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高温气冷堆多组分流动换热耦合系统的Newton-Krylov求解方法研究

原子能科学技术 2025年第2期59卷 348-359页

作者：唐焕燃张汉刘礼勋彭心茹邬颖杰郭炯李富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

高温气冷堆的进水事故和进气事故是需要特殊考虑的事故,这两类事故中空气或水蒸气会与堆芯石墨发生化学反应生成多种气体并腐蚀石墨。研究化学腐蚀现象的前提是对堆芯中多种气体的流动扩散现象进行研究,相比于单组分问题,这是一个更为... 详细信息

高温气冷堆的进水事故和进气事故是需要特殊考虑的事故,这两类事故中空气或水蒸气会与堆芯石墨发生化学反应生成多种气体并腐蚀石墨。研究化学腐蚀现象的前提是对堆芯中多种气体的流动扩散现象进行研究,相比于单组分问题,这是一个更为复杂的非线性耦合系统,需要稳定、准确、高效求解。本文以计算性能优异的Newton-Krylov(NK)方法为耦合框架,针对高温气冷堆特点,开发了多组分气体流动耦合计算模块,提出了基于物理特性的NK修正算法,避免非物理解的中间迭代值。通过与高温气冷堆分析程序TINTE的对比验证了新程序的正确性。测试结果表明,在计算效率上NK算法的计算性能约为Picard算法的6~7倍。

关键词：高温气冷堆多物理场多组分气体 Newton-Krylov算法

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高温气冷堆事故工况下舱室冷却系统排热性能分析

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原子能科学技术 2025年第4期59卷 838-845页

作者：秦亥琦李晓伟张丽柳雄斌郑艳华吴莘馨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

舱室冷却系统(RCCS)是球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)的重要安全设施,预测事故工况下混凝土温度分布对于核安全具有重要意义。本文依托HTR-PM事故分析,采用计算流体动力学(CFD)方法,开展了RCCS全比例二维辐射传热及对流换热模拟。结果显... 详细信息

舱室冷却系统(RCCS)是球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)的重要安全设施,预测事故工况下混凝土温度分布对于核安全具有重要意义。本文依托HTR-PM事故分析,采用计算流体动力学(CFD)方法,开展了RCCS全比例二维辐射传热及对流换热模拟。结果显示:RCCS具备充分的排热能力以实现反应堆舱室的有效冷却,在严重事故工况下,混凝土最高温度约为111℃,远低于设计限值;事故引起的舱室内热扰动穿透混凝土所需时间约为48 h,混凝土内部温度分布在约120 h后趋于稳定;给出了混凝土内、外壁面换热量分布。本文结果可为RCCS设计、高温气冷堆事故分析提供参考。

关键词：球床模块式高温气冷堆舱室冷却系统混凝土排热性能

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余弦加热花瓣形燃料棒束过冷沸腾特性数值研究

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工程热物理学报 2025年第5期 1520-1527页

作者：蔡伟华黄泽全孟祥飞张文超孙建闯杜利鹏东北电力大学能源与动力工程学院热流科学与核工程实验室中广核研究院有限公司清华大学先进反应堆工程与安全教育部重点实验室

花瓣形燃料棒是一种新型燃料元件，为了明确余弦加热条件下花瓣形燃料组件内过冷沸腾流动与传热特性。本文基于欧拉两流体模型与壁面沸腾模型，建立了3×3花瓣形燃料棒束通道在余弦加热条件下过冷沸腾数值分析模型，对不同位置子通... 详细信息

花瓣形燃料棒是一种新型燃料元件，为了明确余弦加热条件下花瓣形燃料组件内过冷沸腾流动与传热特性。本文基于欧拉两流体模型与壁面沸腾模型，建立了3×3花瓣形燃料棒束通道在余弦加热条件下过冷沸腾数值分析模型，对不同位置子通道内空泡份额分布及换热特性进行分析。研究发现，在轴向和周向方向上，不同子通道内空泡份额值存在明显差异，该分布特性由汽泡直径和壁面成核密度共同决定。换热特性分析结果表明，受到余弦加热的影响，不同子通道内换热系数均呈先上升后下降的趋势，在过冷沸腾区，随着空泡份额的增加，沸腾热流随之增加。相关研究成果可为花瓣形燃料元件在反应堆内的应用提供理论基础。

关键词：花瓣形燃料元件棒束通道余弦加热过冷沸腾数值分析

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高温堆热气联箱内部流场分析

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核动力工程 2006年第z1期27卷 23-29页

作者：王金华薄涵亮姜胜耀黄志勇清华大学先进反应堆工程与安全教育部重点实验室北京100084

以高温堆热气联箱为研究对象,在实验研究的基础上,采用流体力学计算程序CFX5对热气联箱和热气导管内部流场进行了数值模拟,以获得热气联箱和热气导管内的速度场、压力场和温度场,为高温堆热气联箱的设计和实验研究提供参考。数值计算结... 详细信息

