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Achieving a high-strength dissimilar joint of T91 heat-resistant steel to 316L stainless steel via friction stir welding

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International Journal of Minerals,Metallurgy and Materials 2023年第1期30卷 166-176页

作者： Zhiwei Wang Min Zhang Cong Li fenglei niu Hao Zhang Peng Xue Dingrui Ni Bolv Xiao Zongyi Ma CAS Key Laboratory of Nuclear Materials and Safety Assessment Institute of Metal ResearchChinese Academy of SciencesShenyang 110016China School of Nuclear Science and Engineering North China Electric Power UniversityBeijing 102206China Shi Changxu Innovation Center for Advanced Materials Institute of Metal ResearchChinese Academy of SciencesShenyang 110016China School of Materials Science and Engineering University of Science and Technology of ChinaShenyang 110016China

The reliable welding of T91 heat-resistant steel to 316L stainless steel is a considerable issue for ensuring the safety in service of ultrasupercritical power generation unit and nuclear fusion reactor,but the high-quality dissimilar joint of these two steels was difficult to be obtained by traditional fusion welding methods.Here we improved the structure-property synergy in a dissimilar joint of T91 steel to 316L steel via friction stir welding.A defect-free joint with a large bonding interface was produced using a small-sized tool under a relatively high welding speed.The bonding interface was involved in a mixing zone with both mechanical mixing and metallurgical bonding.No obvious material softening was detected in the joint except a negligible hardness decline of only HV~10 in the heat-affected zone of the T91 steel side due to the formation of ferrite phase.The welded joint exhibited an excellent ultimate tensile strength as high as that of the 316L parent metal and a greatly enhanced yield strength on account of the dependable bonding and material renovation in the weld zone.This work recommends a promising technique for producing high-strength weldments of dissimilar nuclear steels.

关键词： heat-resistant steel stainless steel friction stir welding dissimilar welding microstructure mechanical property

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高温球床辐射传热中的机器学习模型

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清华大学学报（自然科学版） 2023年第8期63卷 1213-1218页

作者：吴浩牛风雷华北电力大学核科学与工程学院北京102206

在高温气冷堆(high-temperature gas-cooled reactor, HTGR)堆芯球床中,燃料球间的辐射换热是重要的传热模式,与堆芯固有安全特性密切相关。该文利用机器学习方法提出了球床颗粒间辐射角系数智能预测方案,其中基础计算模型基于角系数显... 详细信息

在高温气冷堆(high-temperature gas-cooled reactor, HTGR)堆芯球床中,燃料球间的辐射换热是重要的传热模式,与堆芯固有安全特性密切相关。该文利用机器学习方法提出了球床颗粒间辐射角系数智能预测方案,其中基础计算模型基于角系数显式解析表达式,合理描述了球床热辐射特性随球心距变化规律和周围颗粒球平均阻挡作用,用于快速计算球床堆中辐射角系数的核心主导部分。利用高温气冷堆示范项目(HTR-PM)球床堆积结构和光线追踪方法,建立了高温堆球床高精度角系数大数据集,共包含1.66×10^(7)条角系数工况,覆盖了球床各种局部结构。利用大数据训练后的梯度提升决策树模型有效提升了角系数预测精度,综合基础计算模型后角系数回归系数超过0.999。该文成果为高温气冷堆球流传热研究、堆芯优化和热工流体分析提供了高效的辐射传热计算方法。

关键词：高温气冷堆球床热辐射颗粒尺度角系数梯度提升决策树机器学习

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Wetting property of smooth and textured hydrophobic surfaces under condensation condition

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2014年第11期57卷 2127-2132页

作者： HAO PengFei LV CunJing YAO ZhaoHui niu fenglei Department of Engineering Mechanics Tsinghua University State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University

Static and dynamic wetting behaviors of sessile droplet on smooth,microstructured and micro/nanostructured surface under condensation condition are systematically studied.In contrast to the conventional droplet wetting on such natural materials by dropping,we demonstrate here that when dropwise condensation occurs,the sessile droplet will transit from the Cassie-Baxter wetting state to the Wenzel wetting state or partial Cassie-Baxter wetting state on the microstructured surface or the micro/nanostructured surface,which leads to a strong adhesion between the droplet and the substrate.In contrast,the apparent contact angle and the sliding angle on the smooth surface changes a little before and after the condensation because of small roughness.Theoretical analysis shows that the roughness factor controls the adhesion force of the droplet during condensation,and a theoretical model is constructed which will be helpful for us to understand the relationship between the adhesion force and the geometry of the surface.

关键词：表面特性光滑表面湿润疏水织构缩合滴状冷凝纳米结构

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Water droplet impact on superhydrophobic surfaces with microstructures and hierarchical roughness

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2014年第7期57卷 1376-1381页

作者： HAO PengFei LV CunJing niu fenglei YU Yu Department of Engineering Mechanics Tsinghua University State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University

Quantitative correlation between the critical impact velocity of droplet and geometry of superhydrophobic surfaces with microstructures is systematically studied.Experimental data shows that the critical impact velocity induced wetting transition of droplet on the superhydrophobic surfaces is strongly determined by the perimeter of single micropillar,the space between the repeat pillars and the advancing contact angle of the sidewall of the micropillars.The proposed model agrees well with the experimental results,and clarifies that the underlying mechanism which is responsible for the superhydrophobic surface with hierarchical roughness could sustain a higher liquid pressure than the surfaces with microstructures.

