熔鹽冷卻球床堆技術(shù)繼承和整合了液態(tài)燃料熔鹽堆熔鹽冷卻劑技術(shù)與球床式高溫氣冷堆燃料元件技術(shù)，是下一代核能系統(tǒng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。FLiBe熔鹽具有高熱容量，優(yōu)異的熱輸運(yùn)性能和中子慢化性能；熔鹽作為冷卻劑可以使反應(yīng)堆具有較高功率密度，有助于提高反應(yīng)堆系統(tǒng)效率，有利于堆芯安全性和經(jīng)濟(jì)性。由于FLiBe熔鹽本身的化學(xué)物理特性以及所要求的高溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其流動(dòng)和傳熱行為尚未在實(shí)驗(yàn)上得到系統(tǒng)、深入的研究。熔鹽在球床中的壓降及傳熱系數(shù)關(guān)系到反應(yīng)堆的堆芯設(shè)計(jì)、安全分析及堆芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化。限于計(jì)算機(jī)性能以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）算法和程序的發(fā)展過程，傳統(tǒng)的球床反應(yīng)堆熱工水力分析程序基于宏觀多孔介質(zhì)模型，無法預(yù)測(cè)在各種工況下燃料球表面溫度分布的細(xì)節(jié)。幾十年以來，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論和計(jì)算機(jī)性能都有很大的提高，也需要在此基礎(chǔ)上發(fā)展更加精確的球床堆熱工分析方法和計(jì)算程序。 論文從研究?jī)?nèi)容上總體分為兩個(gè)部分：其一為熔鹽冷卻球床空隙尺度下熱工水力特性研究；其二為多孔介質(zhì)局域非熱平衡模型的建立、程序開發(fā)及熔鹽冷卻球床反應(yīng)堆堆芯穩(wěn)態(tài)熱工水力分析。 第三章建立了規(guī)則球床壓降和對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算的微觀結(jié)構(gòu)模型，對(duì)球床壓降因子和努塞爾準(zhǔn)數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。模型的壓降計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)擬合關(guān)系式符合較好，證明了計(jì)算模型和方案的可行性，通過BCC和FCC模型計(jì)算結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)規(guī)則球床本身的幾何構(gòu)型對(duì)壓降有明顯影響。對(duì)流換熱計(jì)算結(jié)果分析表明，規(guī)則球床的對(duì)流換熱準(zhǔn)數(shù)在很大程度上依賴于具體的球床結(jié)構(gòu)；在特定的雷諾數(shù)區(qū)間，熔鹽在球床中的流動(dòng)傳熱機(jī)制可能與空氣和水等介質(zhì)有較大差別，應(yīng)用規(guī)則球床的反應(yīng)堆在熱工水力研究時(shí)應(yīng)針對(duì)具體的球床微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展相應(yīng)的壓降和換熱系數(shù)關(guān)系式。應(yīng)用離散元方法建立了三維隨機(jī)堆積球床模型，通過與實(shí)驗(yàn)擬合關(guān)系式的對(duì)比驗(yàn)證了模型的可靠性。隨機(jī)球床的壓降分析表明KTA公式適用于熔鹽冷卻球床堆的壓降預(yù)測(cè)。對(duì)流換熱準(zhǔn)數(shù)理論計(jì)算結(jié)果表明，在低雷諾數(shù)下Wakao公式適用于隨機(jī)球床堆的對(duì)流換熱計(jì)算，在雷諾數(shù)大于500時(shí)根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果擬合的努塞爾數(shù)計(jì)算式為：Nu=2.91Re0.415Pr1/3。 基于所建立的規(guī)則及隨機(jī)排布球床CFD模型，本文發(fā)展了確認(rèn)滿功率運(yùn)行情況下燃料球安全以及預(yù)測(cè)局部功率異常，局部失冷工況下燃料球溫度分布的一般性方法。通過在球床區(qū)段設(shè)置不同的表面熱流通量密度和調(diào)節(jié)進(jìn)口冷卻劑速度，研究了預(yù)設(shè)工況下燃料球表面的溫場(chǎng)分布，對(duì)球床堆“熱點(diǎn)”分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)局部功率過高對(duì)燃料球表面溫度影響很大，在隨機(jī)球床堆中局部燃料球密實(shí)化和局部功率過高是威脅燃料球安全的最大因素。 第四章基于國(guó)際上多孔介質(zhì)流動(dòng)傳熱理論和通用CFD程序建立了球床堆熱工水力計(jì)算模型，并改進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)k ε湍流模型。對(duì)高溫氣冷堆穩(wěn)態(tài)熱工水力學(xué)基準(zhǔn)題驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果表明CFD程序與國(guó)際上著名程序THERMIX和TINTE的結(jié)果符合很好，可用于球床式反應(yīng)堆的熱工水力學(xué)分析。在多孔介質(zhì)中，湍流方程源項(xiàng)對(duì)流固兩相之間的換熱能力有很大影響，在加入了湍流方程源項(xiàng)的情況下，球床固相的溫度分布在較熱區(qū)域會(huì)更加均勻。本文中所建立的模型具有較為深刻的理論基礎(chǔ)，方法具有一般性和可擴(kuò)展性，便于在此基礎(chǔ)上發(fā)展新一代球床堆熱工水力學(xué)分析程序。 基于隨機(jī)球床空隙尺度下熱工水力分析結(jié)果以及多孔介質(zhì)兩相局域非熱平衡模型對(duì)900MW環(huán)形PB-AHTR穩(wěn)態(tài)熱工水力特性進(jìn)行了計(jì)算，分析了兩種冷卻劑進(jìn)出口方案下堆芯壓降分布、冷卻劑速度、流線分布，冷卻劑溫場(chǎng)分布以及固相球床溫場(chǎng)分布。對(duì)選取合適的冷卻劑進(jìn)出口方案提出了建議，堆芯穩(wěn)態(tài)熱工水力計(jì)算表明堆芯存在局部固相溫度過高的區(qū)域，在堆芯設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，消除過熱區(qū)域。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（上海應(yīng)用物理研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：TL426;TL33
【部分圖文】：

