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氦氙混合气体冷却反应堆单通道程序开发

原子能科学技术 2017年第1期51卷 41-45页

作者：李杨柳赵守智孙征张焱中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究部北京102413

闭式布雷顿循环在大功率空间核电源方面具有广阔的应用前景。采用氦氙混合气体作循环工质可提高布雷顿循环的性能,且由于其良好的换热能力,可直接用作反应堆的冷却剂。在概念设计阶段,为适应频繁改动反应堆设计的需要,开发了氦氙混合气... 详细信息

闭式布雷顿循环在大功率空间核电源方面具有广阔的应用前景。采用氦氙混合气体作循环工质可提高布雷顿循环的性能,且由于其良好的换热能力,可直接用作反应堆的冷却剂。在概念设计阶段,为适应频繁改动反应堆设计的需要,开发了氦氙混合气体冷却反应堆单通道分析程序。其中氦氙混合气体的物性参数采用理论方法预测。程序采用FORTRAN 90语言编写,并集成画图功能。程序可用于计算环形流道和圆管流道,通过对同一个算例的单通道计算结果与FLUENT计算结果或实验数据进行对比,初步验证了程序的正确性。

关键词：空间核电源氦氙混合气体单通道

紧密栅棒束通道氦氙混合气体流动传热特性数值模拟研究

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核动力工程 2024年第4期45卷 53-60页

作者：张嘉鑫鲍辉丛腾龙顾汉洋上海交通大学核科学与工程学院上海200240 中国核动力研究设计院成都610213

针对氦氙冷却高温气冷堆堆芯设计和分析需求,本研究建立了一套涵盖物性模型、湍流模型与湍流普朗特数模型的氦氙混合气体三维流动传热模型,并基于此模型开展了棒束通道内氦氙混合气体流动传热数值分析,研究几何参数和运行参数对相关特... 详细信息

针对氦氙冷却高温气冷堆堆芯设计和分析需求,本研究建立了一套涵盖物性模型、湍流模型与湍流普朗特数模型的氦氙混合气体三维流动传热模型,并基于此模型开展了棒束通道内氦氙混合气体流动传热数值分析,研究几何参数和运行参数对相关特性的影响规律。结果表明:包壳存在会对紧密栅棒束通道内流动传热带来较大的周向非均匀性,在子通道模拟及整体三维数值模拟中均应考虑包壳导热影响;除包壳外,紧密栅棒束通道内氦氙流动传热则主要受栅径比影响,同一工况下栅径比越大,混合气体对流换热越强烈。

关键词：紧密栅棒束氦氙混合气体流动传热特性

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氦氙气冷反应堆系统无保护控制事故安全分析

原子能科学技术 2024年第8期58卷 1750-1759页

作者：廖浩仰明杨陈宝文赵富龙秦傲翔高璞珍田瑞峰谭思超哈尔滨工程大学黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室黑龙江哈尔滨150001 中国核动力研究设计院四川成都610213

小型氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统作为第4代先进反应堆,具有轻质、紧凑、系统简单和启停迅速等优点,十分适合用于偏僻地区和岛屿的能源供应。基于Modelica语言通过对各关键设备进行模块化动态建模,开发了氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统... 详细信息

小型氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统作为第4代先进反应堆,具有轻质、紧凑、系统简单和启停迅速等优点,十分适合用于偏僻地区和岛屿的能源供应。基于Modelica语言通过对各关键设备进行模块化动态建模,开发了氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统分析程序,并进行程序可靠性验证。模拟了系统稳态工况和事故瞬态变工况,重点分析了反应性引入和容积控制系统错误投入等瞬态工况的动态响应特性。结果表明:系统分析程序仿真结果较为合理,系统具有一定自稳、自调能力,需采取措施控制转子转速下降速率。本文结果可为氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统的安全特性分析提供理论基础。

关键词：闭式布雷顿循环事故分析氦氙混合气体系统建模程序仿真

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空间反应堆Brayton循环的热力学特性

清华大学学报（自然科学版） 2017年第5期57卷 537-543,549页

作者：李智杨小勇王捷张作义清华大学核能与新能源技术研究院先进核能技术协同创新中心先进反应堆工程与安全教育部重点实验室北京100084

地面Brayton循环系统具备高效、紧凑的特点,经过优化后,可适用于空间反应堆。该文利用Fortran语言对空间Brayton循环进行数学建模,以循环工质为基础对系统进行改进,对氦氙混合工质下闭式Brayton循环进行热力学分析,讨论混合工质成分变化... 详细信息

地面Brayton循环系统具备高效、紧凑的特点,经过优化后,可适用于空间反应堆。该文利用Fortran语言对空间Brayton循环进行数学建模,以循环工质为基础对系统进行改进,对氦氙混合工质下闭式Brayton循环进行热力学分析,讨论混合工质成分变化对Brayton循环的综合影响。研究结果表明:加入氙气降低了Brayton循环热力学性能,循环效率和比功均有降低;但氙气的加入有效降低压气机膨胀功,改善循环气动性能。氦气与氙气在热力性能与气动性能中表现互补,纯氦工质中加入适量氙气可使Brayton循环系统减少压气机、换热器数量,从而具备空间应用的潜力。

关键词：空间反应堆 Brayton循环氦氙混合气体热力学分析

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氦氙混合比例对堆内通道流动换热特性影响

哈尔滨工程大学学报 2021年第5期42卷 745-750页

作者：黄笛李仲春余霖何晓强赵富龙谭思超哈尔滨工程大学黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室黑龙江哈尔滨150001 中国核动力研究设计院四川成都610213

