钠冷快堆蒸汽发生器传热管结垢机理及模型研究

发布时间：2020-06-17 00:12

【摘要】：随着科技的发展和人民生活水平的不断提高,人们对电力的消费量逐年增加,预计到2030年电力将超过石油成为最主要能源。核电作为一种低碳、清洁和经济的能源得到了快速的发展。然而,核电也面临安全、铀资源短缺和乏燃料处理处理等问题。为此,各国专家提出共同开发新一代核反应堆,钠冷快堆由于钠的本征安全性及可增殖核燃料、嬗变长寿命放射性废物等特性受到了世界各国的广泛关注。蒸汽发生器作为钠冷快堆钠-水回路的压力边界,对反应堆安全承担着重要的作用。一旦其传热管在汽-液两相侧由于结垢腐蚀发生泄漏,将导致严重的钠水反应事故发生。除安全因素外,结垢还会降低蒸汽发生器传热管的热工水力性能。本文对传热管结垢机理进行研究,建立了钠冷快堆直流式蒸汽发生器传热管结垢模型,并用Fortran语言编辑了传热管结垢模拟程序。程序包含热工水力模块和结垢计算模块,将热工水力模块得到的热工参数作输入值导入结垢计算模块计算传热管轴向污垢厚度分布,然后将污垢厚度反馈到热工水力模块更新热工参数。热工水力模块基于子通道分析程序开发,在原程序基础上增加了钠物性模块、钠壁面传热模型和钠摩擦压降模型,实现了一次侧流道(介质钠)和二次侧流道(介质水)的整体计算模拟。结垢计算模块主要研究了微粒结垢和析晶结垢,根据结垢机理和流型对结垢的影响,沿传热管轴向分为了单相液体区、小泡状流区、弹状-环状流区、干涸缺液区和单相蒸汽区。并通过程序预测了传热管轴向主流温度分布、传热管壁温分布、传热管热流密度分布和污垢厚度分布,及它们随时间的变化情况,此外,还分析了水化学参数、热工参数和几何参数对结垢量的影响。本文第二章介绍了相关热工参数的计算方法和热工模块计算逻辑;第三章介绍了结垢机理和结垢计算模块的计算方法;第四章建立了蒸汽发生器的物理模型,并用Basset实验和Turner实验验证了结垢模块计算的可行性;第五章以中国实验快堆设计参数为输入值,用传热管结垢模拟程序进行了计算。结果表明,随着反应堆运行时间变长,污垢厚度增加,并逐渐趋于稳定;在传热管干涸沸腾区结垢最严重,运行10个月后,污垢厚度可达26μm左右。主流温度沿传热管轴向逐渐增大,在两相区维持饱和温度不变;在单相液体区和单相蒸汽区随运行时间先增加后减小,在两相区基本不随运行时间变化。传热管壁面温度沿轴向变化与主流温度类似,但在气液两相-单相蒸汽过渡点会发生突增;在单相液体区随运行时间逐渐增大,在单相蒸汽区逐渐减小,在两相区基本不变。热流密度沿传热管轴向会有很大的波动,在单相水-气液两相过渡点达到最小值,气液两相-单相蒸汽过渡点达到最大值然后急剧减小;传热管热流密度随运行时间先增大后减小,这是由于少量的结垢增大了换热面积,传热能力增加。此外,随污垢粒子浓度、颗粒直径、传热管直径和热流密度增大,结垢速度增大;随质量流量和剥蚀系数增大,结垢速度减小。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL353.13
【图文】：

钠冷快堆,工作原理

重庆大学硕士学位论文对核燃料利用率的 80 倍，且热堆中卸出的乏燃料也可作为快堆的燃料。钠冷快堆的工作原理如图 1.1 示。钠冷快堆由快中子引起核裂变反应并维持链式反应，以液态金属钠为冷却剂，其包含四个回路系统。一回路位于堆芯，通过冷却剂液态金属钠将裂变反应产生的热量带出传递给二回路传热管内的液态金属钠；二回路被加热的高温液态金属钠从蒸汽发生器上端流入下端流出，并将热量传递给三回路传热管内的水；三回路净化水从蒸汽发生器下端流入，然后被加热成高温高压的水蒸气从上端流出用于推动汽轮机发电；四回路是一个开式回路，其将汽轮机排出的乏气中难以利用的低品质热量带入江河或海中。

原理图,给水系统,原理图,传热管

图 1.2 冷凝给水系统原理图Fig 1.2 Illustration of a typical condenser-feedwater systemSawicki 等人[7,8]对重水堆冷凝给水系统各个位置收集到的腐蚀产物进行穆斯堡尔分析，发现主要成分是磁铁矿、赤铁矿、纤铁矿和少量的针铁矿。压水堆腐蚀产物成分和重水堆类似，主要是磁铁矿和赤铁矿，但纤铁矿和针铁矿相对更少[8,9]。在压水堆冷凝给水系统各个位置安装孔径 0.45μm 的过滤器和阳离子交换膜，对收集到的铁进行分析，发现超过 90%（质量份额）的铁是以悬浮颗粒的形式输送到蒸汽发生器，剩余是铁胶体和溶解铁组合而成[9,10]。核动力院的周军等人用 2400X 电镜扫描观察蒸汽发生器传热管外表面覆盖的一层红棕色物质，发现其厚度范围为 5um-22um，用 X 射线衍射进行物相分析，主要成分为 NiFe2O4，其与冷凝给水系统结构材料腐蚀产物的主要成分相同，会增加传热管热阻-9 27.55 10 m h ℃/kcal[11]。传热管表面发生严重的结垢时，会降低传热效率，减少传热管寿命，所以在核电站停堆期间，会对传热管外表面及管板区域污垢进行视频检查，但视频检查范围有限且工作量大，不能对全部管束和支

【参考文献】