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车载运动条件下铅铋堆LESMOR热工安全特性分析

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原子能科学技术 2023年第1期57卷 111-123页

作者：陆定晟魏诗颖王成龙田文喜苏光辉秋穗正西安交通大学核科学与核技术学院陕西西安710049 中广核研究院有限公司广东深圳518000

本文基于车载运动条件下非惯性系动量方程推导,建立运动条件附加力模型,并运用铅铋快堆瞬态热工水力分析程序LETHAC展开车载铅铋快堆LESMOR系统运动条件热工安全特性分析。研究表明,坡道行驶、垂直振动、俯仰振动及垂直耦合俯仰振动运... 详细信息

本文基于车载运动条件下非惯性系动量方程推导,建立运动条件附加力模型,并运用铅铋快堆瞬态热工水力分析程序LETHAC展开车载铅铋快堆LESMOR系统运动条件热工安全特性分析。研究表明,坡道行驶、垂直振动、俯仰振动及垂直耦合俯仰振动运动条件下,系统自然循环流量显著下降,但不超过30%;包壳和燃料温度上升,但不超过4℃,最高分别达411.3、442.4℃,远低于瞬态运行安全限值。LESMOR系统在汽车正常行驶和可能出现的极限行驶范围内都能保持稳定安全运行。本文提供车载运动条件下反应堆系统热工安全特性分析方法,具有一定的参考意义。

关键词：车载运动条件铅铋快堆热工安全分析

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基于在线耦合的球形燃料元件温度场计算

核动力工程 2023年第1期44卷 79-88页

作者：顾晨贺亚男邓超群巫英伟章静田文喜苏光辉秋穗正西安交通大学核科学与技术学院西安710049

由于三层各向同性(TRISO)颗粒弥散型燃料元件结构复杂且其材料性能随着辐照水平不断变化,不同燃耗下燃料元件的等效热导率不易确定。本研究基于COMSOL软件完成了TRISO颗粒性能分析程序开发,并与BISON程序预测值进行了对比分析。随后,基... 详细信息

由于三层各向同性(TRISO)颗粒弥散型燃料元件结构复杂且其材料性能随着辐照水平不断变化,不同燃耗下燃料元件的等效热导率不易确定。本研究基于COMSOL软件完成了TRISO颗粒性能分析程序开发,并与BISON程序预测值进行了对比分析。随后,基于COMSOL软件与MATLAB联合仿真建立了球形燃料元件等效热导率的计算方法,实现了球形燃料元件和TRISO颗粒模型间的在线耦合计算。在此基础上,获得了不同边界温度、燃耗条件下燃料元件径向等效热导率分布及温度场分布。计算结果表明,快中子注量达到3×10^(25)m^(-2)时,TRISO等效导热率下降约20%,燃料等效热导率下降约15 W/(m·K)。为了验证本研究方法的有效性,用微分-有效介质理论模型(D-EMT)计算燃料的等效导热率,得到的球形燃料中心温度预测值相比本研究方法的预测值低约25 K。本文研究方法更能真实反映球形燃料元件在反应堆内的温度场变化。

关键词：等效热导率球形燃料元件三层各向同性颗粒耦合 COMSOL

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基于替代材料的燃料棒熔化实验研究

原子能科学技术 2022年第6期56卷 1120-1128页

作者：吴志远张魁冯唐涛陈荣华田文喜秋穗正苏光辉西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049 武汉第二船舶设计研究院湖北武汉430064

为获得核反应堆燃料元件熔化以及熔融物扩展和消熔过程中的关键实验数据,本研究将典型压水堆中的燃料棒元件作为研究对象,在堆芯材料严重事故现象可视化研究实验装置FROMA上开展了低温条件下的燃料棒熔化实验。实验采用锌-铝的替代材料... 详细信息

为获得核反应堆燃料元件熔化以及熔融物扩展和消熔过程中的关键实验数据,本研究将典型压水堆中的燃料棒元件作为研究对象,在堆芯材料严重事故现象可视化研究实验装置FROMA上开展了低温条件下的燃料棒熔化实验。实验采用锌-铝的替代材料燃料棒,开展了单棒的熔化凝固可视化研究,获得了严重事故过程中燃料棒包壳的瞬态轴向温度分布特性以及熔融物扩展、迁移和再定位的动态过程。本研究基于实验数据对熔融物的流动、扩展和凝固、迁移等相关的物理现象和过程进行深入分析,为反应堆严重事故现象分析模型的开发提供了数据支持。

关键词： FROMA 熔化迁移严重事故

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环形窄缝通道内弥散流换热的理论计算

西安交通大学学报 2006年第5期40卷 518-521页

作者：田文喜秋穗正贾斗南西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

在充分考虑干涸后弥散流区域液滴、过热蒸汽以及加热壁面间的各换热过程的基础上,提出了一个预测环形通道弥散流换热的理论模型,同时针对1.0、1.5和2.0 mm间隙的环形实验段进行了干涸后换热实验研究.计算结果表明:在弥散流中,蒸汽与加... 详细信息

