氟盐冷却球床堆堆积规律及等效导热系数的研究

发布时间：2020-03-29 04:34

【摘要】：10MW氟盐冷却球床堆是国际上一种重要的第四代核反应堆设计堆型,采用氟盐作为堆芯冷却剂和高温气冷堆的燃料球作为燃料,具有良好的安全性和经济性。球床堆安全设计要求在失流工况下反应堆能够依靠负反馈实现自动停堆,并且堆芯衰变热都能够通过热传导、自然对流换热和热辐射等非能动方式排出。通常用堆芯球床等效导热系数来简化描述这种复杂的非能动传热工况和计算堆芯温度分布。已有的球床等效导热系数的研究多集中于高温气冷堆,针对氟盐冷却球床堆中的球床堆积特点,尤其是堆芯冷却剂FLiBe与高温气冷堆中的氦气在热物性上存在较大差异,如FLiBe对辐射传热的影响和自然对流传热能力等,导致高温气冷堆中相关的理论模型和实验结果无法直接应用于氟盐冷却球床堆堆芯等效导热系数的研究。从反应堆安全设计角度出发,有必要对其堆芯球床内的燃料球堆积特性以及自然对流传热过程进行研究,获得实际堆芯球床等效导热系数,这对于正确理解氟盐冷却球床堆堆芯内的传热过程、开展失流事故安全分析具有重要的意义。论文主要研究内容包括以下三部分,首先是针对10MW氟盐冷却球床堆开展燃料球离散元模拟,掌握并获取堆芯球床随机堆积规律。通过分析填充颗粒大小、颗粒间摩擦系数以及填充颗粒数对浮力作用下的球床稳态堆积结构的影响,表明填充直径小的颗粒球,可使球床孔隙率振荡减弱,有利于堆芯功率密度分布展平;颗粒间摩擦系数减小能较好的模拟球床振动压实,且与稳态堆积球床孔隙率和配位数满足负指数关系;当填充颗粒球数超过约10000个后,10MW氟盐冷却球床堆的球床平均孔隙率和配位数变化趋于恒定,分别稳定在0.43和5.6左右,颗粒球数量对球床稳态堆积结构的影响降至最低,此时的球床稳态堆积结构可代替满装堆时的球床用于自然循环热工水力特性研究。其次是基于离散单元法和计算流体力学方法建立球床式反应堆自然对流传热数值分析模型。通过与气冷堆球床导热实验结果对比验证了数值模型的可靠性;在此基础上对实验未进行的极限温度工况开展了模拟预测,完善了高温气冷堆在极限温度范围内的温场分布数据,给出了对应的球床等效导热系数变化区间为0~32 W/(m·℃);并对比了氦气和氮气两种冷却介质的自然对流传热效果,结果表明自然对流能力强的流体介质对堆芯稳态温度分布具有更大的影响,有使堆芯径向温度分布变偏平的作用。由于本节建立的数值模型考虑了球床内的导热、辐射和自然对流效应,没有对传热模型进行简化,因而具有普适性,也适用于氟盐冷却球床堆内的自然对流传热分析。最后基于前面两部分的方法和模型,对FLiBe熔盐作传热介质的10MW氟盐冷却球床堆自然对流传热进行模拟。结果表明:熔盐自然对流传热在球床总传热中占据主要地位,而其热辐射吸收系数变化对于决定球床总的等效导热系数意义不大;由于FLiBe较强的自然对流特性,使得球床沿轴向呈现明显的温度梯度;而径向上在靠近冷热两个壁面边界层内的流体温度梯度较大,球床中心区域温度近似保持不变,熔盐流动大部分集中在冷热壁面之间形成单一的环流运动;极限温度范围内堆芯等效导热系数变化区间为100~280 W/(m·℃)。
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全球能源

第 1 章绪论核能发展概述能源是人类文明赖以生存和发展的基础。石油、煤炭等化石能源支撑了社会的进步和工业化的发展，但是随着世界人口的增长和人们生活水平高，人们对能源的需求也在以几何级不断增加。根据 2018 年 BP 世界年鉴给出的数据[1]，2017 年全球一次能源消费增长 2.2%，增速高于十速 1.7%，如图 1.1 所示，其中中国能源消费增长 3.1%，，连续 17 年成为消费增量最大的国家。世界对能源的需求在未来的几十年里仍然会保持长速度。

世界能源,占比,核电

图 1. 2 世界能源消费占比Figure 1.2 World share of energy consumption核能作为一种能量密度高、可大规模应用的能源，在解决环境问题和应要快速增长方面具有其他能源所不可比拟的巨大优势，不仅能满足经济力的需求，还能够大大减少温室气体的排放，已经成为未来相当长时期源的主要候选者之一。截至目前，世界上在役运行核反应堆共有 454 应堆 54 座，总计装机容量 387 GW，为世界提供了约 14%的电力供应多国家的核电比例超过 20%，法国核电占比甚至高达 76%，如图 1.3国际原子能机构 IAEA 发布的《2017 年核电国际现状与前景》的报告情况下到 2050 年，全球核电装机容量将增加到 874 GW。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL426

【参考文献】