以高温堆热气联箱为研究对象,在实验研究的基础上,采用流体力学计算程序CFX5对热气联箱和热气导管内部流场进行了数值模拟,以获得热气联箱和热气导管内的速度场、压力场和温度场,为高温堆热气联箱的设计和实验研究提供参考。数值计算结果表明:热气联箱内气流发生剧烈搅混,加速了不同温度气流间的热传递,有利于高温和低温气流间的温度混合。但存在肋片的区域没有发生剧烈的气流搅混,不利于气流间的热传递。热气导管内温度混合率随其长度的增加逐渐增大,热气导管长度2.5m以上时,温度混合率达到99%以上。

关键词：高温气冷堆热气联箱温度混合率数值模拟

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高温球床辐射换热机理研究

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核动力工程 2016年第2期37卷 32-37页

作者：吴浩桂南杨星团屠基元姜胜耀清华大学先进反应堆工程与安全教育部重点实验室北京100084

以角系数为切入点研究球床辐射换热机理,在球坐标系下推导出2个单位球之间角系数的解析表达式。对于角系数的数值计算,蒙特卡洛法可以达到很高的计算精度,适合用于大规模并行计算。在球床中由于颗粒球之间的相互阻挡,在球心距超过2倍球... 详细信息

以角系数为切入点研究球床辐射换热机理,在球坐标系下推导出2个单位球之间角系数的解析表达式。对于角系数的数值计算,蒙特卡洛法可以达到很高的计算精度,适合用于大规模并行计算。在球床中由于颗粒球之间的相互阻挡,在球心距超过2倍球径时2个球之间的角系数近似衰减为零。利用voronoi单元体对球床进行空间局部划分,在体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和随机堆积中近似认为所有存在辐射关系的颗粒球均在2层Voronoi单元球内,颗粒球数量为60~80个。在可接受的范围内忽略了大量辐射关系极弱的颗粒球,大幅度简化了球床辐射计算模型。

关键词：高温球床辐射换热角系数解析解 Voronoi单元体

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槽孔式水力驱动控制棒槽孔阻力系数实验研究

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核动力工程 2002年第2期23卷 38-41页

作者：薄涵亮陈士锋姜胜耀清华大学先进反应堆工程与安全教育部重点实验室北京100084

对槽孔式水力驱动控制棒槽对孔阻力系数进行了大量实验研究,获得了槽孔式水力驱动控制棒槽对孔阻力系数和其随槽对孔位移的变化规律,分析了槽对孔阻力系数与控制棒槽对孔结构参数之间的关系。结果表明:随槽对孔位移的增加,槽对孔阻力系... 详细信息

对槽孔式水力驱动控制棒槽对孔阻力系数进行了大量实验研究,获得了槽孔式水力驱动控制棒槽对孔阻力系数和其随槽对孔位移的变化规律,分析了槽对孔阻力系数与控制棒槽对孔结构参数之间的关系。结果表明:随槽对孔位移的增加,槽对孔阻力系数从某一较大的定值迅速降低到某一较小的定值,然后再迅速返回到初始的定值,形成一个对称的宽幅波谷;槽高使阻力系数曲线波谷幅宽发生变化,也使完全不重合段的阻力系数发生变化;随内套孔径的增大,阻力系数有所降低,其对阻力系数的影响也进一步减弱。孔径增大到一定程度,阻力系数基本不受孔径参数的影响。

关键词：槽孔式水力驱动控制棒槽孔阻力实验研究低温供热堆阻力系数

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自然循环两相漂移流理论分析模型的建立

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核动力工程 2002年第2期23卷 5-9页

作者：杨星团姜胜耀张佑杰清华大学核研院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室北京100084

以5MW核供热堆试验回路(HRTL-5)为物理原型,从理论上推导了加热段欠热沸腾、上升段入口附近的冷凝、上升段闪蒸以及气空间压力平衡等关系式,并考虑了热力不平衡等因素的影响,建立了一个完整的四方程漂移流模型,该模型适用于分析低压低... 详细信息

以5MW核供热堆试验回路(HRTL-5)为物理原型,从理论上推导了加热段欠热沸腾、上升段入口附近的冷凝、上升段闪蒸以及气空间压力平衡等关系式,并考虑了热力不平衡等因素的影响,建立了一个完整的四方程漂移流模型,该模型适用于分析低压低干度自然循环系统的流动问题。通过引入冷凝边界层,首次解决了两相流动过程中汽泡在过冷水中的冷凝问题,对汽空间则推导了压力及液位的约束方程。方程组可采用积分方法求解,并利用Rung-Kutta-Verner方法求解所得的微分方程组。

