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径向流氦氢分离床穿透特性实验与模拟分析

原子能科学技术 2024年第1期58卷 181-188页

作者：丁卫东占勤杨洪广连旭东中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413

为系统深入研究径向流氦氢分离床的吸附穿透性能,指导结构设计,本研究借助COMSOL Multiphysics软件耦合材料吸氢动力学方程、流体流动动量方程和质量传递方程,建立了径向床穿透数学模型,并结合实验验证了模型的可靠性,利用模型对特性参... 详细信息

为系统深入研究径向流氦氢分离床的吸附穿透性能,指导结构设计,本研究借助COMSOL Multiphysics软件耦合材料吸氢动力学方程、流体流动动量方程和质量传递方程,建立了径向床穿透数学模型,并结合实验验证了模型的可靠性,利用模型对特性参数进行参数化扫描,分析其对穿透性能的影响。结果表明,穿透实验结果与模拟数据符合较好,模型可靠。通过分析温度、高径比及孔隙率等参数对床体穿透性能的影响,推荐氦氢分离床床体参数如下:床体吸附温度为室温~343 K,在该温度范围内升高温度对传质区长度及出口处浓度-时间曲线影响较小;随着高径比的增加,床体效率明显下降,其中高径比为2.00~8.33时,维持高效率的时间较长;随着孔隙率的增加,床体吸附效率明显下降,考虑床层的吸附效率、压阻效应及粉末的装填难度,粉末孔隙率推荐0.56~0.64。以上结果表明,本研究建立的模型可较好地预测床体的吸附分离性能,可用于床体结构设计以及工艺参数的优化。

关键词：径向流氦氢分离床穿透特性数值模拟

压水堆核电站完整和破损燃料棒硬度和杨氏模量研究

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原子能科学技术 2024年第1期58卷 157-165页

作者：杨钦轲王华才程焕林汤琪宋武林王玮郭一帆中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413

利用热室内金相显微镜、纳米压痕仪和拉曼光谱仪分别对燃耗为41 GW·d/tU破损棒和45 GW·d/tU完整棒的化学相互作用(FCCI)层、包壳及燃料芯块进行了表征分析。结果表明:完整棒燃料芯块外围硬度较小,其主要原因是芯块外缘出现了多孔隙的... 详细信息

利用热室内金相显微镜、纳米压痕仪和拉曼光谱仪分别对燃耗为41 GW·d/tU破损棒和45 GW·d/tU完整棒的化学相互作用(FCCI)层、包壳及燃料芯块进行了表征分析。结果表明:完整棒燃料芯块外围硬度较小,其主要原因是芯块外缘出现了多孔隙的高燃耗结构(HBS);破损棒燃料芯块硬度则沿径向朝内整体呈下降趋势,这主要与燃料芯块孔隙率的变化和重构有关。燃料棒破损后,冷却水进入包壳芯块间隙与芯块发生反应,芯块外缘孔隙率显著降低,从而导致芯块外缘区域硬度较高;同时,气孔的迁移引起晶粒重构形成大尺寸柱状晶,造成破损棒燃料芯块中间和中心区域硬度下降且低于完整棒燃料芯块。燃料棒的破损不会改变芯块的相组成,因此完整棒与破损棒芯块的杨氏模量区别不大。完整棒FCCI层硬度沿包壳向芯块逐渐增加,杨氏模量则先减小后增加;破损棒FCCI层硬度先增加后减小,杨氏模量变化与硬度变化基本相似,该现象的出现可能源于FCCI层相结构的转变、辐照硬化和裂变产物掺杂的共同作用。燃料棒破损后包壳的氢化及氧化使得破损棒包壳硬度与杨氏模量均显著高于完整棒。

关键词：化学作用层完整棒破损棒硬度杨氏模量

多元(U,Zr, Nb)C燃料制备技术与性能机理研究

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原子能科学技术 2024年第1期58卷 166-174页

作者：吴学志魏国良郭骁中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413

多元(U,Zr, Nb)C燃料因具有熔点高、热导率高、低裂变气体释放率及优异的高温力学性能等优点,是目前大功率空间核推进反应堆选用燃料之一。本文采用碳热还原和液相烧结相结合的粉末冶金工艺制备多元(U,Zr, Nb)C燃料芯块,研究了工艺参数... 详细信息

多元(U,Zr, Nb)C燃料因具有熔点高、热导率高、低裂变气体释放率及优异的高温力学性能等优点,是目前大功率空间核推进反应堆选用燃料之一。本文采用碳热还原和液相烧结相结合的粉末冶金工艺制备多元(U,Zr, Nb)C燃料芯块,研究了工艺参数对烧结芯块反应动力学、相结构、导热性能和微观结构的作用机制和影响规律。结果表明:在1 800℃、50 MPa和1 h的烧结条件下,通过添加0.5%金属铀形成的液相烧结工艺制备得到芯块密度可达95.5%TD;当原料M/C(M为金属元素总量)摩尔比为1∶6.5时,可制备得到M/C比为1的正化学计量碳化物燃料;(U0.2,Zr, Nb)C的晶格常数比(U0.1,Zr, Nb)C的晶格常数略高;多元(U,Zr, Nb)C碳化物燃料芯块热导率与相成分、密度和温度均有关;芯块气孔分布较均匀,没有联通的开气孔存在,气孔尺寸在1~3μm。

