性假設(shè)的最低要求;減小氣隙層厚度對(duì)傳熱強(qiáng)化影響較小,因此仍采用0.0043m的設(shè)計(jì);換熱元件外壁面最高溫度與換熱元件換熱段高度呈正相關(guān);圓柱體排鹽罐的圓形邊緣會(huì)對(duì)換熱元件的排布產(chǎn)生影響,增大換熱元件的需求數(shù)量;考慮壽期內(nèi)氣隙層發(fā)射率的變化,發(fā)射率與換熱元件排熱能力呈正相關(guān)。當(dāng)采用半徑與高度均為2m的排鹽罐、壽期換熱元件氣隙層壁面最低發(fā)射率為0.5時(shí),滿足保守性假設(shè)的換熱元件數(shù)量為1721根。
【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】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TL426
【圖文】：

圖 1-1 MSRE 余熱排出系統(tǒng)示意圖采用了和 MSRE 相似的余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如圖 鹽罐的換熱元件進(jìn)行換熱，在 MSBR 的兩種設(shè)計(jì)方計(jì)方案中，NaK 通過(guò)電磁泵驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向最終熱阱冷卻劑的設(shè)計(jì)方案中則采用了非能動(dòng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)自

（b）圖 1-2 MSBR 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)示意圖（a）冷卻劑為 NaK （b）冷卻劑為 7LiF BeF熔鹽堆的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要可以分為兩種：反應(yīng)堆直接ACS(Direct Reactor Auxiliary Cooling System)和反應(yīng)堆容器輔助冷S（Reactor VesselAuxiliary Cooling System）。rCon 采用的是 RVACS 設(shè)計(jì)。其非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)如圖 1-3 所示回路以一個(gè)緊湊的排布方式被密封在稱為深井的罐體中。每個(gè)深井由許多立式鋼管組成的膜式壁，鋼管頂部被焊接在一起。鋼管的頂環(huán)形集流管相連，管內(nèi)流動(dòng)著冷卻水。外部冷卻水池中的換熱器入管相連，出口通過(guò)降液管與底部集流管連通，與膜式壁形成了一個(gè)路。深井內(nèi)部的堆芯容器 Pot 和排鹽罐采用輻射的方式將熱量傳遞壁，并使壁管中的水沸騰并產(chǎn)生蒸汽。汽水混合物在密度差的驅(qū)動(dòng)

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