文档介绍：正国外核动力第期
超临界流体的自然循环传热
和流动稳定性研究
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.美国威斯康星州麦迪逊大学;.美国阿贡国家实验室
摘要:美国威斯康星州麦迪逊大学建造了一条超临界水/路,阿贡国家实验
室建造了一条超临界二氧化碳回路。为了研究超临界流体的自然循环传热和
流动稳定性,已经开始了实验、理论和数值分析方面的工作。本文给出了回路设计的详细资
料。初步计算了回路的垂直和水平加热器的传热系数,开发了一套数学计算方法来帮助
设计这些设备的参数、计算传热系数以及研究可能发生的自然循环流动不稳定性。
关键词:超临界水;稳定性;传热;第代反应堆
引言
与当前的轻水反应堆相比较,下一代第代核反应堆应该着眼于提高安全
性、充分降低发电成本、提高防扩散能力和降低废物产量,从而增强可持续性。在广泛
采用的成功经验基础上,应用超临界水作为冷却剂的直接循环反应堆的热效率将
比现有装置高%,并能使装置得以简化。
这样,可能将热效率提高到%,也就意味着可以显著降低燃料和成本。同样,对
于给定的电功率输出,热效率较高意味着衰变余热率低,可以减少对堆芯应急冷却系统
的要求。在该概念堆型中,正常工况下冷却剂无需经历任何相变。因此,不再需要汽水
分离系统蒸汽分离和干燥器和类似于沸水堆的再循环泵。这使反应堆压力容器更加简
洁、紧凑。堆芯冷却剂可以直接驱动涡轮,取消了蒸汽发生器和稳压器。在高温下超临
界流体呈现出特别大的比容,使得堆芯冷却剂的平均密度低至/。利用该特性,
可以设计出快中子谱堆芯或需要额外慢化剂的热中子谱堆芯,从而有效地燃烧锕系元素
来自的使用过的燃料,或者使其保持较高的转化比,获得较长的换料循环。因为
堆芯冷却剂经历了一个大的温度变化进出口温度从℃变化到,其名义流动速
度将明显比的低。因此,压降降低,泵驱动功率减小。因为冷却剂具有特别大的
焓变化,所以在大反应堆热功率比如:下也可以采用两环路的系统,这样一
回路系统的冷却剂总量降低,安全壳更紧凑。总之,超临界水反应堆有很多益处。然而
由于缺少超临界水在发电设备中的应用的相关知识,妨碍了可靠地建设超临界反应堆的
工作。
本文包括个相关但不相同的领域。第一,不管是自然流动还是强迫对流,超临界
水条件下的传热系数仅靠经验公式获得,对其机理的了解还不够清楚。现有的试验数据
很分散,导致经验公式之间的差异可以达到%。第二,在次临界和超临界区域有时
存在着由热效应引起的流动不稳定性和振荡性。然而,这些情况下的数据极其稀少。强
迫对流热不稳定性的大部分可用数据似乎仅限于低温流体,如超导磁体系统的氦,将这
些数据应用于超临界水反应堆是否合理还存在疑问。自然流动热不稳定性的相关数据似
乎更有限。该领域最有意义的研究之一是世纪年代初期在美国阿贡国家实验室对
超临界氟利昂进行的试验。这些数据仅限于超临界区域中很窄的一部分,不包括穿越拟
临界温度的区域。下面讨论了美国阿贡国家实验室和美国威斯康星州麦迪逊大学在这些
领域里进行的相关课题,并描述了实验和分析。需要注意的是,在本篇论文里还会提及
一些其他的观点,以使任何反应堆概念切实可行,然而这并不是本文所要讨论的
重点。
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