关键词：多元核推进燃料碳热还原液相烧结

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钼锝靶件辐照装置堆外自然循环实验研究

原子能科学技术 2024年第1期58卷 103-111页

作者：郝思佳张培升高永光刁均辉韩智杰中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413

钼锝同位素辐照装置的堆外热工水力研究,对于确定靶件的辐照参数和辐照安全具有重要意义,相关结果可为靶件的设计验证和入堆辐照提供技术支持。本文针对自主研发的钼得靶件辐照装置,设计了堆外传热实验台架,开展了钼锝靶件辐照装置堆外... 详细信息

钼锝同位素辐照装置的堆外热工水力研究,对于确定靶件的辐照参数和辐照安全具有重要意义,相关结果可为靶件的设计验证和入堆辐照提供技术支持。本文针对自主研发的钼得靶件辐照装置,设计了堆外传热实验台架,开展了钼锝靶件辐照装置堆外传热验证实验,对比分析了不同热流密度、不同模拟靶件外径、不同辐照装置结构等条件下实验段的温度分布。结果表明,辐照装置内导流管的设计可有效提高装置的自然循环能力,证明了所设计辐照装置的安全性。

关键词：靶件辐照传热实验自然对流传热模拟

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非均匀加热工况高温平板热管的稳态性能研究

原子能科学技术 2023年第8期57卷 1534-1543页

作者：于莲韵杨夷中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413

高温平板热管(热板)与板式燃料元件紧密贴合构成的堆芯具有结构紧凑、接触热阻小、可在多种工况下稳定运行的特征。为研究热板用于堆芯冷却的可行性,基于COMSOL软件建立了热板三维热-流-固耦合分析模型,与文献实验参考值比对,相对偏差... 详细信息

高温平板热管(热板)与板式燃料元件紧密贴合构成的堆芯具有结构紧凑、接触热阻小、可在多种工况下稳定运行的特征。为研究热板用于堆芯冷却的可行性,基于COMSOL软件建立了热板三维热-流-固耦合分析模型,与文献实验参考值比对,相对偏差在5%之内,证明了该模型方法的可行性和正确性;基于模型分析了一种干道式复合吸液芯结构的合理性,以及非均匀加热对平板热管稳态传热和力学性能的影响。研究表明,复合吸液芯通过改变液体回流路径,有效降低了流动阻力,使热板轴向高热流密度稳定传热;非均匀加热条件下,平板热管仍能保持良好的传热性能和均温性;非均匀加热会增大热板壳体的热应力,但不会超过材料的应力限值;平板热管满足堆芯冷却的基本需求。

关键词：平板热管非均匀加热干道 COMSOL 热流固耦合

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径向流氦—氢分离床压阻实验与模拟分析

原子能科学技术 2023年第5期57卷 978-987页

作者：丁卫东占勤杨洪广连旭东中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413

氦-氢分离床作为聚变堆氚工厂提取系统的重要部件,其压阻特性影响床体的吸附效率和系统阻力。本文通过开展径向吸附床压阻实验,获得过滤器和粉末多孔介质的压阻特性,并结合模拟软件拟合获得特性参数,进一步借助模型研究床体流动机理,指... 详细信息

氦-氢分离床作为聚变堆氚工厂提取系统的重要部件,其压阻特性影响床体的吸附效率和系统阻力。本文通过开展径向吸附床压阻实验,获得过滤器和粉末多孔介质的压阻特性,并结合模拟软件拟合获得特性参数,进一步借助模型研究床体流动机理,指导结构设计和参数设置。获得的丝网过滤器压阻模型参数与实验结果对比,验证了模型的可靠性。当粉末颗粒度较大(Rp=125μm)时,Ergun模型参数可以较好地拟合床体实验压阻,但随着粉末粒度的减小,Ergun模型参数得到的压阻与实验值差距逐渐加大,需进一步修正模型参数。流动机理分析表明,丝网过滤器在实验测试条件下,压阻以惯性阻力项为主,随等效雷诺数的增加呈抛物线变化。床体粉末层压阻以黏性阻力项为主,随等效雷诺数的增加呈线性变化。

关键词：径向床多孔介质压阻特性数值模拟

FeCuMnNi合金体系中溶质-空位团簇的原子尺度研究

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原子能科学技术 2023年第10期57卷 1857-1868页