关键词：微观结构疏水表面层结构超疏水性表面撞击水滴冲击速度表面粗糙度

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基于最大气泡压力法的液态碱金属密度和表面张力测量

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核科学与工程 2023年第3期43卷 568-575页

作者：贺彦刘祥郝祖龙牛风雷华北电力大学核科学与工程学院北京102206

液态碱金属是空间核反应堆的冷却剂材料之一,其热物性参数是冷却剂材料选取的重要依据。现有的液态碱金属的密度及表面张力实验研究数据较少,当今空间堆发展对其有更高要求。根据最大气泡压力法,研制了一套可同时测量液态碱金属密度和... 详细信息

液态碱金属是空间核反应堆的冷却剂材料之一,其热物性参数是冷却剂材料选取的重要依据。现有的液态碱金属的密度及表面张力实验研究数据较少,当今空间堆发展对其有更高要求。根据最大气泡压力法,研制了一套可同时测量液态碱金属密度和表面张力的实验装置,并以纯度为99.9%的锂为被测介质,对该装置的可靠性和可用性进行验证。结果表明,在200~650℃温度范围内,标准大气压下,实验结果与文献参考值相比,密度平均偏差为0.47%,表面张力平均偏差[12]为0.93%,具有较好的线性度。在此基础上,给出了液态锂密度和表面张力与温度的经验关系式。最后分析了管径、鼓泡速度对液态锂密度和表面张力测量结果的影响,并给出相应实验建议。本文工作可对高温液态碱金属的密度及表面张力开展高精度测量提供参考。

关键词：反应堆冷却剂碱金属表面张力最大气泡压力法

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液态铅铋合金回路氧输运特性的数值研究

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核动力工程 2022年第6期43卷 187-194页

作者：梁瑞仙杨凌峰王译锋李小波牛风雷华北电力大学核科学与工程学院北京102206

为研究液态铅铋合金(LBE)冷却剂系统气态氧控装置——膨胀箱中覆盖气体的氧输运特性,利用计算流体动力学(CFD)软件ANSYS Fluent对氧输运进行了数值计算。根据覆盖气体流动特性和混合气体中低氧分压特点,对膨胀箱气相空间进行简化,将气-... 详细信息

为研究液态铅铋合金(LBE)冷却剂系统气态氧控装置——膨胀箱中覆盖气体的氧输运特性,利用计算流体动力学(CFD)软件ANSYS Fluent对氧输运进行了数值计算。根据覆盖气体流动特性和混合气体中低氧分压特点,对膨胀箱气相空间进行简化,将气-液交界面视为氧浓度恒定的自由表面边界,采用组分输运模型计算气体和液态LBE之间传质后的液态LBE氧浓度。结果表明,传质系数随液态LBE入口流速增大而增大,液态LBE入口流速增大则膨胀箱内气-液对流强度增加,有利于增强膨胀箱的氧输运;膨胀箱中液态LBE温度越高,则氧输运的平均传质系数越大;在液态LBE入口流速一定时,平均传质系数可表示为温度的递增函数。在饱和氧浓度阈值内,入口氧浓度和气-液交界面氧浓度不影响膨胀箱的传质系数,对液态LBE回路的氧浓度控制有利。本研究定量获得了使液态LBE回路处于合理氧浓度范围内的操作条件,为实验及系统设计提供数据参考。

关键词：液态铅铋合金(LBE) 氧输运气态氧控计算流体动力学(CFD) 组分输运模型

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微流体惯性撞击器气溶胶过滤行为研究

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原子能科学技术 2023年第11期57卷 2101-2109页

作者：冯开源郭张鹏汪浩男毛子岳牛风雷华北电力大学非能动核能安全技术北京市重点实验室北京102206

微流体惯性撞击器可作为安全壳过滤排放系统的第一级过滤装置,实现严重事故后安全壳快速泄压并对壳内放射性气溶胶进行初效过滤。为了探究惯性撞击器内气溶胶的过滤行为,开展可视化实验对气溶胶在惯性撞击器内的沉积分布进行研究。研究... 详细信息

微流体惯性撞击器可作为安全壳过滤排放系统的第一级过滤装置,实现严重事故后安全壳快速泄压并对壳内放射性气溶胶进行初效过滤。为了探究惯性撞击器内气溶胶的过滤行为,开展可视化实验对气溶胶在惯性撞击器内的沉积分布进行研究。研究表明,可视化实验能反映撞击器内气流流向及气溶胶运动轨迹。气溶胶在过滤单元处的沉积位置主要集中在过滤单元的上表面及微流道的内壁面,过滤效率可达60%以上。同时,由于撞击器通道表面特性随气溶胶的沉积而改变,容尘条件下的气溶胶过滤效率逐渐增加。而当惯性撞击器内载气流速大于临界值时,过滤效率会因气溶胶的再悬浮而降低。

