高温气冷堆球床等效导热系数实验研究进展

堆芯球床等效导热系数是直接影响高温气冷堆燃料最高温度和堆芯温度分布的关键参数;在余热导出过程中起主导作用。开展球床等效导热系数的实验研究对于反应堆分析程序的完善、研究提高高温气冷堆单堆功率的可能性、以及工程的安全分析具有重要的意义。综述了国内外球床等效导热系数测量的研究现状,给出了清华大学HTR-PM三维堆芯球床等效导热系数测量实验最新成果,总结了各国实验的研究手段,对研究方向进行了讨论。     

高温堆球床等效导热系数测量实验加热系统设计及可行性验证

为保障高温气冷核反应堆全尺寸堆芯球床等效导热系数研究实验装置在全工况温度范围内实验的顺利实施,详细设计了等效导热系数实验装置加热系统的选材、结构、绝缘及引出方式。进行了比例缩小的验证实验,分析讨论了实验体现出的加热器材料、绝缘件碳化及保温层内散热等技术难点问题。加热器由9组管状石墨单体连接而成,形成圆柱形中心加热体,外置厚100mm的石墨均温套筒。验证实验结果表明:测试温度达到1 600℃以上可长时间稳定可靠运行,关键结构和材料达到设计要求,可有效保障导热系数实验的测量需求。     

球床高温气冷堆闭式循环特性

从提高天然铀利用率和改进废物管理方面考虑,研究球床高温气冷堆乏燃料中铀钚的再利用和不同闭式燃料循环的特性。在250MW热功率球床模块式高温气冷堆示范电站铀钚循环的乏燃料中提取铀和钚为核燃料,设计了PuO2和混合氧化物(MOX)燃料元件,将新设计的燃料元件重新装入与示范电站有同样结构和尺寸的堆芯,分别形成纯钚燃料循环和MOX燃料循环。还研究了基于轻水堆级钚的燃料循环。采用了高温气冷堆物理设计程序VSOP,研究了高温气冷堆不同闭式循环的燃料利用和超铀元素焚烧特性。不同闭式循环钚消耗率分别为50%、46%和71%,天然铀的电利用率分别提高了6%、8%和20%。结果表明:高温气冷堆闭式燃料循环能有效焚烧钚同位素,适度提高天然铀的利用率。     

球床式高温气冷堆球流混流的模拟

球床式高温气冷堆(HTR)球流运动存在混流的现象,它会对功率峰值等堆芯参数发生影响。该文开发了专门的混流模拟方法,在原球床高温气冷堆分析程序VSOP的基础上开发了新的程序系统MFVSOP。新程序通过设定不同的混流比例可模拟球床式高温气冷堆堆芯每个流道与相邻流道的混流,实现其与堆芯物理、热工、燃耗等计算耦合并有能力分析球流混流运动对堆芯燃耗分布、功率分布等参数的影响。对于研究球床式高温气冷堆的运行特性及不确定性分析提供了有力的计算工具。     

球床式高温气冷堆燃耗测量随机误差的影响分析

球床式高温气冷堆燃料球多次通过堆芯,卸出堆芯的燃料球将由燃耗测量装置测量其燃耗,达到设定阈值的将按乏燃料处理,否则将返回堆芯继续裂变发热。而燃耗测量会具有随机误差,从而可能对燃料循环过程产生影响。该文改进了球床高温气冷堆燃料球运行历史的Monte Carlo模拟程序MCPHS,对燃耗测量的随机误差进行了模拟,对燃料循环过程的影响进行了分析。结果表明卸料燃耗均值、燃料球通过堆芯次数均值、堆芯燃耗分布对于燃耗测量误差并不敏感,而燃料球卸料燃耗分布、卸料燃耗最大值和最小值及燃料球通过堆芯最大值和最小值对于燃耗测量误差很敏感。     

