UF6凝华工艺过程仿真研究

作     者：邱睿 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田兆斐

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 082702[工学-核燃料循环与材料] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：六氟化铀 凝华 欧拉多相流模型 传热传质数值计算 

摘      要：凝华固化法是铀浓缩厂贫料收集工艺流程中一种常用的收集贫化的UF6工质的方法,通过将易凝华的气体UF6在容器中冷却,使其直接凝华成固体物料,以便进行收集。在核工业体系中,这种方法因操作简单、易于实现,并且可以允许气体中UF6含量的波动被广泛应用。目前,控制UF6凝华速率主要依靠传热试验和操作者的实践经验,需要保留较大的操作安全余量。为了改进这一状况,本研究利用数值计算方法,运用CFD技术来模拟UF6的凝华过程。 首先,本文针对UF6在容器中的凝华过程开展机理分析,传热分析以及传质分析,从凝华的驱动力,成核理论等方面分析可能影响凝华的因素;针对容器内部UF6凝华机理不明确等问题,分别分析瞬态欧拉多相流模型、准稳态模型等仿真模型对典型工况条件下的凝华罐体内流场模拟计算的适用性。 其次,基于两种可能适用的数值模型分别建立UF6凝华模型进行仿真,通过理论分析或实验对比,评估仿真结果在计算误差、稳定性和资源消耗等方面的表现,以确定适用于UF6凝华过程的CFD数学模型。结果发现,瞬态欧拉多相流模型在模拟时具有计算稳定、精度高、能获得详细场分布等优势;准稳态模型在进行长过程的模拟工作时,具有计算速度快,消耗计算资源小的优势。在模拟3m3容器中26个小时的凝华过程时模拟结果与实验结果相比偏差最大为13.6%。在此基础上,通过欧拉多相流模型研究了8L容器内UF6凝华过程中的温度、压力、气体流速以及固-气相分布规律。 最后,本文分别设置对照组探究了冷却温度,容器初始压强、气体温度、入口质量流量以及容器摆放方式对凝华过程的影响,从容器内部温度分布、压力分布、固体料层形态以及壁面热流等因素综合分析了这些因素影响凝华过程的方式。结果表明在提高容器初始压力可在初期提升凝华速率,如本文将初始压力提升10倍,在凝华初期将凝华速率提升42.4%;将冷却温度降低100K、入口气体温度提高40K可分别将凝华速率提升6.24%和1.5%;在压力允许的情况下增大入口质量流量可大幅提升凝华速率。本研究数值实验可为优化工艺参数提供指导,为工艺系统节省能耗,提升系统安全与效率。