圖 1.1 Prism-AHTR-2004 堆芯總體示意圖[8]組件包含 108 個(gè)冷卻劑通道和 216 個(gè)燃及整體布局（左）如圖所示：圖 1.2 Prism-AHTR-2004 堆芯結(jié)構(gòu)示意圖[8]HTR UCB 對(duì) Prism-AHTR-2004 堆芯設(shè)計(jì)方案

圖 1.2 Prism-AHTR-2004 堆芯結(jié)構(gòu)示意圖[8]冷卻超高溫堆 LS-VHTR05 年，ORNL，SNL 和 UCB 對(duì) Prism-AHTR-2004 堆芯設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)，提出了超高溫堆的概念[9]（Liquid Salt Cooled Very High Temperature Reactor, LS-VHTR）的設(shè)計(jì)中用圓柱形堆芯組件布局取代原來的環(huán)形組件布局，去掉了堆芯中央作為石墨柱，消除了堆芯石墨柱表面的功率峰。LS-VHTR 設(shè)計(jì)的熱功率為 2400MW，電1300MW，功率密度為 10.0W/cc，冷卻劑進(jìn)出口溫度分別為 850℃/1000℃。燃料使小于 20%的 UCO，主回路冷卻劑熔鹽為 Li2BeF4，并設(shè)計(jì)有反應(yīng)堆容器非能動(dòng)輔助。此設(shè)計(jì)正式作為熔鹽冷卻的超高溫堆的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在此期間，愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)ho National Laboratory，INL）和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory,AN到 AHTR 的研究團(tuán)隊(duì)，并參與了 LS-AHTR 的設(shè)計(jì)。兩種 LS-AHTR 的堆芯布局對(duì)比 所示：

圖 1.3 LS-AHTR 堆芯布局示意圖[9]堆先進(jìn)高溫堆 PB-AHTR康辛大學(xué)和法國(guó)阿�，m核電公司也加入到 AHTR 的研究團(tuán)重大改進(jìn)，從設(shè)計(jì)理念上進(jìn)行了更新，并對(duì)于眾多子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)理念方面的發(fā)展與改進(jìn)包括：冷卻球床堆（Molten Salt Cooled Pebble Bed Reactor）的概出系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，用“池式輔助冷卻系統(tǒng)+直接輔助冷卻系統(tǒng)”；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析包括：a.熔鹽的選擇；b.衰變熱移除系統(tǒng)種堆型的換料方案；e.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與儀器儀表；f.乏燃料特性UCB 對(duì)球床先進(jìn)高溫堆（PB-AHTR）進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 孟現(xiàn)珂;含內(nèi)熱源球床通道換熱特性研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2820705