冷坩埚玻璃固化启动过程数值分析

使用COMSOL有限元计算软件对熔池直径500 mm、高365 mm的电磁冷坩埚玻璃固化模型的启动过程进行了数值分析，研究了垂直方向环状启动加热块数量和位置分布对启动过程中加热速率、加热效率和温度分布的影响。计算结果表明，启动加热块距离坩埚底部250~300 mm时加热效率较高，增加垂直方向启动加热块的分布数量有利于在启动过程中加快升温速率、快速提高磁感应加热效率、加强玻璃熔体温度均匀程度和扩大玻璃熔体体积。     

冷坩埚玻璃固化启动过程数值分析

使用COMSOL有限元计算软件对熔池直径500 mm、高365 mm的电磁冷坩埚玻璃固化模型的启动过程进行了数值分析,研究了垂直方向环状启动加热块数量和位置分布对启动过程中加热速率、加热效率和温度分布的影响。计算结果表明,启动加热块距离坩埚底部250～300 mm时加热效率较高,增加垂直方向启动加热块的分布数量有利于在启动过程中加快升温速率、快速提高磁感应加热效率、加强玻璃熔体温度均匀程度和扩大玻璃熔体体积。     

冷坩埚玻璃固化技术研究进展

正中国原子能科学研究院从"十二五"末开始承担了"冷坩埚玻璃固化试验装置研制及搅拌等关键技术研究"项目,研究重点是针对冷坩埚玻璃固化过程中的关键技术进行攻关,建立起一套直径500 mm的冷坩埚玻璃固化试验装置,并进行工艺研究,获得工艺运行参数,为下一步冷台架的建立运行打好基础。2017年项目组主要开展了冷坩埚试验装置中搅拌系统的研制、尾气处理装置的安装和调试,并与冷坩埚玻璃固化试验装置其他系统连接,建成了完整的冷坩埚玻璃固化试验装置,对整套     

玻璃固化用冷坩埚底部结构设计对电磁场影响的模拟分析

冷坩埚玻璃固化技术是高放废液玻璃固化技术的重点研究方向之一。坩埚底作为冷坩埚的重要部件,影响冷坩埚的透磁性、密封性、强度和漏料工艺。为提高冷坩埚漏料效率,需要增强漏料口附近的磁感应强度。本文使用COMSOL Multiphysics软件建立了冷坩埚电磁感应模型,研究了坩埚底结构设计对冷坩埚内部磁场和电磁损耗的影响。模拟结果显示：改变坩埚底部分瓣数对坩埚内部磁场、坩埚底部磁场和坩埚底电磁损耗的影响较小;增加开缝宽度可有效增强坩埚内部磁场,降低坩埚底的电磁损耗,并使玻璃熔体的加热效率增加约6%;增加开缝深度可增加坩埚底部中心附近玻璃域的磁感应强度和底部玻璃熔体的电磁损耗占比。     

Ф100冷坩埚玻璃固化高频电源多物理场耦合仿真研究

高频电源是冷坩埚高放废液玻璃固化系统的重要组成部件,但由于每套高频电源参数出厂后参数不可调节且价格昂贵,因此一直未能开展电源参数对冷坩埚的匹配性研究,无法确定高频电源的最优参数组合以及最佳匹配状态。利用价格低廉且参数可微调的小型高频电源建立Ф100冷坩埚实验装置并开展电源与埚体的匹配性规律研究是解决上述问题的有效途径,但由于实验变量过多,实验测量可获取的有效数据较少,因此本文开展了Ф100冷坩埚玻璃固化高频电源多物理场耦合的仿真研究,利用COMSOL,以电流强度、频率、线圈匝数等条件为变量开展对熔融玻璃液的温度场、流场及磁场的多场耦合仿真。结果表明,适当增加电流强度和频率可改善熔制能力,适当增加线圈直径、间距、匝数可提高能量利用率,线圈高度处于中部位置偏下可提高温度场磁场分布,圆形线圈及冷坩埚较椭圆形更具优势。与实验结果相比,经过初步电源参数优化后的冷坩埚熔池体积提高了22.8%、平均温度提高了35%,较大幅度地改善了冷坩埚的熔制效果。     

我国初步掌握冷坩埚玻璃固化技术

正11月30日,我院自主研制的冷坩埚玻璃固化实验装置完成24小时联动试验,成功产出440公斤模拟玻璃固化体。这意味着我国冷坩埚玻璃固化技术在固化工艺段,已经突破了搅拌、卸料、高频电源与冷坩埚的匹配、启动等诸多重大关键技术,标志着我国已经初步掌握冷坩埚玻璃固化技术。冷坩埚玻璃固化技术是目前国际上一种用于放射性废物处理的新型玻璃固化工艺技术,现已被列为核工业十大瓶颈技术之一。     