关键词：气溶胶惯性撞击器过滤效率安全壳过滤排放系统

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铅铋回路自然循环瞬态特性与腐蚀沉积研究

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哈尔滨工程大学学报 2023年第12期44卷 2224-2231页

作者：李辉谢宛均朱玉琦吴浩吕海财刘芳牛风雷华北电力大学核科学与工程学院北京102206

为了解决液态铅铋回路在自然循环状态下腐蚀沉积对堆内结构材料的影响问题,本文开展了铅铋回路自然循环瞬态热工水力行为分析与溶解腐蚀沉积研究。通过对铅铋实验回路进行数学建模,开发了适用于瞬态自然循环的热工水力程序和腐蚀沉积程... 详细信息

为了解决液态铅铋回路在自然循环状态下腐蚀沉积对堆内结构材料的影响问题,本文开展了铅铋回路自然循环瞬态热工水力行为分析与溶解腐蚀沉积研究。通过对铅铋实验回路进行数学建模,开发了适用于瞬态自然循环的热工水力程序和腐蚀沉积程序。进行了瞬态启动、功率阶跃等典型工况下的瞬态热工水力行为分析,以及在无氧、氧控状态下的回路腐蚀沉积分布研究。结果表明:在瞬态启动过程中,铅铋回路温度波动较大,功率阶跃与入口温度增加均会导致自然循环流量的增加;铅铋回路自然循环运行且无氧控时腐蚀非常严重,在引入氧控后(c_(0)=1×10^(-8)),最大腐蚀速率仅为无氧控时的1/1000,并且加热功率的提高会导致回路的腐蚀沉积速率增加,无氧和氧控状态下结果一致。本文为铅铋回路安全稳定运行提供参考。

关键词：铅铋合金自然循环隐式离散瞬态启动功率阶跃溶解腐蚀模型回路沉积氧浓度

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竖直向下浸没式蒸汽直接接触冷凝流型研究

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原子能科学技术 2022年第8期56卷 1559-1565页

作者：刘海强郭张鹏邱美铭王升飞牛风雷黄彦平华北电力大学非能动核能安全技术北京市重点实验室北京102206 中国核动力研究设计院中核核反应堆热工水力技术重点实验室四川成都610041

直接接触冷凝直接影响核反应堆安全壳抑压系统的性能。本文针对竖直向下浸没式直接接触冷凝流型开展实验研究,采用高速摄影仪记录不同湿阱过冷度条件下的蒸汽冷凝过程,依据流型特征划分了喘振、管外颈缩、向上球型脱落、向上T型脱落4种... 详细信息

直接接触冷凝直接影响核反应堆安全壳抑压系统的性能。本文针对竖直向下浸没式直接接触冷凝流型开展实验研究,采用高速摄影仪记录不同湿阱过冷度条件下的蒸汽冷凝过程,依据流型特征划分了喘振、管外颈缩、向上球型脱落、向上T型脱落4种冷凝流型。研究了各流型对湿阱热分层的影响。实验结果表明,喘振流型和管外颈缩流型会增强湿阱内流体搅混,不易发生热分层,而向上球型脱落流型和向上T型脱落流型易引起热分层。理查森数(Ri)可作为流型转变的无量纲数,Ri1时为向上脱落流型。

关键词：直接接触冷凝竖直向下冷凝流型理查森数

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铅基堆结构材料液态金属腐蚀行为的研究进展

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中国腐蚀与防护学报 2023年第6期43卷 1216-1224页

作者：张心怡李聪汪禹熙黄美朱卉平刘芳刘洋牛风雷华北电力大学核科学与工程学院北京102206

铅基快堆作为第四代核能系统堆型之一,成为国内外近年来研究热点。作为铅基堆冷却剂的液态铅/铅铋,具备中子物理特性优良、安全特性高等优点,但其与结构钢的不相容性导致了液态金属腐蚀、脆化等一系列失效机制。结构钢在液态铅/铅铋中... 详细信息

铅基快堆作为第四代核能系统堆型之一,成为国内外近年来研究热点。作为铅基堆冷却剂的液态铅/铅铋,具备中子物理特性优良、安全特性高等优点,但其与结构钢的不相容性导致了液态金属腐蚀、脆化等一系列失效机制。结构钢在液态铅/铅铋中的腐蚀表现除了与液态金属的温度、流速、溶解氧浓度等环境参数密切相关外,也伴随着冲蚀力学失效和辐照损伤等因素导致的冲蚀-腐蚀、辐照-腐蚀耦合效应。本文从液态金属微观腐蚀机理、新型耐蚀合金成分设计和表面改性工艺的研发、冲蚀-腐蚀动态腐蚀装置的设计及液态铅/铅铋回路长期腐蚀预测模型、辐照-腐蚀协同效应相关实验平台的搭建等4个方面综述了国内外近年来在铅基堆结构材料腐蚀领域取得的理论和实验研究进展。

关键词：铅冷快堆液态金属腐蚀冲蚀辐照-腐蚀耦合

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