论文题目: 中国先进研究堆冷中子源慢化包含气率及其结构优化研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 动力工程及工程热物理
作者: 李小明
导师: 冯全科
关键词: 中国先进研究堆,冷中子源,慢化包,含气率,慢化剂
文献来源: 西安交通大学
发表年度: 2005
论文摘要: 中国先进研究堆(China Advanced Research Reactor,简称“CARR”)是中国原子能科学研究院计划于2006年建成的一座核功率达60MW的多功能研究型反应堆,该堆芯的最大中子注量率可达1×1015n/(cm2·s)。冷中子源(Cold Neutron Source,简称“CNS”)系统是CARR中子散射试验的重要组成部分。该系统用于将来自于反应堆堆芯的中子束进行慢化处理,使其速度降低,密度增加,获得冷中子。这种中子是在分子原子水平上研究物质结构和微观运动规律的理想工具。然而CARR堆核功率高,能设计的国家只有美、俄、德、日、法等,可供参考的资料很少。因此本文对冷中子源设计中的两个关键问题——慢化包(俗称冷包)内气液两相氢含气率和慢化包结构优化进行了研究。并对与设计密切相关的几个问题如气泡上升速度的物性影响因素,含气率的物性影响因素等进行了研究。1)对各种慢化包结构进行比较和优化,选择中空圆柱型带氦助冷、液氢层为月牙形的双层冷包结构作为CARR的冷包。此种冷包对核发热有一定程度的减小,对冷中子亮度有较明显的增加,含气率也较低。2)首次对中空圆柱型带氦助冷、液氢层为月牙形的双层冷包结构采用商业软件进行了强度计算,对应力集中处提出补强措施。通过补强,冷包各部分应力均限定在额定的范围内。3)建立了单气泡上升速度实验台,对不同物性条件下的气泡上升速度进行了测量,以确定气泡上升速度和工质物性的关系。经过研究首次提出,气泡的上升速度取决于液相表面张力与密度的比值,此比值越大,气泡上升速度越大。4)采用有机玻璃制作了一个冷态的模拟冷包,通过鼓入空气量来模拟产气量,在具有不同物性的工质中进行实验,以找出物性对含气率的影响因素,为选取合适的模拟工质进行沸腾含气率实验提供理论依据。通过实验和分析首次提出液相的表面张力与密度的比值是含气率的物性决定因素,此比值越大,含气率越低。R113的表面张力与密度的比值低于液氢的相应值,因此可以选用R113作为两相氢循环试验的模拟工质进行循环试验,而且结果偏于保守。5)首次在国内制作了两套完整的气液两相循环模化试验系统。其中一套的冷包为中空圆柱型不带助冷通道;另一套的冷包为中空圆柱型带助冷通道,液氢层为月牙形。通过这两套系统在国内首次揭示冷包液位的变化规律,气液两相氢循环热物理工作过程自调节规律,以及冷包含气率大小数据。6)对中空圆柱型不带助冷通道的冷包和中空圆柱型带助冷通道、液氢层为月牙形的双层冷包循环系统进行了理论分析和计算。发现只要合理控制其中的参数,便可以实现杯芯内为氢气,杯芯外为沸腾两相氢的设计预想,并通过实验证实在启动阶段冷包的杯芯中能迅速产气,并很快形成杯芯中含气体、环腔内含两相氢的慢化剂结构型式。
论文目录:
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 冷中子源相关技术国内外研究现状
1.2.1 中子及中子源的发展
1.2.2 冷中子源及其应用
1.2.3 冷包结构的研究
1.2.4 含气率的研究
1.3 CARR冷中子源系统
1.4 本文主要工作
2 冷包结构优化及强度计算
2.1 冷包材料的优化选择
2.2 冷包形状的优化选择
2.2.1 冷包形状分类
2.2.2 冷包形状的初步确定
2.2.3 冷包优化选择
2.3 冷包强度计算
2.3.1 冷包强度计算初始参数
2.3.2 冷包强度的有限元分析
2.3.3 减小包体应力与补强措施
2.4 本章小结
3 冷包内气液两相含气率的物性影响因素模化研究
3.1 气泡在不同液体中的上升速度实验研究
3.1.1 实验系统与方法
3.1.2 红外对管测量原理与电路
3.1.3 气泡上升速度计算
3.1.4 实验结果及分析
3.1.5 气泡上升速度拟合
3.2 含气率的物性影响因素研究
3.2.1 实验系统与方法
3.2.2 含气率测量方法
3.2.3 实验结果及含气率的物性影响因素分析
3.3 本章小结
4 冷包内气液两相氢含气率的模化实验研究
4.1 类似ORPHEE型冷包内R113 沸腾含气率模化实验研究
4.1.1 实验系统
4.1.2 差压液位法测量含气率的原理
4.1.3 实验参数的测量
4.1.4 实验方法及步骤
4.1.5 实验结果及分析
4.2 CARR CNS冷包内R113 沸腾含气率模化实验研究
4.2.1 实验系统
4.2.2 实验结果及分析
4.3 本章小结
5 冷包杯芯内氢的状态研究
5.1 概述
5.2 类似ORPHEE型冷包杯芯内氢的状态研究
5.2.1 理论分析
5.2.2 实验验证
5.3 CARR CNS冷包杯芯内氢的状态研究
5.3.1 杯芯内氢的状态计算及分析
5.3.2 模化实验系统
5.3.3 模化实验结果及分析
5.4 本章小结
6 结论
致谢
参考文献
附录 实验结果的不确定度分析
攻读博士学位期间发表的论文
发布时间: 2008-10-09
参考文献
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