基于ANSYS的冷坩埚感应线圈设计及电磁分析

冷坩埚玻璃固化技术是目前最新一代的高放废液玻璃固化工艺。感应线圈是冷坩埚熔炉的关键部件之一,其设计合理与否直接关系到冷坩埚能否顺利运行。目前世界各国的冷坩埚装置对感应线圈的截面形状、匝数、匝间距等参数采取过不同的设计,对这些设计参数进行计算分析对指导我国冷坩埚研制具有重要意义。本工作基于ANSYS软件对感应线圈的电磁场进行有限元分析,结果表明,加载高频交变电流的感应线圈的电磁场具有以下分布规律：高频电流表现出集肤效应和邻近效应,电流集中于线圈表面,电流密度峰值出现在线圈的最上端和最下端;磁通密度轴向分量（B_y）在径向上由线圈内边缘附近向线圈包围的中心区衰减,纵向上与电流密度的分布类似,B_y在线圈上下两端处出现峰值,在线圈高度覆盖的范围之外,磁通密度迅速衰减。本工作进一步结合法国阿海珐公司、美国爱达荷实验室和印度巴巴哈原子能中心的冷坩埚的感应线圈设计方式,建立了不同截面形状、匝数和匝间距的感应线圈模型,经过计算发现矩形截面线圈的磁场分布均匀性要优于圆形截面线圈;在感应线圈总高度相同的前提下,匝数的变化对线圈的磁场分布几乎没有影响;匝间距的增加会降低径向和纵向的磁通密度及其均匀性。综上,建议感应线圈采用密绕型矩形截面设计,匝间距设计为2.5~5 mm。     

石墨垫片密封泄漏率计算方法研究

为完善核级主设备密封分析及设计方法,基于稳压器人孔密封结构建立了密封数值分析模型,对石墨垫片密封接触应力进行了分析研究;结合平行圆板流动模型和多孔介质渗流模型建立了石墨垫片密封质量泄漏率理论预测模型;基于理论预测模型计算了设计工况、试验工况和启动瞬态工况下的质量泄漏率,对主要影响参数进行了分析和讨论。研究结果表明,石墨垫片密封接触应力沿周向分布较为均匀,而石墨环沿径向的中间区域接触应力值略低于石墨环两侧;在温度和压力上升瞬态中,密封接触应力随时间呈现出下降的规律,密封质量泄漏率与接触应力呈负相关,增大密封接触应力可以降低质量泄漏率,但降低效率逐渐减小,减小粗糙度可以显著降低质量泄漏率。本文分析方法可为核级主设备密封泄漏率分析和紧密度评价提供重要参考。     

用于氧化物熔池传热特性研究的感应加热技术

本文分析了冷坩埚感应加热技术对氧化物熔池传热特性研究的适用性,进而对传统冷坩埚的结构进行了改进。使用数值模拟方法对改进后的冷坩埚内部焦耳热和洛伦兹力进行分析,分析结果表明:电源频率越低,焦耳热分布越均匀,同时冷坩埚产生的焦耳热占电源功率的比重越低,越有利于测算熔池壁面的热流密度;相比于熔池自然对流的驱动力,熔池受到电磁场的洛伦兹力可忽略不计,洛伦兹力不会对氧化物熔池的传热和流动产生显著影响。     

冷坩埚玻璃固化技术及应用

介绍了法国、韩国、俄罗斯冷坩埚玻璃固化技术在核领域中的研究与工程应用,以期为我国冷坩埚技术的开展提供借鉴和参考。     

Dynamic response of the JT-60 vacuum vessel under the electromagnetic forces

Dynamic response analyses of the JAERI Tokamak 60 (JT-60) vacuum vessel were carried out under three kinds of saddle-like electromagnetic forces. In the analysis, the dynamic response of the bellows was obtained by dividing it into three components; the first, caused by the forced deflection due to the displacement of an adjacent rigid ring; the second, caused by inertia force; and the third, caused by a saddle-like electromagnetic force.Eigenvalue analyses showed that the 20th mode is a typical rotation mode of the rigid ring around the major radius with a natural frequency of 46.3 Hz. From the results of the dynamic response analyses, the maximum displacement response of the rigid ring was 3.1 mm and remarkable dynamic response was observed in the case of plasma disruption with a time constant of 1 ms. In cases of start-up of the plasma current and plasma disruption with a time constant of 50 ms, the rigid ring vibrates quasi-statically.It is clear that the dynamic behavior of the vacuum vessel is governed mainly by the saddle-like electromagnetic force, with a smaller effect of the inverse saddle-like electromagnetic force on the dynamic response of the vacuum vessel.     