10MW 高温气冷堆燃料循环系统热实验装置

为在反应堆的实际运行温度和氦气氛下考验１０ＭＷ高温气冷堆（ＨＴＲ－１０）燃料循环系统主要设备，进一步取得设计和运行经验，建造了该全尺寸热实验装置。装置中主要设备均按原型设备设计和制造，工作介质为氦气，运行温度为１５０～１８０℃，实验球为直径６０ｍｍ石墨球。采用可编程控制器ＰＬＣ控制和镶嵌块式模拟屏显示。装置采用重力和气动方法输送球，特别是在球床堆上首次应用了脉冲气流破桥助流方法从卸料管中单列排出球的设备。所有研究成果已在ＨＴＲ－１０的施工设计中得到应用。     

高温气冷堆球流实验的数值模拟研究初探

本文从球床高温气冷堆的球流实验系统特点出发,对通过理论途径模拟高温气冷堆球流实验系统进行了初步探讨。得出结论说明DEM模型对唯象学球流研究的模拟具有很好的准确性,在计算球流局部细节的定量特征上具有一定准确性,但还有进一步发展的空间。     

球床高温气冷堆初装堆芯的物理计算方法及验证

球床高温气冷堆在初装堆芯建立过程中,会出现堆芯燃料球比例、空隙填充物质和顶空腔高度等不断变化的情况。基于确定论方法的设计程序VSOP在进行初装堆芯物理计算时需要采用多种特殊处理。为了明确这些特殊处理引入的近似程度,该文选用通用Monte Carlo程序更精细地模拟了初装堆芯。对比结果表明:对于初装堆芯,VSOP程序采用等效球体模型进行热谱计算、通过流修正方法对堆芯空隙填充物质反应性价值进行计算、以真空气氛近似氦气气氛、采用分方向扩散系数的方法对大尺寸顶空腔进行计算所引入的误差都很小。因此,VSOP程序对初装堆芯的这些近似处理是合理可行的。     

导热系数实验装置研究

根据傅里叶导热方程，设计了一种新的导热系数测量装置。该装置仍然采用稳态平衡法，将稳态平衡条件下被测样品传递的热量全部用于冰的溶解，通过测出t时间内冰的溶解质量肘来测量样品所传递的热量。然后再根据相应的公式就可计算出导热系数。     

接触模式对球床堆有效导热系数影响的数值分析

为了分析相邻颗粒的接触模式对有效导热系数的影响,数值分析了3种不同的接触模式下有序堆积球床堆的有效导热系数。首先采用间隙模型分析了不考虑接触导热下的球床堆有效导热系数,然后采用面接触和短圆柱模型分析了考虑接触导热下的球床堆有效导热系数,最后分析了不同温度下接触模式对球床堆有效导热系数的影响。计算结果表明,在不考虑接触导热时,间隙模型下的球床堆计算结果与ZS关联式吻合很好。当考虑接触导热时,由于受网格质量限制,面接触计算模型的接触半径较大,因此计算的球床堆有效导热系数与ZSK关联式的结果相比误差较大;采用短圆柱接触模式计算发现,接触半径越小,计算得到的结果与ZSK关联式的结果吻合越好,因此在网格生成质量允许的情况下,推荐使用较小接触半径的短圆柱接触计算模型。同时发现随着温度的升高,接触模式对球床堆有效导热系数的影响减弱。     

高温气冷堆包覆颗粒燃料微球抽样研究

对ＵＯ２核芯或燃料包覆颗粒进行性能检验时，必须先抽样。本文研究了不同抽样方法对尺寸测量结果的影响，分析了抽样引起的平均值的偏差，抽样引起的组成成分的偏差。探讨了样本大小与测量标准偏差波动的关系。结论认为：抽样必须用取样器（旋转格槽取样器），抽样对尺寸测量的平均值及标准偏差的影响，主要由样本大小决定。     

高温气冷堆燃料球计数器检测线圈参数的优化

由于厚壁不锈钢过球管路的屏蔽作用,高温气冷堆(HTGR)燃料球计数传感器获得的信号微弱,对线圈参数进行优化有利于提高信噪比,降低误检和漏检率。该文基于有限元方法,利用ANSYS软件对检测线圈进行建模和仿真计算,分析了激励频率、线圈匝数及其结构参数对传感器灵敏度的影响规律。在仿真基础上进行了燃料球检测实验,实现了线圈关键参数的优化选择。仿真和实验结果表明,传感器激励频率为4 kHz、线圈匝数为150匝、内外层线圈间距为36 mm时,传感器具有满意的检测性能。     

