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基于热管堆的超临界二氧化碳核动力系统参数设计与优化研究

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工程热物理学报 2024年第4期45卷 1069-1075页

作者：戴春辉郭斯茂宋苹赵振兴柯志武武汉第二船舶设计研究所热能动力技术重点实验室武汉430205 浙江大学核科学技术研究中心杭州310007 中国工程物理研究院核物理与化学研究所绵阳621900

为获得超临界二氧化碳动力系统最优设计参数,本文建立了热力分析模型和主要设备模型,开展热管式反应堆为热源、简单回热架构的超临界二氧化碳发电装置系统参数性能分析和多目标参数优化设计。形成1 MW(e)输出功率的发电装置系统参数最... 详细信息

为获得超临界二氧化碳动力系统最优设计参数,本文建立了热力分析模型和主要设备模型,开展热管式反应堆为热源、简单回热架构的超临界二氧化碳发电装置系统参数性能分析和多目标参数优化设计。形成1 MW(e)输出功率的发电装置系统参数最优解集,并开展系统敏感性分析。研究结果表明提升系统参数可达到提升系统循环效率的目的,但同时也增加了设备尺寸规模,对提升紧凑性不利,各主要热力参数对系统效率和体积的敏感性相差较大。最终优化解的选择可从本文最优解集中,按可布置空间大小选取,从而获得兼顾效率和紧凑性的最优设计参数。

关键词：热管堆超临界二氧化碳系统热力参数

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热管堆动态模型构建与控制方法研究

核动力工程 2024年第4期45卷 166-172页

作者：殷少轩余刃绳东杰毛伟海军工程大学核科学技术学院武汉430033

为了开展热管堆的核功率控制方法研究,本文建立了MegaPower热管堆的轻量化动态模型,并基于此对设计的控制器进行了仿真验证。基于集总参数方法,研究了堆芯到热管再到换热器的传热模型,并建立了Simulink仿真模型。针对热管堆的控制方法,... 详细信息

为了开展热管堆的核功率控制方法研究,本文建立了MegaPower热管堆的轻量化动态模型,并基于此对设计的控制器进行了仿真验证。基于集总参数方法,研究了堆芯到热管再到换热器的传热模型,并建立了Simulink仿真模型。针对热管堆的控制方法,首先确定了以负荷跟踪和换热器出口温度不变为控制目标,然后设计了并联比例-积分-微分(PID)和串级PID两种控制器,并对比分析了两者的控制效果。结果表明:模型方面,模型的稳态误差不超过0.05%,其在无控制情况下的参数响应趋势与理论分析一致,且仿真速度较快;控制方面,2种控制器均能够达成控制目标,核功率和换热器出口温度的调节时间小于150 s,且波动幅值较小。因此,本文建立的热管堆的动态模型可以用于热管堆控制方法的仿真验证,基于PID设计的两种控制器具有较好的控制效果,且串级PID控制器的控制性能更好。

关键词：热管堆动态模型负荷跟踪温度控制比例-积分-微分(PID)控制

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新型热管堆装料及外推临界实验技术研究

原子能科学技术 2024年

作者：张鹏展杨历军肖启冬刘凯凯张振洋中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所

热管堆为当前先进核动力的研究热点。由于新型热管堆采用少量大块燃料，传统的外推临界实验技术适应性差，使其在装料及外推临界过程中面临安全挑战。本文结合该反应堆的特点，确定了先装配块状燃料，再逐步提升侧反射层达临界的方案。... 详细信息

热管堆为当前先进核动力的研究热点。由于新型热管堆采用少量大块燃料，传统的外推临界实验技术适应性差，使其在装料及外推临界过程中面临安全挑战。本文结合该反应堆的特点，确定了先装配块状燃料，再逐步提升侧反射层达临界的方案。基于蒙特卡罗程序，计算分析了堆芯装配过程中的临界安全，确定了安全可控的初始堆芯装配方案；确定了中子源和探测器的布置；开展外推临界实验技术研究，针对直接外推侧反射层体积造成外推曲线上凸的问题，提出了以侧反射层的反应性价值为权重因子对体积进行加权处理的修正方法。利用此技术模拟了外推过程，结果表明本文确定的外推临界实验方案是可行的。本文结果可为新型热管堆装料及外推临界提供指导。