核石墨氧化后微观结构观测与分析

针对高温气冷堆中石墨材料在可能出现的事故中的氧化问题,开展了不同氧化程度下IG-11石墨的表面二维电镜扫描观测和三维CT扫描观测实验,分析了石墨氧化后的表面形态特征和内部微结构分布特点。通过试样氧化前后表面灰度概率分布图可知,石墨氧化后由于内部大孔隙的出现,灰度概率分布图由单峰变为双峰。通过分析灰度平均值以及试样分层密度随深度的变化可知,氧化主要发生在距离石墨试样表面1 mm的区域内;当氧化失重率较小时,在浅层区域损失的质量所占比重相对更大,而氧化程度较高后反应形成的开孔孔隙网络才逐步深入材料内部。     

点源效率函数确定大体积样品的HPGe探测器γ射线峰效率

利用HPGe g谱仪,用²⁴¹Am、¹³⁷Cs、⁶⁰Co混合点源分别测量样品在5个高度上、不同剖面、不同位置的全能峰效率,通过最小二乘拟合确定了点源峰效率函数的拟合参数,用该点源效率函数对f75 mm×25 mm的土壤样品的半径和高度数值积分计算可得到59.54、661.66、1 173.2、1 332.5 keV γ射线全能峰效率。将点源效率函数数值积分计算的体源全能峰效率与实测标准体源全能峰效率以及LabSOCS无源效率刻度结果进行比较,相对偏差在10%内符合,说明该点源效率函数参数确定方法是正确的。同时,该点源效率函数在计算任意几何形状的样品得到了应用,积分计算了球状样品的探测效率,并与LabSOCS无源效率刻度结果进行比较,两者相对偏差在10%内符合。     

气泡破裂点位置及液膜卷曲速度实验研究

利用高速摄像技术构造可视化装置拍摄纯水中气泡在自由液面处破裂产生膜液滴的整个过程，包括气泡浮动、液膜排液、破裂点形成、液膜卷曲、瑞利不稳定射流形成膜液滴等阶段。气泡破裂点产生相对位置及液膜卷曲速度对于气泡破裂产生膜液滴过程非常重要，通过图像后处理得到两者实验数据。结果表明：对于实验中气泡曲率半径在2～18 mm范围内的137个数据，其破裂点产生位置主要位于气泡底部，气泡顶部同中间有破裂点产生，但发生频率远低于气泡底部。对曲率半径在7～28 mm范围内的气泡数据进行拟合，得到液膜卷曲速度同气泡曲率半径的关系式。     

SiC涂层性能与石墨基体结构的关系

采用料浆烧结法在不同石墨基体上制备了SiC涂层。详细研究了SiC涂层在不同石墨表面上的结构及其对不同石墨的抗氧化防护行为。结果表明：石墨基体的孔隙率和孔径尺寸决定着SiC涂层的结构,形成SiC梯度涂层的必要条件是石墨的孔径尺寸须处于0.1～0.5μm范围内;SiC梯度涂层有利于石墨基体抗氧化性能的提高。     

2×6 MV串列加速器头部附近电场设计优化

为了给2×6 MV串列加速器提供高压电极与均压环尺寸，根据设计要求及已有参数，采用电磁场仿真软件计算了串列加速器的二维电场强度分布，针对高压电极结构、均压环截面形状及环间距等因素对串列加速器电场强度分布的影响提出了优化措施。仿真结果表明：直筒结构的高压电极与均压环接壤处电场强度分布不均匀，而圆弧过渡结构的高压电极具有屏蔽作用，比直筒时电场强度分布更均匀；优化均压环截面形状与减小环间距可降低环间电场畸变，但后者对减小均压环表面的电场贡献更大。最终优化后得到高压电极与均压环的尺寸可满足新研制的串列加速器要求。     

Effectiveness analysis of the reactor operator’s adviser computer code

Testing of the computer code Reactor Operator’s Adviser on the No. 3 unit of the Leningradskaya nuclear power plant showed that the recommendations given in the code increase substantially (by a factor of 1.2) the minimum margin to the P2 level for the adjusted signal from the in-reactor detectors along the radius and decrease the maximum temperature of the graphite masonry by 12°C and the maximum nonuniformity factor of the energy release distribution by 3%. Operation for 3.5 h using the Reactor Operator’s Adviser code recommendations maintained the operational parameters characterizing the energy release distribution along the core radius and height within acceptable limits.     

Theoretical analysis of mass transfer and reaction in a porous medium applied to the gasification of graphite by water vapor

The theories of mass transfer and reaction in porous medium were applied to investigate the gasification of graphite by water vapor in reactor. Based on several logical assumptions, the gasification of graphite by water vapor was investigated. Different shapes of graphite were analysed: semi-infinite blocks, planks and cylinders. Analysis reveals that the reaction rate varies with the location, which can explain the intense gasification that occurs at upstream during experiments. The temperature dependence of the reaction rate expressed different ranges. At low temperatures, the reaction rates depend greatly on the reaction temperature, and the influence of shape is more pronounced. At high temperatures, the dependence weakens due to the limit of gas transfer, and the influence of shape disappears. The water vapor pressure at exterior surface decreases with temperature, but the pressure gradients (both inside and outside of porous media) increases with temperature. For the platelike and cylindrical porous media, the reaction rate decreases with the thickness or radius because of the increase in specific surface. When the penetrating depth of water vapor is larger than the half-thickness or radius of porous media, the water vapor would cumulate in porous media so that the pressure of reacting gas increases.