高温气冷堆石墨粉尘在蒸汽发生器管束区的沉积及其与裂变产物输运的耦合研究

The generation and transport of graphite dusts are unique problems for high temperature gas-cooled reators (HTGR). The deposition of graphite dust on steam generator (SG) tubes is directly coupled with the plate out of fission products, which significantly affects the distribution of radionuclides in the primary loop and source terms for accidents. Therefore it is of great importance to understand the underlying physics that controls the deposition of graphite particles on SG tubes. The particle deposition is affected by both particle-fluid interaction and particle-wall impaction. At flow field scale, this work will investigate the effects of flow structures on particle deposition including particle-vortex interaction, near-wall fluctuations and boundary layer profiles. At particle scale, the critical adhesion velocity will be studied by both single particle impaction experiments and FEM/DEM simulation. By combining these two parts we hope to establish reliable quantitative models to describe graphite dust deposition and coupling with fission product transport in HTGRs.

石墨粉尘的产生和输运是高温气冷堆的特有现象。石墨粉尘在蒸汽发生器换热管附近的沉积直接与游离态裂变产物的析出相互耦合，影响放射性核素在一回路内的分布和事故源项，因此对反应堆的运行、维护和检修具有重要意义。传热管束区颗粒的沉积现象既与流场参数相关，又受颗粒-壁面相互作用影响很大，因而需要综合考虑宏观非定常流场中气固相互作用和石墨颗粒碰壁后动力学行为。本课题拟结合高温气冷堆蒸汽发生器氦气侧流动的特有规律和石墨粉尘颗粒碰壁的动力学特性展开研究，流场尺度上关注颗粒-涡相互作用、近壁区速度脉动和边界层内流场对颗粒碰壁概率的定量影响，颗粒尺度上通过石墨单颗粒碰壁实验和有限元/离散元方法研究颗粒的临界粘附速度最后两者结合，建立准确描述石墨粉尘在蒸汽发生器附近输运和沉积的物理模型，进而获得石墨粉尘在换热管束间的沉积分布规律，并为更好地理解蒸发器附近裂变产物输运和累积与石墨粉尘运动的耦合提供基础。

石墨粉尘问题是球床式高温气冷堆的特有问题。由于与裂变产物紧密耦合，研究蒸汽发生器换热管束上和进水事故时安全壳内的石墨粉尘输运沉积行为，对反应堆的安全分析和源项评估有着重要意义。课题主要分为基础和应用研究两部分。在基础研究部分，针对非球形颗粒-壁面相互作用，通过单颗粒碰壁实验测量了石墨颗粒临界粘附速度和恢复系数。提出了适用于非球形粘附性颗粒碰壁的有限元模型，在网格尺度对颗粒碰壁过程进行数值计算。开展数值实验，首次提出了多物理机制下球形颗粒碰壁临界粘附速度和恢复系数的显式关联式，与大量经典实验数据吻合非常好。针对颗粒-流体相互作用，通过颗粒自由沉降实验直接测量了四种石墨单颗粒和聚集体沉降速度和曳力系数，修正了经典斯托克斯定律。在应用研究部分，首先，本课题模拟了石墨颗粒在蒸汽发生器换热管束上的输运沉积过程，确定了惯性和热泳等不同沉积机制的作用范围，获得了石墨颗粒的沉积率分布以及雷诺数、温差、管排结构等不同参数的影响规律。第二，本课题采用重悬浮实验和模拟方法研究了高温烧结作用对颗粒重悬浮特性的影响，获得了烧结温度、烧结时间和粒径对重悬浮份额的影响规律，揭示了不考虑高温烧结作用可能会高估石墨颗粒的重悬浮份额。第三，本课题探索了进水事故超压泄放时石墨颗粒的碰壁和破碎行为，获得了不同粒径石墨颗粒的临界破碎速度和破碎概率分布，以及进入安全壳内石墨气溶胶的初始粒径分布。最后，本课题模拟了HTR-PM和HTR-PM600进水事故时安全壳内石墨气溶胶的输运沉积行为，获得了石墨颗粒沉积和泄露速率随时间的演化关系，以及总的沉积、悬浮和泄露份额。此外，课题还探究了泄放方向和位置对颗粒输运沉积行为的影响，对优化超压泄放出口结构设计具有重要意义。本课题发表SCI论文10篇，EI论文4篇，授权发明专利1个，培养博士生4名，硕士生1名。