作者：赵永鹏贺新福王东杰杨文中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413

反应堆压力容器(reactor pressure vessel,RPV)是核反应堆中不可更换的关键部件,辐照脆化是影响其安全运行的主要因素。溶质缺陷团簇是中子辐照后RPV钢中的主要微观缺陷,研究其形核长大机制有助于理解RPV钢的辐照损伤行为。本文采用Metr... 详细信息

反应堆压力容器(reactor pressure vessel,RPV)是核反应堆中不可更换的关键部件,辐照脆化是影响其安全运行的主要因素。溶质缺陷团簇是中子辐照后RPV钢中的主要微观缺陷,研究其形核长大机制有助于理解RPV钢的辐照损伤行为。本文采用Metropolis蒙特卡罗方法模拟得到FeCuMnNi合金体系中溶质-空位团簇的稳定构型,结合分子静力学方法从原子尺度研究溶质原子与空位团簇的作用机理,分析探讨溶质-空位团簇的形核长大机制。结果表明,在FeCuMnNi合金体系中,Cu原子相较于Mn、Ni会优先在空位团簇表面偏析,形成的溶质-空位团簇为球形壳层结构;Mn会促进溶质-空位团簇的长大,而Ni对于溶质-空位团簇尺寸的影响很小,Mn、Ni存在协同效应,会促进溶质-空位团簇的形核长大;溶质-空位团簇中溶质原子的结构和能量存在相关关系,空位团簇可直接改变其附近溶质原子的结构,导致内层溶质原子能量显著高于外层原子,长大过程逐渐由空位团簇主导转变为外层溶质原子主导。以上结果有助于理解中子辐照后RPV钢中微观缺陷的形成和演化行为,推动RPV钢辐照脆化行为的模拟预测。

关键词： FeCuMnNi合金体系溶质-空位团簇 Metropolis蒙特卡罗分子静力学

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硝酸浓度对临界安全的影响研究

原子能科学技术 2024年第1期58卷 144-148页

作者：王璠朱庆福夏兆东周琦陈效先成昱廷梁淑红李航章秩烽刘洋中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413

在核燃料溶解过程中,通常使用硝酸对核燃料进行溶解。针对核燃料溶解过程中的临界安全问题,在中试厂核临界安全实验装置上开展了硝酸浓度影响效应临界实验,在保持核燃料溶液浓度不变的情况下改变硝酸浓度,完成临界实验。获取了核燃料溶... 详细信息

在核燃料溶解过程中,通常使用硝酸对核燃料进行溶解。针对核燃料溶解过程中的临界安全问题,在中试厂核临界安全实验装置上开展了硝酸浓度影响效应临界实验,在保持核燃料溶液浓度不变的情况下改变硝酸浓度,完成临界实验。获取了核燃料溶解过程酸度影响效应临界实验数据,通过3种临界方法得到的实验数据相对误差平均值为0.068%。同时使用蒙特卡罗程序进行了模拟计算,临界实验测量结果与理论计算值的相对偏差平均值为0.39%。研究结果表明,随着硝酸浓度的减小,系统的反应性逐渐增大,因此燃料溶解过程中需考虑由于硝酸浓度变化引起的反应性变化情况,其对乏燃料溶解过程的临界安全具有较大影响,需引起高度重视。

关键词：核燃料模拟溶解过程硝酸临界安全

Cr/W合金元素在α-Fe晶界上偏析热力学行为研究

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原子能科学技术 2023年第S01期57卷 189-198页

作者：赵宏睿曹金利王瑾贾丽霞豆艳坤潘才富贺新福中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413

低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢是聚变堆的候选结构材料,溶质元素在晶界上的偏析行为会引起材料晶界强化或弱化(脆化),因此研究溶质元素的晶界偏析行为对RAFM钢的研发和性能预测具有重要意义。本文采用分子动力学方法和Metropolis蒙特卡... 详细信息

低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢是聚变堆的候选结构材料,溶质元素在晶界上的偏析行为会引起材料晶界强化或弱化(脆化),因此研究溶质元素的晶界偏析行为对RAFM钢的研发和性能预测具有重要意义。本文采用分子动力学方法和Metropolis蒙特卡罗方法,研究了300~800 K下不同模拟合金(FeW、FeCrW)中Cr/W元素在晶界上的偏析行为,讨论了空位、温度对合金元素在晶界偏析的热力学影响以及W和Cr元素在晶界偏析上的耦合作用。计算结果表明:在FeW模型合金中,W元素会在晶界附近出现明显的富集现象;在FeCrW模型合金中,未观察到W元素在晶界处富集,Cr元素会在大部分晶界处富集。因此,Cr元素会抑制W在晶界处富集,主要原因是Cr与W之间的排斥作用。此外,研究表明,空位对Cr和W在晶界上的偏析行为无明显影响,而随着温度的升高,溶质元素在晶界上的偏析程度逐渐减弱。

关键词： RAFM钢对称倾侧晶界溶质元素晶界偏析分子动力学