高温气冷堆串列管系边界层内石墨粉尘关键起尘机理研究

The resuspension characteristics of graphite dust in High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR) is a key issue for the radioactive leakage in accident conditions. This study will investigate the adhesion mechanism between the graphite dust and the wall or the particles, the mechanism of the aerodynamic force on the graphite dust and the resuspension mechanism and laws of the graphite dust in the boundary layer within the inline tubes structure. Atomic force microscopy will be used to measure the distribution of adhesion force between the graphite dust and the wall or the particles. Particle Image Velocimetry (PIV) system, hot-wire anemometer system and numerical simulation method will be used to study the spatial structures and temporal evolutions in the turbulent boundary layer of the inline tubes structure. Detailed information about the turbulent field will been used for further analysis of the aerodynamic force on the graphite dust. An optical microscope combined with a digital camera system and a numerical simulation method based on the force/torque balance theory will be used to investigate the resuspension behavior of graphite dust in the boundary layer within the inline tubes structure. The purpose of this study is to establish a model for analyzing the graphite dust resuspension behavior in the steam generator of HTGR. The expected results will provide a theoretical basis for the safety analysis of HTGR, and it also will have significant value for improving the reliability and safety of HTGR.

高温气冷堆中石墨粉尘的起尘特性是关乎事故工况中放射性泄漏的关键问题。本课题围绕石墨粉尘与壁面以及颗粒之间相互作用的粘附力机理、串列管系边界层内石墨粉尘气动力微观机理以及石墨粉尘重悬浮机理和规律这三个关键科学问题开展深入的研究。拟采用原子力显微镜研究分析石墨粉尘与壁面、颗粒与颗粒之间相互作用粘附力的微观作用机理；采用PIV及热线测量等手段，结合数值模拟研究，获悉串列管系湍流边界层内流场中拟序结构的空间特征和时间演化特征，探究作用在石墨粉尘上的气动力的微观机理和分布；采用显微高速摄像系统、基于力/力矩平衡理论的数值计算方法分析研究串列管系边界层内石墨粉尘的重悬浮机理。最终建立起描述高温气冷堆蒸汽发生器中石墨粉尘的起尘理论。预期研究结果为高温气冷堆安全分析提供理论依据，对进一步提高高温气冷堆的可靠性和安全性具有重要意义。

高温气冷堆是具有固有安全性的第四代先进核反应堆，但在失压失冷事故造成的携带放射性的石墨粉尘由一回路系统向外界环境的释放仍是核安全研究中重要的问题，其中，串列管系结构中石墨粉尘的起尘特性是关乎事故工况中放射性泄漏的关键问题。.本课题针对石墨粉尘起尘过程中石墨粉尘与壁面相互作用机理、湍流边界层内粉尘气动力微观机理以及石墨粉尘重悬浮机理等关键科学问题，采取理论分析、实验研究和数值模拟相结合的技术路线开展了深入研究。通过基于振动信号和可视化结合的实验，揭示了石墨燃料元件的磨损特性及石墨粉尘产生机理，提出了石墨粉尘产生的多因素机理模型；采用“原子力显微镜测量+连续接触力学和分子间作用力理论耦合计算”的方法对石墨粉尘与反应堆壁面之间的粘附行为进行了研究，建立了石墨粉尘颗粒与反应堆壁面粘附作用模型；深入研究了非球形石墨粉尘颗粒的运动特性以及滑移效应，揭示了湍流和大温度梯度条件下石墨粉尘的运动行为，探究作用在石墨粉尘上的气动力的微观机理和分布；发展了单层和多层颗粒重悬浮模型，建立高温气冷堆中石墨粉尘的重悬浮分析模型，实现了高温气冷堆破口失压事故下石墨粉尘排放行为的可靠预测。.研究成果共发表论文32篇，其中SCI期刊论21篇，授权国内发明专利1项。获得中国颗粒学会自然科学二等奖1项，教育部重点实验室优秀论文奖1次，国际会议Best Paper奖励2篇次，清华大学优秀硕士论文奖1篇，清华大学实验技术成果奖二等奖1项，中国颗粒学会优秀报告奖1次。课题负责人入选中核集团青年科技创新“箐英人才”计划，项目组成员受邀做国际会议大会报告1次。研究成果揭示的石墨粉尘传输特性机理成功应用于指导高温堆放射性粉尘的在役检查和放射性源项研究，并进一步成功应用于我国重大专项高温气冷堆示范工程的核安全评审中源项研究。