为了研究氦氙混合比例对不同堆内通道的流动换热特性影响,本文通过对堆芯冷却剂通道进行几何、物理建模,利用STAR-CCM+对氦氙混合气体作冷却剂时的流动换热过程进行数值模拟,计算不同比例下的氦氙混合气体与燃料棒间流动换热的对流换热... 详细信息

为了研究氦氙混合比例对不同堆内通道的流动换热特性影响,本文通过对堆芯冷却剂通道进行几何、物理建模,利用STAR-CCM+对氦氙混合气体作冷却剂时的流动换热过程进行数值模拟,计算不同比例下的氦氙混合气体与燃料棒间流动换热的对流换热系数。结果表明:氦氙混合气体的物性会影响对流换热系数的变化趋势,在氦氙混合气体摩尔质量为15~20 g/mol时换热性能最好;在相同的流通面积下,冷却剂通道当量直径越大,对流换热系数越小。相关研究结果可为空间堆的设计提供有益参考。

关键词：空间核动力气冷反应堆堆内通道冷却剂流动换热氦氙混合气体对流换热系数数值模拟

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氦氙离心压气机优化设计及实验系统仿真研究

氦氙离心压气机优化设计及实验系统仿真研究

作者：张书玮哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

闭式布雷顿循环被广泛应用于深空探测和深海探索领域,是当前最有潜力的动力循环装置之一。在深空和深海环境下,常采用氦氙混合气体作为闭式布雷顿循环的循环工质。混合气体中氦气拥有优良的输运特性,氙气可以使混合气体更容易压缩。氦... 详细信息

闭式布雷顿循环被广泛应用于深空探测和深海探索领域,是当前最有潜力的动力循环装置之一。在深空和深海环境下,常采用氦氙混合气体作为闭式布雷顿循环的循环工质。混合气体中氦气拥有优良的输运特性,氙气可以使混合气体更容易压缩。氦氙离心压气机是闭式布雷顿循环动力系统中压缩气体的设备,是整个循环系统的重要部件之一。现有的离心压气机研究很少以氦氙气体为工质,缺乏相关的设计方法及优化理论,需要对其进行进一步研究。根据上述背景,本文主要研究内容如下:首先,对氦氙混合气体的物性展开深入研究。研究了不同温度、压力及氙气摩尔占比下的氦氙气体物性参数。分析在本文压气机的温度和压力变化范围内,氦氙混合气体物性参数的变化规律,验证了压气机设计过程中考虑氦氙混合气体物性变化的必要性。对氦氙离心压气机叶轮进行了气动设计,考虑氦氙气体物性的变化对设计流程进行了优化,并对氦氙离心压气机进行了全通流计算。其次,深入研究了叶片顶端的间隙大小及结构变化对离心压气机性能参数的影响,分析了采用分流叶结构对氦氙离心压气机的优化机理,并阐述了氦氙离心压气机的流动特性。系统分析在不同长度和周向位置分流叶片下的氦氙离心压气机性能指标变化和内部流场特征,总结了分流叶片参数对性能的影响规律,得到最佳分流叶片位置,并揭示出不同分流叶片的长度和周向位置下氦氙离心压气机内的流动机理。最后,为解决氦氙气体价格昂贵带来的氦氙离心压气机实验成本问题,将相似实验理论应用于氦氙离心压气机,研究替代工质替代氦氙混合气体进行氦氙离心压气机实验的可行性。以氩气和空气作为氦氙混合气体的替代工质,应用相似实验理论,分析采用氩气和空气的离心叶轮与原有氦氙叶轮内流动的相似性,并对全通流下离心压气机性能参数进行对比。通过搭建氦氙离心压气机实验系统,研究氦氙离心压气机实验中,主要实验部件参数变化情况,并研究采用氩气作为氦氙混合气体的替代工质进行实验时,对原有实验系统的影响。

关键词：氦氙混合气体离心压气机气动设计及优化流动特性实验系统仿真

基于RELAP5的氦氙流动换热计算模块开发与验证

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原子能科学技术 2021年第11期55卷 1959-1966页

作者：周彪孙倩孙俊孙玉良清华大学核能与新能源技术研究院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室北京100084

反应堆热工系统分析程序是开展热工水力计算与安全评价的重要工具。为开发适用于氦氙气冷空间堆的热工系统分析程序,本文在RELAP5/MOD4.0程序中拓展了氦氙混合气体(He-Xe)物性计算模块,添加了适用于He-Xe的传热关系式,将拓展后程序计算... 详细信息

反应堆热工系统分析程序是开展热工水力计算与安全评价的重要工具。为开发适用于氦氙气冷空间堆的热工系统分析程序,本文在RELAP5/MOD4.0程序中拓展了氦氙混合气体(He-Xe)物性计算模块,添加了适用于He-Xe的传热关系式,将拓展后程序计算值与实验值进行对比。结果表明:程序默认的Sutherlands定律用于He-Xe物性计算时将引入较大误差;Dittus-Bolter公式对He-Xe对流换热时的Nu预测偏高,将导致不保守的壁温计算结果。拓展后的程序对He-Xe压降和换热计算结果均与实验值吻合较好,验证了程序开发的正确性以及程序用于He-Xe流动换热计算的功能。本研究可为系统层面程序开发奠定基础。

关键词： RELAP5程序空间堆氦氙混合气体物性传热关系式