PWR堆本体及控制棒驱动机构泄漏监测系统取样管内18F微尘输运的特性研究

摘要

核电站反应堆一回路压力边界内含有高温、高压、具有很强放射性的冷却剂水。由于机械磨损及化学腐蚀的作用，一回路压力边界堆本体及控制棒驱动机构容易发生泄漏，一旦发生泄漏，一回路中的带有放射性的水进入安全壳中，造成环境污染，同时还会造成堆芯失水事故，影响核电站安全运行，因此反应堆一回路压力边界泄漏的监测十分重要。氟-18是一种具有β+衰变的核素，在一回路水中由核反应产生，浓度高，半衰期达109.7分钟，氟-18随冷却剂水泄漏后，被安全壳内的微尘吸附形成氟-18微尘。用该核素作为示踪剂，通过测量安全壳中氟-18的比放射性活度可以准确得到一回路压力边界的泄漏率，这是监测一回路压力边界泄漏率的新技术和新方法。通过氟-18微尘的沉降特性可以计算出其对应的传输效率，氟-18微尘传输效率对一回路压力边界泄漏率的确定具有重要的意义，进而为用于核电站泄漏在线监测装置氟-18监测仪的研制提供理论依据，因此氟-18微尘输运的特性研究必不可少。
　　本文归纳当前一回路压力边界泄漏的四种监测方法，并阐述国际上气粒多相流的应用领域、研究方法和研究现状。根据核电站实际情况，选取适当的研究模型，运算中经类比分析，对气相流场采用雷诺应力方程模型；对氟-18微尘受力情况在本课题研究条件下进行了分析、取舍，并构建了氟-18微尘的CFD模型；颗粒相模型的确定是课题研究的前提和保障，经类比分析采用遵循欧拉-拉格朗日方法的颗粒随机轨道模型，气固两相流控制方程的离散经比较选取控制体积积分法，速度及压力修正选取求解压力耦合方程的半隐式算法（SIMPLE），并选取QUICK求解的格式，压力项的处理采用Standard算法。基于该动力学模型，本文通过计算流体力学方法对二维和三维取样管内的气相流体进行了速度分布的模拟与分析，并对同一采样流量不同粒径、同一粒径不同采样流量的氟-18微尘在取样管内的运动轨迹、速度变化和沉降特性做了初步计算与分析，最终得出了不同采样流量下各粒径尺寸的氟-18微尘在核泄漏监测系统取样管内的传输效率。根据取样流量的范围，分别选用3种进口速度和5个粒径类型的微尘为运算工况。结果表明：同一入口速度下，氟-18微尘的粒径为0.1μm～5μm时，沉降趋势不明显，并且传输效率较高，随着粒径的增大微尘沉降趋势逐渐明显；氟-18微尘的粒径为5μm～20μm时，沉降趋势比较明显，并且传输效率较低。此外，对于同一粒径类型的氟-18微尘，随进口速度的减小，微尘沉降的趋势逐渐明显，并且传输效率随之降低。最后，根据得到的传输效率，采用最小二乘法拟合原理，分别求得传输效率关于微尘粒径、微尘初始速度的关系曲线。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究方法及研究内容

第二章 数学模型

2.1 计算流体力学求解的思想

2.2 气相流场的数学模型

2.3 颗粒相数学模型

2.4 本章小结

第三章 氟-18微尘的轨迹计算

3.1 氟-18微尘的运动方程

3.2 氟-18微尘轨迹的计算

3.3 氟-18微尘湍流扩散的数值模拟

3.4 边界条件

3.5 本章小结

第四章 控制方程的离散与求解策略

4.1 离散化的目的

4.2 常见的离散化方法

4.3 差分格式的选择

4.4 通量的离散化

4.5 差分方程的计算

4.6 气粒两相流的耦合运算

4.7 本章小结

第五章 氟-18微尘在泄漏监测系统取样管内输运的数值模拟分析

5.1 CFD模拟的技术路线

5.2 二维取样通道中氟-18微尘输运的数值模拟

5.3 三维取样通道中氟-18微尘输运的数值模拟

5.4 曲线拟合方程

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录 氟-18微尘在取样管内输运的数值模拟实现流程图

攻读学位期间发表的学术论文

致谢