自然循环铅合金冷却反应堆主换热器的热工水力优化分析研究

摘要

自然循环铅合金冷却反应堆具有良好的中子、热工水力性能和固有安全特性，已成为第四代核能系统发展与研究的方向。主换热器是铅合金冷却反应堆中关键的热传输设备，同时也是防止一回路放射性冷却剂外逸的一道安全屏障，此外，换热器结构设计合理性也将直接影响反应堆安全性及经济性。本文在对国内外换热器结构设计充分调研基础上，选择了一种适用于自然循环铅合金冷却反应堆的主换热器方案，并采用性能评价指标对其主换热器结构设计进行热工水力分析及优化。
　　自然循环铅合金冷却反应堆的主换热器在设计过程中综合考虑了可行性、安全性及经济性，采用管壳式结构方案，并采用直管、双层管作为换热管，该设计方案不但可以满足一回路自然循环的需求，同时也可降低换热管破口事故发生的概率。主换热器主要由管束、压力腔室、排放室、中心下降管、壳体、屏蔽部件等组成。
　　双层管间的接触热阻是影响换热器传热性能的重要因素，第三章主要研究了接触热阻对换热器传热性能的影响作用，从材料、公差配合度、粗糙度对接触热阻及主换热器传热性能的影响进行了分析研究，最后提出双层管加工优化方案。研究表明:双层管采用316L不锈钢，加工时配合公差选取IT6等级，表面粗糙度Ra在0.012～6.3μm范围内时，可降低接触热阻阻值，提高主换热器的换热性能。
　　本文最后对自然循环铅合金冷却反应堆的主换热器进行了热工水力优化分析，采用JF因子评价法分别从换热管长度、外径、壁厚、管间距四方面对换热器性能进行评价分析。为进一步研究上述四个结构参数对主换热器性能的影响程度，本文采用CR因子确定每个影响因素的贡献比，发现换热管管长是影响换热器性能的关键因素。此外，考虑到换热器建造成本，进一步采用成本-效益比(CER)对主换热器的整体性能进行分析评价，得到整体性能最优时的结构参数。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 核能利用现状及发展简介

1．1．2 液态重金属反应堆介绍

1．2 发展现状

1．2．1 液态重金属反应堆发展现状

1．2．2 铅合金冷却反应堆主换热器研究现状

1．3 研究目的和意义

1．4 论文主要内容与结构

第二章 主换热器结构设计

2．1 反应堆冷却剂系统方案概述

2．2 主换热器设计方案选择

2．2．1 设计目标与原则

2．2．2 方案选择说明

2．3 主换热器设计计算

2．3．1 设计过程

2．3．2 传热计算

2．3．3 对流换热系数计算

2．3．4 单相流压降计算

2．3．5 局部压降计算

2．4 主换热器方案与参数确定

2．4．1 初步结构参数确定

2．4．2 管束及管板

2．4．3 中心下降管

2．4．4 排放室与压力腔室

2．4．5 壳侧进出口窗及导流筒

2．4．6 屏蔽部件与保护套筒

2．5 小结

第三章 双层管接触热阻研究及优化方案

3．1 接触热阻及计算模型介绍

3．1．1 接触热阻介绍

3．1．2 复合圆筒体接触热阻模型介绍

3．2 接触热阻的影响因素分析

3．2．1 温度及材料对接触热阻的影响

3．2．2 公差配合度对接触热阻的影响

3．2．3 表面粗糙度对接触热阻的影响

3．3 双层管加工方案的优化

3．3．1 材料选择

3．3．2 公差配合度优化

3．3．3 表面粗糙度优化

3．4 小结

第四章 主换热器性能评价及热工水力分析

4．1 换热器性能评价标准

4．1．1 JF因子

4．1．2 贡献比CR

4．1．3 成本-效益比CER

4．2 主换热器性能影响因素研究

4．2．1 长度对换热器性能影响

4．2．2 外径对换热器性能影响

4．2．3 壁厚对换热器性能的影响

4．2．4 间距对换热器性能影响

4．3 主换热器几何尺寸优化

4．3．1 综合性能优化

4．3．2 整体性能优化

4．3．3 优化方案对比分析

4．4 小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与获奖情况