核能战略与高温气冷堆

核能技术的最新进展，使成熟的热中子转化堆更接近于可能由其本身承担近增殖甚至增殖堆的任务。例如，据美国报导，轻水堆内采用铀－２３３／钍循环可望获得增殖比ＢＲ＝１．０，在稠密栅内采用钚／铀－２３８循环也有可能获得增殖比 ＢＲ≈１．０８，估计至少可以作为“近增殖堆”运行。因此，原来以核燃料的转化与增殖两类堆型为基础的核能战略，将来可能过渡到以考虑不同的“能源取代率”作为重要因素的新战略；例如核能体系可能由第一代的低温堆与第二代的高温堆所组成，以适应更多领域内的能源需要。本文提出并初步分析了这种考虑“能源取代率”概念进行核能战略分析的基本要素；并认为原已具备高温、多用途与安全性好等特点的高温气冷堆，在解决了远程核能传输与水的热裂解制氢等先进工艺的配合下，若在经济成本方面经过改进，将具有较高的能源取代率，从而可能在未来的核能系统内占据重要地位。     

多相固体的等效导热系数

文章以复合材料为背景,叙述了多相固体宏观等效导热系数的理论和建立预报设计公式的基本方法;具体地导出了单向纡维复合材料和空心微珠复合材料等效导热系数的组分设计公式。     

热塑性复合材料等效导热系数测定方法

为了提高热塑性复合材料的导热性,为热塑性复合材料的开发与应用提供依据,研究了一种热塑性复合材料等效导热系数测定方法。将聚酰亚胺模塑粉、胶体石墨和炭纤维作为原料,制备热塑性复合材料,搭建复杂环境下导热系数测试实验平台,通过稳态法对理论上单一材料的导热系数进行计算。把填料转换成体积含量,研究热塑性复合材料导热性能,发现填充石墨和炭纤维的热塑性复合材料导热性能有很大的不同,需研究一种通用的热塑性复合材料等效导热系数测定方法。生成等效结构,在此基础上,依据常物性、无内热源与稳态热传导对热塑性复合材料等效导热系数进行测定,利用从底向上的计算方式求出等效导热系数。通过实验测试平台测量炭纤维填充热塑性复合材料和石墨填充热塑性复合材料,结果表明,所提测定结果基本分布于实测数据周围。通过人为添加满足正态分布的实验误差当成实验测量值对等效导热系数进行测定,所提方法可在测量误差情况下给出准确的热塑性复合材料等效系数测定结果。可见所提方法测定结果准确。     

不良导体导热系数测量实验装置的改进

材料结构的变化与所含杂质对导热系数都有明显的影响,因此材料的导热系数常通过稳态法由实验具体测定。通过分析现有物理实验仪器的不足,提出了一种以STM32单片机为主控芯片,DS18B20温度传感器进行温度采集的改进方法,制作出能同时实现温度测量、数据采集、加热控制、实验计时、曲线绘制、串口通信等功能的不良导体导热系数实验仪。实验表明,改进后的仪器测量过程稳定,数据精度高且操作极其便捷,对于不良导体导热系数测量实验具有一定的应用价值。     

X光照相法测量高温气冷堆燃料微球包覆层厚度

高温气冷堆对燃料微球各包覆层的厚度有严格的要求。测量包覆层厚度常用的方法是Ｘ射线照相法，瓷相磨片法，光学颗粒尺寸分析仪法和Ｖ型槽法。本文描述了用Ｘ射线照相法测量包覆层厚度的测量过程。采用光栅技术，用９８Ｊ型精密测量投影仪对Ｘ光底片进行测量，用微机采集和处理数据。该测量方法的测量重现性好，对一选定的微球重复测量直径２０次，标准偏差１μｍ左右。该测量方法是无损检验，测量精度高，速度快，过程便于监督，适合于燃料微球生产过程中的在线测量。