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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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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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小型模块式反应堆螺旋管蒸汽发生器设计和热工水力分析

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原子能科学技术 2019年第12期53卷 2361-2366页

作者：赵孝张震杨星团姜胜耀屠基元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

近年来,国际上一体化小型模块式反应堆发展飞速,我国也正在加速研制一体化小型模块式反应堆。本文针对15 MW的一体化小型模块式反应堆,设计一种螺旋管式蒸汽发生器,共12个蒸汽发生器组件均匀分布在反应堆堆芯围板外侧和压力容器内侧壁... 详细信息

近年来,国际上一体化小型模块式反应堆发展飞速,我国也正在加速研制一体化小型模块式反应堆。本文针对15 MW的一体化小型模块式反应堆,设计一种螺旋管式蒸汽发生器,共12个蒸汽发生器组件均匀分布在反应堆堆芯围板外侧和压力容器内侧壁的环形空间中,每个组件含5层、25根螺旋管,整个蒸汽发生器共300根螺旋管。给出了蒸汽发生器的具体参数,分析了蒸汽发生器组件中换热系数、温度、温差和热流密度等沿管长的变化,并给出了螺旋管内流体的动力特性曲线。

关键词：一体化模块式反应堆螺旋管蒸汽发生器设计流动和换热

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自然循环熔盐球床堆中间换热器的优化设计

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清华大学学报（自然科学版） 2018年第5期58卷 445-449页

作者：薛春辉董玉杰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

核热泉堆是一种熔盐球床概念设计堆,具有满功率自然循环特性,中间换热器一次侧是一回路中除堆芯外主要的阻力来源。为降低中间换热器的阻力,提高换热效率,采用计算流体力学方法（CFD）对中间换热器单元流道的流动及其传热特性进行数值模... 详细信息

核热泉堆是一种熔盐球床概念设计堆,具有满功率自然循环特性,中间换热器一次侧是一回路中除堆芯外主要的阻力来源。为降低中间换热器的阻力,提高换热效率,采用计算流体力学方法（CFD）对中间换热器单元流道的流动及其传热特性进行数值模拟,并构建换热器翅片阻力因子、Colburn因子和综合评价因子的响应面,利用多目标遗传算法对翅片的尺寸进行优化设计,并根据优化后的翅片尺寸基于Aspen软件进行换热器优化设计。优化后的换热器体积减小了30%。

关键词：中间换热器熔盐球床堆多目标优化设计计算流体力学方法(CFD)

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HRTL-5自然循环稳态特性

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原子能科学技术 2008年第5期42卷 434-437页

作者：王建军杨星团姜胜耀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

基于一维两相四方程漂移流模型,采用数值模拟的方法对5 MW低温核供热堆热工水力模拟回路(HRTL-5)的自然循环稳态特性进行模拟,分析了HRTL-5自然循环流量特性及其参数效应。结果表明:1)漂移流模型比均相流模型更适用于HRTL-5;2)当系统压... 详细信息

基于一维两相四方程漂移流模型,采用数值模拟的方法对5 MW低温核供热堆热工水力模拟回路(HRTL-5)的自然循环稳态特性进行模拟,分析了HRTL-5自然循环流量特性及其参数效应。结果表明:1)漂移流模型比均相流模型更适用于HRTL-5;2)当系统压力为1.5 MPa时,系统自然循环流量随加热热流密度的升高而增加;3)当系统压力为0.5 MPa时,系统自然循环流量随加热热流密度的升高先增加后减小;4)自然循环流量随加热段入口欠热度的升高而减小;5)当加热热流密度较低时,系统自然循环流量随压力的升高而减小,当加热热流密度较高时,系统自然循环流量随压力的变化呈现复杂状况。

关键词：稳态特性自然循环两相流动 HRTL-5

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直流蒸汽发生器稳态与瞬态特性数值模拟

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核动力工程 2020年第6期41卷 8-13页

作者：赵孝白宇飞张震杨星团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

直流蒸汽发生器内二次侧流体被一次侧流体加热,其轴向热流密度分布与两侧流体运行参数密切相关。采用RELAP5/MOD4.0程序对直流蒸汽发生器的稳态与瞬态运行特性进行数值模拟研究,获取了直流蒸汽发生器热工参数的振荡特征,并进一步探究了... 详细信息

直流蒸汽发生器内二次侧流体被一次侧流体加热,其轴向热流密度分布与两侧流体运行参数密切相关。采用RELAP5/MOD4.0程序对直流蒸汽发生器的稳态与瞬态运行特性进行数值模拟研究,获取了直流蒸汽发生器热工参数的振荡特征,并进一步探究了一个周期内不同时刻的二次侧流体的质量流量、热流密度及管壁温度的瞬时轴向分布以及二次侧入口节流对流动振荡的影响。结果表明:对流加热工况下轴向热流分布主要取决于一次侧流体和二次侧流体之间的温差。当直流蒸汽发生器内发生密度波振荡时,一次侧出口温度及总加热功率均剧烈振荡。干涸点的位置大幅移动,且其附近的壁温强烈波动,可通过增大二次侧入口节流抑制流动振荡。

关键词：直流蒸汽发生器对流加热流动不稳定 RELAP5

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蒸汽发生器传热管密度波振荡现象研究

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核动力工程 2021年第1期42卷 8-14页

作者：刘萌萌张震杨星团姜胜耀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

蒸汽发生器传热管内伴有两相流的产生,研究两相情况下传热管内密度波不稳定现象,对控制核反应堆安全运行有着至关重要的作用。通过数值计算,研究了双侧对流换热条件下的传热管密度波震荡(DWO)现象。引用Babcock&Wilcox公司的直流式... 详细信息

蒸汽发生器传热管内伴有两相流的产生,研究两相情况下传热管内密度波不稳定现象,对控制核反应堆安全运行有着至关重要的作用。通过数值计算,研究了双侧对流换热条件下的传热管密度波震荡(DWO)现象。引用Babcock&Wilcox公司的直流式蒸汽发生器(OTSG)实验进行计算模型的可靠性验证;将传热管双侧对流换热与壁面均匀加热条件下的流动不稳定现象进行比较;分析管内流体加热段高度、流动方向变化时,不稳定边界的移动情况。结果表明,增加加热段高度、适当减少传热管水平方向倾斜角度(50°~90°内变化)可以增加系统的稳定性。该研究可以为螺旋管式蒸汽发生器设计提供参考。

关键词：双侧对流换热密度波振荡变高度变流动方向

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