核燃料包覆喷动床气固流动特性模拟研究

发布时间：2020-09-25 22:37

　　固态燃料钍基熔盐堆采用氟盐冷却剂和球形燃料元件，其中球形燃料元件由石墨基体和TRISO（Tristructuralisotropic）颗粒组成。TRISO燃料颗粒由氧化铀或者氧化钍核芯通过多层包覆制成，其中多层包覆体系包括多孔碳层、内致密热解碳层、碳化硅层和外致密热解碳层。包覆层的制备是通过高温喷动床化学气相沉积装置完成的，其是喷动床技术与化学气相沉积法相结合的一种材料制备技术。通过载带气体将颗粒流化，进入喷动床后反应气体在高温下发生裂解，由此实现在颗粒表面沉积固体碳或者碳化硅包覆层。包覆层制备质量的优劣与包覆过程中喷动床的颗粒浓度分布、流型以及循环轨迹等气固流动特性密切相关，研究喷动床的气固流动特性有助于核燃料包覆装置的设计和制备工艺的优化。核燃料包覆喷动床具有颗粒密度大和床层低的特点，在床型上属于重颗粒浅床喷动床。本研究根据核燃料包覆喷动床床型特点，使用商业计算流体力学软件Fluent建模，基于拟流体模型数值模拟方法，研究核燃料包覆喷动床的气固流动特性。首先考察不同的颗粒摩擦堆积限、颗粒恢复因子和曳力模型对数值模拟结果的影响。结果表明应用颗粒摩擦堆积限为最大颗粒填充率、颗粒恢复因子为0.9以及曳力模型为Gidaspow模型时，模拟出的喷泉高度和床体压降信号与实验结果最为接近，此时数值模拟结果能反映出核燃料包覆喷动床气固流动行为。其次应用得到实验校验的模型考察锥角角度和气流速度对核燃料包覆喷动床气固流动特性的影响。结果表明60锥角核燃料喷动床的气固接触效率较高，不存在床层上浮现象，且颗粒与床壁的碰撞不明显。不同的气流速度引起不同的颗粒碰撞现象，当气流速度为1.5Ums时，气固接触较高且颗粒未与床壁发生明显的碰撞。之后研究了包覆过程中颗粒性质的改变（直径增大，密度减小）对喷动床气固流动特性的影响，发现随着缓冲层包覆过程中颗粒性质的改变，喷泉高度减小，喷射区中的颗粒数量减小，喷射区中的气体升温速率降低，由此影响包覆效率。
【学位单位】：中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL426;TL352
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
1 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 固态熔盐堆
        1.1.2 TRISO 包覆颗粒
        1.1.3 喷动床的概况
    1.2 喷动床气固流动数值模拟
        1.2.1 离散元模型
        1.2.2 拟流体模型
    1.3 目前研究现状
    1.4 研究的主要内容和结构安排
    参考文献
2 实验与数值模拟方法
    2.1 实验系统
        2.1.1 实验装置
        2.1.2 实验物料
        2.1.3 实验方法
        2.1.4 实验步骤
    2.2 数值模拟方法
        2.2.1 计算模型与计算工具介绍
        2.2.2 计算网格划分
        2.2.3 计算参数与设置
        2.2.4 初始条件与边界条件设置
    2.3 本章小结
    参考文献
3 喷动床气固流动模拟结果可靠性分析
    3.1 模拟各参数对模拟结果的影响
        3.1.1 颗粒摩擦堆积限
        3.1.2 颗粒恢复因子
        3.1.3 曳力模型
    3.2 模拟结果的实验验证
        3.2.1 颗粒分布
        3.2.2 最小喷动速度
        3.2.3 压降信号
    3.3 本章小结
    参考文献
4 核燃料包覆喷动床气固流动特性分析
    4.1 锥角角度对气固流动特性的影响
        4.1.1 静止床层高度相同
        4.1.2 物料质量相同
    4.2 气体流速对气固流动特性的影响
    4.3 TRISO 颗粒包覆喷动床气固流动特性
    4.4 本章小结
    参考文献
5 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
硕士发表论文情况
致谢

【参考文献】