在充分考虑干涸后弥散流区域液滴、过热蒸汽以及加热壁面间的各换热过程的基础上,提出了一个预测环形通道弥散流换热的理论模型,同时针对1.0、1.5和2.0 mm间隙的环形实验段进行了干涸后换热实验研究.计算结果表明:在弥散流中,蒸汽与加热壁面间的强迫对流换热起主导作用,占总换热量的90%左右;液滴与壁面接触换热、液滴与蒸汽间的换热对总体换热有一定影响;在该研究工况范围内,可以忽略辐射换热的影响.理论模型的预测值与实验值符合较好,说明该理论模型可以用来预测环形窄缝通道内的干涸后换热.

关键词：环形通道干涸弥散流理论模型

弯曲变形工况下板状燃料堆芯三维热工水力特性分析

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原子能科学技术 2023年第S1期57卷 67-78页

作者：刘奚彤刘凯王明军王啸宇田文喜秋穗正苏光辉西安交通大学核科学与技术学院动力工程多相流国家重点实验室陕西省先进核能技术重点实验室陕西西安710049 中国核动力研究设计院四川成都610065

板状燃料因其功率密度高、燃耗较深的特点,在诸多测试堆与实验堆中得到广泛应用。受堆内辐照、流致振动等常见预期瞬态影响,其狭长的冷却剂流道极易受压而发生弯曲变形,进一步影响堆芯换热并对反应堆安全造成威胁。本文依托OpenFOAM平... 详细信息

板状燃料因其功率密度高、燃耗较深的特点,在诸多测试堆与实验堆中得到广泛应用。受堆内辐照、流致振动等常见预期瞬态影响,其狭长的冷却剂流道极易受压而发生弯曲变形,进一步影响堆芯换热并对反应堆安全造成威胁。本文依托OpenFOAM平台开发了板状燃料堆芯三维通道级热工水力分析程序CorTAF-PT,在数组矩形窄缝通道流动换热实验对比验证的基础上,针对IAEA 10 MW材料测试堆开展了弯曲变形工况下三维数值模拟,获得了全堆芯关键热工水力参数的多尺度分布特性,并对堆芯出口处热点偏移现象进行了分析。本研究对自主可控堆芯级高精度三维热工水力分析技术开发具有参考价值,同时也可为后续板状燃料堆芯事故安全分析的开展提供了基础。

关键词：板状燃料 OpenFOAM 耦合换热弯曲变形

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海洋静默式热管反应堆热工水力特性研究

原子能科学技术 2022年第6期56卷 989-1004页

作者：秋穗正张泽秦张智鹏王成龙郭凯伦田文喜苏光辉西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049

安全可靠的能源供给是无人水下潜航器(UUV)发展的关键基础,本研究面向我国重型海洋UUV研发的能源需求,提出了海洋静默式热管反应堆(NUSTER-100)小型核电源概念设计。建立了包括堆芯功率模型、堆芯通道传热模型、热管传热模型、热电转换... 详细信息

安全可靠的能源供给是无人水下潜航器(UUV)发展的关键基础,本研究面向我国重型海洋UUV研发的能源需求,提出了海洋静默式热管反应堆(NUSTER-100)小型核电源概念设计。建立了包括堆芯功率模型、堆芯通道传热模型、热管传热模型、热电转换模型及冷端换热模型等热管反应堆系统数学物理模型,基于高效稳健的数值算法和模块化编程思想,开发了具有自主知识产权的热管反应堆稳态和瞬态热工水力特性分析程序HEART,采用热管实验、温差发电实验等数据对HEART程序关键模块进行了验证与确认。采用HEART程序对NUSTER-100的稳态、冷启动瞬态及反应性引入瞬态工况进行了计算分析,获得了NUSTER-100满功率稳态工况下的热工水力特性,基于冷启动瞬态热工水力分析,提出了具有较高安全性的三段式热管反应堆启动方案,评估了反应性引入瞬态工况下热管反应堆的自稳特性和安全性。本研究可为我国UUV及热管反应堆技术的发展提供理论和技术支持。

关键词：静默式热管反应堆概念设计热工水力特性系统程序

双模式热管堆电热原理样机设计及验证实验研究

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原子能科学技术 2023年第1期57卷 66-73页

作者：李潘潇张智鹏代智文王成龙田文喜秋穗正苏光辉西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049

固态热管反应堆是未来新型装备最佳能源动力解决方案之一,然而其关键技术尚未成熟,可行性及可靠性有待近一步研究。本文提出了动静结合双模式热管堆概念设计,搭建了“模拟堆芯-高温热管-斯特林-温差发电”一体化集成实验装置,利用紫铜... 详细信息

