结合AMTEC的小型自然循环快堆的关键技术研究

发布时间：2020-06-02 01:28

【摘要】：随着社会的发展、人类探索领域的拓展(如外空、深海、极地等)以及国防技术的进步,能源越来越向多样化、分散化、无人值守化等方向发展。为了满足远距离无人值守化等极端环境下的电源可靠供给,本文在国际上提出了一种结合碱金属热电转换器(Alkali Metal Thermal to Electric Converter-AMTEC)的小型模块化快堆的概念设计,更重要的是反应堆一回路采用全自然循环(非能动)的方式运行,摒弃了传统热力发电装置中的机械泵和汽轮机等转动机械,从而提高了整个发电装置的可靠性,减少了其维护要求,降低了其运行噪音。小型模块反应堆(small modular reactor-SMR)主要包括堆芯、一回路、中间热交换器和非能动余热排出系统。热电转换部分包括大型AMTEC单元,热电偶单元和热管单元。最后通过中间回路将反应堆一回路和热电转换部分相结合,形成SMR-AMTEC (Small Modular Reactor-Alkali Metal Thermal to Electric Converter)系统。针对该新概念设计的小型模块化快堆,本文研发了三项关键技术,即：基于转鼓的堆物理控制技术；正常功率条件下一回路全自然循环技术；基于自然循环的余热排出技术。研究了三项关键技术的运行行为与特性,初步论证了其技术可行性。主要研究成果如下：提出了基于转鼓的堆物理控制技术,同时采用在保持堆芯当量直径和冷却剂通道总截面积不变的情况下,减少燃料棒圈数和活性区长度的方法,有效的降低了堆芯压降。通过研究堆芯燃料装载量不变情况下,芯块半径、燃料棒长度和圈数对堆芯有效增殖因数kff、堆芯压降和传热的影响,同时分析不同额外停堆裕量下,B4C吸收层厚度和堆芯初始剩余反应性随燃料棒圈数的变化关系,验证了该控制技术的可行性。提出了正常功率条件下一回路全自然循环技术,利用MATLAB/Simulink建立自然循环回路的动态仿真模型(非线性法),分析了自然循环回路的瞬态响应和稳定性。利用相关液态金属回路的实验结果和FLUENT的模拟结果验证了模型的准确性。除了采用非线性分析法,本文还基于MATLAB开发了自然循环回路稳定性的线性方法分析程序,通过与实验和已有计算结果进行对比,验证了程序的有效性。在此基础上,同时利用非线性法和线性法分析了影响自然循环稳定性的诸多因素,包括热功率变化、工质种类和回路尺寸等。计算结果表明升功率速率先慢后快时有利于减小流速振荡和缩短流动到达稳定所需的时间,钠(Na)回路比铅铋合金(Lead-bismuth eutectic-LBE)和铅(Pb)回路具有更高的临界功率和雷诺数,减小回路高宽比,延长冷却段长度都有利于增加回路稳定性。最后利用以上分析结果对SMR-AMTEC系统的一回路的设计进行优化,并研究其功率瞬态响应和稳定性。提出了基于自然循环的余热排出技术,利用MATLAB/Simulink在单个自然循环回路的基础上建立了双自然循环回路(由一回路和余热排出回路耦合而成)动态仿真模型,分析其瞬态响应和回路的稳定性,并用FLUENT进行验证。其次采用该模型分析了功率变化和中间热交换器换热面积对双自然循环回路稳定性的影响,结果表明先慢后快的升功率方式同样有利于减小流速振荡和缩短流动到达稳定所需的时间,但是不同的降功率方式对降功率过程的稳定性影响并不显著。增加中间热交换器换热面积有利于提高回路稳定性。最后本文对SMR-AMTEC的非能动余热排出系统的功率瞬态响应和稳定性进行了分析。针对该新概念设计的小型多管循环式AMTEC单元,本文重点开展了三项关键部件制备技术的研发,即：AMTEC的TiN多孔薄膜电极制备技术；BASE (β"氧化铝固体电解质)组件封接技术；吸液芯组件的制备及测试技术。主要研究成果如下：采用丝网印刷法在α"-Al2O3基底表面分别以三种不同的氮化温度和时间制备了用于AMTEC的TiN多孔薄膜电极。通过x-射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD)对TiN薄膜进行相分析,同时利用扫描式电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)观察薄膜表面孔径和孔隙度,采用表面轮廓仪测量了薄膜厚度并且利用电导率仪测量了薄膜方阻。实验结果表明：试样在900℃～1100℃下氮化2h-4h,都可生成择优取向(200)为主的TiN薄膜；TiN薄膜平均孔径随氮化温度增加而减小,孔隙度随着氮化时间增加而增加；随着氮化温度的升高,电导率和氮化时间的关系由正相关向负相关转变；在1100℃下氮化2h可以得到电性能较好的TiN多孔薄膜电极,其电导率为1.43×105S·m-1。为了解决BASE组件与不锈钢底座的封接问题,设计了“BASE-钽-α"-Al2O3-钽”形式的特殊封接结构,采用Ti (70) Cu (15) Ni (15)活性焊料进行高温活性钎焊,完成BASE组件的封接。试验研究了封接温度和真空度对封接质量的影响,采用SEM观察了封接面的组成,利用氦气检漏仪测试了封接件的密封性,实验结果表明：在焊料流动点附近需要缓慢升(降)温以保证封接时材料温度的一致性；由于活性焊料含有大量的Ti,所以炉内真空度需要优于10-3Pa以避免焊料氧化；采用高温活性钎焊法能够获得连接紧密和气密性良好(泄漏率10-10Pa-m3/s)的BASE组件。利用粉末烧结成型配合线切割的方法进行吸液芯组件的制备。通过建立乙醇实验回路测量了吸液芯组件的毛细力和流量,实验结果表明：吸液芯组件可以为乙醇的循环流动提供驱动力,证明了吸液芯组件的可靠性；吸液芯组件提供的最大压力主要取决于吸液芯的孔径,而蒸发器对组件的最大压头影响较小；选择小孔径的吸液芯和大孔隙率的蒸发器既有利于提高整个组件的压头,也有利于减小流动阻力。终上所述,本文创新性地提出了一种AMTEC和SMR相结合的发电系统的概念设计。通过对SMR-AMTEC系统的堆和器两部分的各项关键技术的研究,本研究突破了SMR-AMTEC系统工程研发的关键技术问题,为SMR-AMTEC系统工程研发奠定了重要基础。经过进一步研发,SMR-AMTEC系统可成为我国社会发展,科学探索以及国防的一种重要的能源选择。
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL351.1

【参考文献】