关键词：自然循环流动不稳定核供热堆漂移流模型

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高气压氦气平行极板击穿电压及场致发射的影响

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物理学报 2021年第13期70卷 222-231页

作者：杨初平耿屹楠王捷刘兴南时振刚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

本文建立了高气压下的氦气放电模型,通过与试验对比,验证了模型的有效性,并利用该模型对高气压下“场致发射”的影响进行了探讨.通过Fowler-Nordheim方程将电流密度转化为电子通量,并将电子通量添加到COMSOL相应的壁边界条件中进行仿真... 详细信息

本文建立了高气压下的氦气放电模型,通过与试验对比,验证了模型的有效性,并利用该模型对高气压下“场致发射”的影响进行了探讨.通过Fowler-Nordheim方程将电流密度转化为电子通量,并将电子通量添加到COMSOL相应的壁边界条件中进行仿真,在宏观层面(击穿电压)以及微观层面(空间电子密度)进行分析.研究发现,场致发射电流密度J由电场强度E、场增强因子以及金属逸出功W共同决定;β=300时场致发射的影响可以忽略,而对于β=400、电场强度10 MV/m以上的工况,场致发射对击穿的影响较大;对于以铜为平行平板电极的氦气击穿来说,电场强度E小于8 MV/m时可以忽视场致发射的作用;在微观层面上,场致发射能够给放电空间提供新的“种子电子”,进而提升整个空间的电子密度,使得粒子碰撞反应加剧,最终导致击穿.

关键词：场致发射氦气高气压击穿电压

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高压氦气平行极板击穿电压实验研究

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物理学报 2015年第10期64卷 115-122页

作者：岳姗刘兴男时振刚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

为获得高温气冷堆核电站电气设备绝缘设计所需基础数据,本文设计了一套测量高压氦气绝缘性能的装置.利用该装置进行了15—20℃,0.1—7 MPa氦气,间距0.25,0.35,0.5 mm平行极板击穿实验.实验表明:氦气的绝缘性能远低于空气;气压越高,氦气... 详细信息

为获得高温气冷堆核电站电气设备绝缘设计所需基础数据,本文设计了一套测量高压氦气绝缘性能的装置.利用该装置进行了15—20℃,0.1—7 MPa氦气,间距0.25,0.35,0.5 mm平行极板击穿实验.实验表明:氦气的绝缘性能远低于空气;气压越高,氦气的击穿电压越大,3.0 MPa氦气的击穿电压与常压空气基本一致;根据低气压实验数据和巴申定律推导的公式,在高气压下计算值偏大,且偏差随着气压和间距乘积的增大不断增大;提出了可计算0.1—7 MPa氦气击穿电压的简易公式,同时修正了高气压氦气的巴申公式,并进行了理论分析.

关键词：氦气巴申定律击穿电压高气压

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不同温度下高温纯化后球形燃料元件A3-3基体石墨的性能和微观结构

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新型炭材料 2021年第5期36卷 987-994页

作者：周湘文张凯红杨杨王磊张杰卢振明刘兵唐亚平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

为了研究高温纯化对高温气冷堆球形燃料元件用A3-3基体石墨的影响,对不同温度下纯化后A3-3基体石墨的综合性能和微观结构进行了对比分析和表征。结果表明,即使将纯化温度从1900℃降低到1600℃,高温纯化处理后基体石墨的综合性能均满足... 详细信息

为了研究高温纯化对高温气冷堆球形燃料元件用A3-3基体石墨的影响,对不同温度下纯化后A3-3基体石墨的综合性能和微观结构进行了对比分析和表征。结果表明,即使将纯化温度从1900℃降低到1600℃,高温纯化处理后基体石墨的综合性能均满足技术要求。X射线衍射分析结果表明,纯化后基体石墨的微观结构得到了显著提升,并且随着高温纯化温度的升高,基体石墨的石墨化有序度逐渐提高,其微观组织结构也逐渐优化,这有利于基体石墨综合性能的提升。当纯化温度从1600℃继续升高时,纯化后基体石墨的灰分和杂质含量基本保持不变,在更高温度下纯化后基体石墨的微观结构优化对改善其抗氧化腐蚀性能起到了决定性作用。因此,高温纯化工艺在球形燃料元件的生产中非常重要和必要。该研究也为未来将球形燃料元件的高温纯化温度从1900℃降至1600℃提供了重要依据,有助于在将来的球形燃料元件商业化生产中提高生产效率和降低生产成本。

关键词： A3-3基体石墨热导率腐蚀速率高温纯化灰分

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