固态热管反应堆是未来新型装备最佳能源动力解决方案之一,然而其关键技术尚未成熟,可行性及可靠性有待近一步研究。本文提出了动静结合双模式热管堆概念设计,搭建了“模拟堆芯-高温热管-斯特林-温差发电”一体化集成实验装置,利用紫铜基体及加热棒模拟反应堆堆芯,利用弯折高温钾热管实现堆芯冷却及能量传输过程,利用斯特林热电转换装置及碲化铋温差发电元件实现动态/静态热电转换过程,验证了双模式热管堆技术的可行性。实验结果表明,所研制的弯折高温钾热管符合设计需求,输入功率为878 W时,热管轴向壁面温差低于60 K,不凝气体段长度小于5 cm。对于碲化铋温差发电器件,输入功率为4.2 kW、热端温度为310℃、冷端温度为20℃时,30片热电器件共发电102.6 W,热电转换效率为2.44%。对于斯特林发电机,输入功率为3.3 kW时,发电功率为429 W,热电转换效率为13.1%。本文结果可为双模式热管堆概念设计及研制提供实验数据支撑。

关键词：双模式热管堆原理样机验证实验

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FeCrAl合金拉伸力学性能分子动力学研究

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稀有金属材料与工程 2023年第2期52卷 777-784页

作者：叶天舟姚欢巫英伟章静王明军陈平田文喜秋穗正苏光辉西安交通大学核科学与技术学院陕西省先进核能技术重点实验室动力工程多相流国家重点实验室陕西西安710049 西安交通大学航空航天学院机械结构强度与振动国家重点实验室陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室陕西西安710049 中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室四川成都610213

FeCrAl合金优良的高温抗氧化性能使其成为反应堆燃料包壳的候选替代材料之一,然而Cr和Al的存在会对其力学性能产生负面影响,对反应堆的安全运行造成潜在风险。为了分析FeCrAl合金体系在微观尺度的变形机制,采用分子动力学方法研究了温... 详细信息

FeCrAl合金优良的高温抗氧化性能使其成为反应堆燃料包壳的候选替代材料之一,然而Cr和Al的存在会对其力学性能产生负面影响,对反应堆的安全运行造成潜在风险。为了分析FeCrAl合金体系在微观尺度的变形机制,采用分子动力学方法研究了温度和应变速率2个重要影响因素下FeCrAl单晶的力学性能,对应力应变、缺陷分布、位错密度的变化及变形机制进行了讨论,分析了溶质原子对模拟结果的影响。结果表明,温度升高导致原子热运动加剧,促进了缺陷的形成和生长,降低了原子间相互作用,导致弹性模量和抗拉强度随温度的升高而降低。应变速率的升高导致弹性模量和抗拉强度降低,低应变速率的塑性变形机制主要为孪生变形,中等应变速率下为位错滑移,高应变速率下为原子排列无序化的变形机制。温度和应变速率对α-Fe和FeCrAl具有相同的作用趋势,但与α-Fe相比,FeCrAl中的Cr和Al会产生明显的晶格畸变和应力集中,促进了缺陷和位错的形成和运动,降低材料的屈服强度和抗拉强度。基于计算结果,对FeCrAl单晶体系建立了基于F-B方程的本构模型,拓展了计算结果的应用范围。

关键词： FeCrAl合金温度效应应变速率效应分子动力学

起伏对强迫循环下铅铋合金阻力及换热特性影响实验研究

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原子能科学技术 2023年第8期57卷 1504-1513页

作者：赵亚峰刘志鹏王成龙于启帆苏光辉秋穗正田文喜西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049

受起伏运动的影响,铅铋回路的流量发生波动,流动阻力与换热特性会发生变化。本文采用实验方法,研究了起伏条件下强迫循环液态铅铋合金在竖直圆管内的流动阻力与换热特性。结果表明:起伏运动引起的瞬时附加压降峰值低于理论值;在强迫循环... 详细信息

受起伏运动的影响,铅铋回路的流量发生波动,流动阻力与换热特性会发生变化。本文采用实验方法,研究了起伏条件下强迫循环液态铅铋合金在竖直圆管内的流动阻力与换热特性。结果表明:起伏运动引起的瞬时附加压降峰值低于理论值;在强迫循环下,起伏会造成回路流量周期性波动,在最大起伏幅度300 mm、周期4 s的工况下,流量瞬时波动最大达到16%。拟合得到了流量波动的无量纲数表达式。在强迫循环范围内,起伏运动下的管道时均摩擦阻力系数与静止条件下一致,起伏运动不会影响回路的时均传热特性。本研究结果可为起伏运动下反应堆设计提供数据参考。

关键词：铅铋合金起伏条件流动换热强迫循环