熔盐堆鼓泡器中气泡动力学研究

发布时间：2020-04-11 01:25

【摘要】：熔盐堆作为国际上重点关注的第四代核反应堆候选堆型之一,具有良好的发展前景。熔盐堆在运行过程中会产生大量气态放射性核素,如氚、氙、氪。氚具有强的渗透性,在熔盐堆高温环境下,容易进入到环境中,污染环境、威胁人体健康;裂变气体氙和氪属于中子“毒物”,它们会影响反应堆的反应性。因此,将这些气态放射性核素从熔盐中脱除对熔盐堆的安全、稳定运行具有重要的意义。针对熔盐堆中氚、氙、氪的去除,目前国际上主要采用鼓泡脱气的方法,利用文丘里气泡发生器将载气体以鼓泡的方式充入到熔盐回路中,然后这些气态放射性核素通过扩散和传质作用进入到载气泡中,最后将载有氚、氙、氪的载气泡从熔盐中分离出来。文丘里气泡发生器作为脱气系统中的一个重要部分,其产生气泡的大小和粒径分布直接影响脱气效果,载气泡粒径为0.5 mm脱气效果被认为最佳。目前在理论与机理上对鼓泡器进行了大量的研究,然而鼓泡器内气液两相流场十分复杂,气泡在鼓泡器中各运动阶段的动力学机理描述还不完善,一些模型存在着适用的局限性。因此,本文针对载气体经鼓泡器进入熔盐回路的过程,即气泡的形成和脱落、气泡的运动和碎化以及气泡的聚并等,进行了动力学可视化实验研究和(CFD)模拟计算。主要的研究内容和结论如下:1)气泡的形成和脱落。首先,在静水系统中,本文针对不同的进气孔径以及进气率研究了气泡在竖直壁面的形成和脱落特性。结果表明:当进气量一定时,进气孔径越大形成气泡的体积越小;孔口处的压力波动可直接反映气泡形成的成核、稳定生长和缩颈三个阶段。其次,在计算模型中首次引入缓冲体积后,本文对气泡形成周期、形成时间、等待时间、形成体积等参数的模拟计算结果与实验十分吻合;而未引入缓冲体积时,文丘里鼓泡器喉部进气管内回流量的模拟计算结果较实验值偏低。由此表明,在本课题的计算模型中引入缓冲体积的必要性和正确性。2)气泡的运动和碎化。首先,通过可视化实验研究了不同水流量,含气率为0.2%的气泡在喉部和扩张段的运动和碎化情况。通过分析气泡碎化与气泡速度分布的关系指出:气泡速度梯度决定了碎化的剧烈程度,同时气泡主要碎化区域会随着水流量增加向着靠近喉部与扩张段交界位置缩小。其次,通过数值计算方法,研究了高温熔盐环境中单气泡在喉部和扩张段的碎化:氩气泡的形变和破碎是由湍流动能、粘性剪切力和界面不稳定性造成的,其中粘性剪切力使气泡周围形成速度梯度,从而使气泡发生形变和碎化。3)气泡上升聚并行为。采用数值模拟方法初步研究了同轴气泡上升聚并的行为,结果显示,上气泡的运动速度几乎不受下气泡的影响;因受到上气泡尾流的影响,下气泡速度明显的增大;在靠近的过程中两气泡的相对速度先增大后减小;两气泡在聚并前,液膜会经过厚度减小、皱缩形变过程,最终在液膜中间部分发生破裂。通过模拟同轴氩气泡在高温熔盐中的聚并行为发现,直径为2 mm的氩气泡(E_0=0.444、M_0=5.8×10~(-11))较难发生聚并,上气泡两侧的漩涡会阻碍下气泡向上运动。
【图文】：

示意图,熔盐,示意图

第 1 章绪论1.1 研究背景及意义能源是人类赖以生存和发展的基础。以化石燃料为主的能源结构已经造成了能源危机和环境严重污染等问题[1]，人类在探索新的清洁能源和可再生能源过程中发现，，虽然太阳能和风能是清洁的可再生能源，但是它们严重受到地域的限制，具有间歇性和不可靠性的缺点[2,3]，因此无法解决目前面临的能源问题。核能因其能量密度高、低碳排放、污染小、潜在的可持续发展等优点，在解决能源需求快速增长和环境保护的矛盾上具有其他能源无法比拟的巨大优势，因此成为世界各国发展的目标,大力发展核电已成为我国能源中长期发展规划的战略重点之一[4,5]。

熔盐,裂变产物,放射性核素,半衰期

(TMSR)核能系统项目是中科院战略性先导科技专项换效率高、钍基燃料产生的高毒性放射性核素相对较可在常压下运行等特点。鉴于我国是钍资源大国，钍此在中国发展钍基熔盐堆具有良好的前景。我国计划研究，解决钍铀燃料循环和钍基熔盐堆相关重大技术MSR，实现钍资源的有效使用与核能的综合利用[9]。的运行，熔盐堆内将产生大量的裂变产物。实际这些的同位素数目有 300 种左右[10]。熔融态氟化盐作为以氚、氙、氪为主的气载性放射性核素，Kr 主要存r；Xe 主要存在的形式为133Xe、135Xe；氚主要存在的变碎片及衰变子体中 Kr、Xe 占总裂变产额 90%以上半衰期大于 3 分钟，半衰期大于 50 秒的占 50%，如大多数的裂变产物在其衰变过程中经过 Kr、Xe 状态
【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

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