关键词：热管堆块状燃料侧反射层装料外推临界

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热管堆中分段式温差发电器的仿真分析

原子能科学技术 2022年第10期56卷 2051-2060页

作者：张胤郭凯伦王成龙戴春辉宋苹张大林秋穗正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 武汉第二船舶设计研究所热能动力技术重点实验室湖北武汉430205

温差发电器(TEG)是一种能够直接将热能转化为电能的器件设备,因此可在热管堆中将TEG作为能量转换系统。但当热管堆堆芯的平均或最高温度超过1000 K后,TEG的缺陷就会暴露出来。分段式温差发电器(STEG)可解决这一问题。本文在COMSOL软件... 详细信息

温差发电器(TEG)是一种能够直接将热能转化为电能的器件设备,因此可在热管堆中将TEG作为能量转换系统。但当热管堆堆芯的平均或最高温度超过1000 K后,TEG的缺陷就会暴露出来。分段式温差发电器(STEG)可解决这一问题。本文在COMSOL软件中搭建了STEG模型,确定了数值模拟方法,并对STEG的几何形状和热电性能进行了优化设计,将热管与STEG组合成单通道模型来进行仿真计算。对STEG进行了稳态的仿真计算,得到STEG的几何优化设计,并探究了热电和热力性能,热电转换效率最高可达15.75%,最大应力约为270 MPa。在单通道模型中,结合STEG的最优几何设计,热电转换效率最高可达15.63%。本文工作可为STEG与热管堆结合的数值模拟提供相应的基础。

关键词：热管堆分段式温差发电器数值模拟

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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双模式热管堆非核原理样机热力特性数值分析

原子能科学技术 2023年第8期57卷 1525-1533页

作者：张凌义李潘潇张胤王成龙田文喜苏光辉秋穗正西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049

小型热管反应堆电源技术具有续航久、结构紧凑、环境适应性强、固有安全性高等优势,可以适配于多种领域。本文以双模式热管堆非核原理样机NUSTER2.0为对象,在COMSOL中建立高温热管、温差发电装置及斯特林装置理论模型并耦合形成系统模型... 详细信息

小型热管反应堆电源技术具有续航久、结构紧凑、环境适应性强、固有安全性高等优势,可以适配于多种领域。本文以双模式热管堆非核原理样机NUSTER2.0为对象,在COMSOL中建立高温热管、温差发电装置及斯特林装置理论模型并耦合形成系统模型,对样机运行特性及力学特性进行数值仿真研究。15 kW加热功率稳态工况下,仿真结果与实验结果的热管温度分布及动、静态模块主要运行参数均吻合良好,最大相对误差为6.73%,初步验证了模型可靠性。变功率仿真结果确定了斯特林撞杆阈值为16.5 kW,并预估静态模块在25 kW附近达到效率峰值。系统启动瞬态仿真得到了“3-5-10-15 kW”阶梯式功率平台下的样机启动特性,并提出了样机启动策略。系统热力耦合稳态工况确定了样机应力危险区,并求得15 kW工况中堆芯热膨胀率为1.21%,热管-堆芯基体和热管-集热基体耦合处的最大应力分别为160 MPa和97 MPa。本文为NUSTER2.0样机的特性研究和实验设计提供了数值分析基础。

关键词：双模式热管堆系统耦合模型数值模拟

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热管堆在不同基体材料下的燃耗特性分析

强激光与粒子束 2022年第2期34卷 164-168页

作者：马坤峰胡珀上海交通大学核科学与工程学院上海200240

热管冷却核反应堆具有非能动传热、模块化和固有安全性高等特点,在航空探索、深海作业和偏远地区电力市场上有广泛的应用。以洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的5 MWth热管堆为研究对象,选择SS-316,Mo-14Re和SiC作为基体候选材料,采用反应堆... 详细信息

热管冷却核反应堆具有非能动传热、模块化和固有安全性高等特点,在航空探索、深海作业和偏远地区电力市场上有广泛的应用。以洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的5 MWth热管堆为研究对象,选择SS-316,Mo-14Re和SiC作为基体候选材料,采用反应堆蒙特卡罗中子输运分析程序对比分析了以上三种基体堆芯的反应性、中子能谱、增殖性能和燃耗演化。结果表明:为了维持堆芯的10年运行,SS-316,Mo-14Re和SiC三种基体堆芯所需的初始燃料235U富集度分别约为19.35%,28.80%和17.10%,SiC基体堆芯所需的初始燃料235U富集度最小;10年后,SiC基体堆芯产生的易裂变核素(239Pu和241Pu)和次锕系核素(通过分离嬗变可被再次利用)的量最高,分别约为11.91 kg和92.08 g。综合以上研究结果,推荐SiC作为热管冷却核反应堆的基体。

关键词：反应堆蒙特卡罗程序热管堆基体 SS-316 Mo-14Re SiC

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开式布雷顿热管堆车载核电源屏蔽设计及优化

开式布雷顿热管堆车载核电源屏蔽设计及优化

作者：贺灿南华大学

学位级别：硕士

偏远地区的国防设施或分布式电力市场,远离可靠电网,是车载核电源的潜在市场。其地理、交通、气候等条件复杂,对车载核电源系统的安全性、运输性、操作性等提出了特殊的要求,因此对车载核电源堆芯方案及其屏蔽方案开展研究具有重要的实... 详细信息

偏远地区的国防设施或分布式电力市场,远离可靠电网,是车载核电源的潜在市场。其地理、交通、气候等条件复杂,对车载核电源系统的安全性、运输性、操作性等提出了特殊的要求,因此对车载核电源堆芯方案及其屏蔽方案开展研究具有重要的实际意义和学术研究价值。其次,反应堆屏蔽系统的设计是反应堆设计的重要组成部分,其屏蔽效果能直接影响其反应堆设计目标的实现。对于车载核电源系统,其屏蔽设计除了要满足剂量限值这个要求以外,还要满足屏蔽层的质量、尺寸限值等指标,因此,有必要研究车载核电源的屏蔽优化问题。与此同时基于屏蔽设计者的工作经验和基础理论设计的屏蔽方案由于单一化、非最优等问题,不能完全满足车载核电源精确辐射屏蔽设计的应用需求。本文首先确定了以电功率1MWe、换料周期10年、总体质量轻、结构尺寸小、满足运输安全要求等为技术指标要求,确定了“热管冷却固态堆芯+开式布雷顿循环”的车载核电源;其次针对车载核电源在正常运行和系统停堆后运输这两种状态下的堆芯进行屏蔽设计。在运行状态下,为了进一步降低剂量值,可以使用便捷屏蔽层。便捷屏蔽层对车载核电源系统总质量与体积无直接影响,并可以依据运行厂址环境因地制宜,设计自由度较高;最后基于精英策略的快速非支配遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II,NSGA-Ⅱ),将屏蔽层的总质量与剂量率作为优化目标,得到运行过程和运输状态下的辐射屏蔽方案Pareto最优解集。数值结果表明,本文的NSGA-Ⅱ智能优化方法对开式布雷顿热管堆车载核电源的屏蔽系统的材料排序、厚度等关键设计参数进行了自动调整与迭代优化,可获得质量轻、剂量小的屏蔽优化方案。本文基于开式布雷顿热管堆车载核电源模型对本文方法开展了数值验证研究,证明了本文方法的正确性与可行性,可为车载核电源的辐射屏蔽优化提供理论与技术支撑。

关键词：热管堆车载核电源遗传算法屏蔽设计及优化

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热管堆多反馈效应下的启堆特性研究

核动力工程 2021年第S2期42卷 104-108页

作者：钟睿诚马誉高邓坚刘余柴晓明王嘉赓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成都610213 清华大学工程物理系北京100084

热管堆采用高温固态堆芯,启堆过程中会经历较大的温升和热膨胀,热管中的工质状态会发生变化,带来复杂的反应性反馈。为研究热管堆反馈机制下的启堆特性,以美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)设计的兆瓦级热管堆MegaPower为研究对象,利用... 详细信息

热管堆采用高温固态堆芯,启堆过程中会经历较大的温升和热膨胀,热管中的工质状态会发生变化,带来复杂的反应性反馈。为研究热管堆反馈机制下的启堆特性,以美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)设计的兆瓦级热管堆MegaPower为研究对象,利用热管堆瞬态分析程序HPRTRAN,采用3种启堆模式对其进行了启堆工况计算,研究了每种模式下的启堆特性。结果表明,热管堆启堆过程中会经历较大的功率波动,可能出现不利于启堆的“温度平台”,间隔转动控制鼓相比于连续转动控制鼓,是一种更安全且实际可行的启堆方案。

关键词：热管堆启堆特性控制鼓反应性反馈