铅铋-水反应实验的CFD预计算

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作者 邓畅 张林 刘晓晶 《核技术》 北大核心 2025年第3期145-154,共10页

铅铋堆蒸汽发生器发生传热管破裂事故(Steam Generator Tube Rupture,SGTR)后,二次侧高压过冷水将喷放进入一次侧的高温铅铋熔融物中。该现象可能的后果有铅铋凝固,压力波造成堆内构件损坏以及蒸汽迁移进入堆芯引入意外反应性。为了研... 铅铋堆蒸汽发生器发生传热管破裂事故(Steam Generator Tube Rupture,SGTR)后,二次侧高压过冷水将喷放进入一次侧的高温铅铋熔融物中。该现象可能的后果有铅铋凝固,压力波造成堆内构件损坏以及蒸汽迁移进入堆芯引入意外反应性。为了研究该过程,上海交通大学先进核能系统实验室搭建了大型铅铋-水反应实验装置台架。在实验开始前,针对该台架预先开展计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)计算以认识实验现象并确定实验工况。本文首先利用已有的实验数据进行方法验证,然后基于商用CFD软件Fluent建立了该实验装置的二维模型,开展了不同水进口速度、水进口温度和熔融物初始温度的多工况仿真研究。结果表明,射流过程可分为三个阶段,设计工况不会出现铅铋凝固。铅铋最低温度随着水的进口温度降低或其进口速度增大而降低。同时,蒸汽最大穿透深度随着水的进口温度升高或速度增大而增大。本研究取得的结论能够为拟开展的实验提供有力参考。 展开更多

关键词 铅铋-水反应 蒸汽发生器传热管破裂 数值模拟 参数分析

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面向核反应堆数字孪生的数据融合方法综述

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作者 宋美琪 陈富坤 刘晓晶 《核动力工程》 北大核心 2025年第2期14-37,I0003,共25页

核反应堆数字孪生的发展有望通过信息物理融合的实现提高核电厂的安全性与经济性,而数据融合问题是信息物理融合的核心问题。因此本文面向核反应堆数字孪生领域,从数据融合的定义、融合对象、融合层次、融合方法以及数字孪生与数据融合... 核反应堆数字孪生的发展有望通过信息物理融合的实现提高核电厂的安全性与经济性,而数据融合问题是信息物理融合的核心问题。因此本文面向核反应堆数字孪生领域,从数据融合的定义、融合对象、融合层次、融合方法以及数字孪生与数据融合的关系着手,进而从核反应堆数字孪生模型的构建、核反应堆设计与建造中的优化问题、核反应堆运行参数的反演与重构、核反应堆运行参数与剩余寿命的预测、核反应堆运行参数校准、核反应堆运行的反馈与控制、核反应堆的故障检测、识别与诊断以及核反应堆数字孪生其他方面的数据融合八个方面探讨了数据融合方法在核反应堆数字孪生的全生命周期中的应用与研究,从数据方面与融合方法方面指出当前研究存在的挑战,为未来核反应堆数字孪生发展过程中解决数据融合关键问题提供参考。 展开更多

关键词 数字孪生 核反应堆 数据融合 数据同化 人工智能

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基于有限体积法的中子扩散和输运算法开发

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作者 李卫 刘晓晶 +1 位作者 柴翔 赵鹏程 《核技术》 北大核心 2025年第1期162-175,共14页

随着核热耦合技术的发展,为了考虑多物理场之间的强耦合效应,实现高精度和大规模并行计算,有必要对多物理场守恒方程联立求解,统一处理建模、离散和迭代计算过程。本文基于开源计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)平台OpenF... 随着核热耦合技术的发展,为了考虑多物理场之间的强耦合效应,实现高精度和大规模并行计算,有必要对多物理场守恒方程联立求解,统一处理建模、离散和迭代计算过程。本文基于开源计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)平台OpenFOAM,使用有限体积法(Finite Volume Method,FVM)和高斯定理,对中子扩散和中子输运的控制方程进行离散,实现了对多群中子扩散方程和中子输运方程离散和迭代求解。中子输运方程的离散中使用离散纵标法对空间角度进行离散。为了验证开发程序的有效性,验证计算中采用包括国际原子能机构(International Atomic Energy Agency,IAEA)、TAKEDA和C5G7等在内的多个基准算例对开发的中子扩散和输运程序进行验证。通过对包括非均匀化堆芯基准问题在内的不同基准题中稳态和瞬态结果进行对比验证。验证结果表明:基于有限体积法可以同时实现对均匀化和非均匀化中子物理问题的精确求解,并且具有几何适应性强的特点。为未来实现统一编程框架下的物理与热工多物理场守恒方程的联立求解奠定了基础。 展开更多

关键词 有限体积法 中子扩散方程 中子输运方程 OPENFOAM

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新型搅混翼对燃料棒流致振动导致的微动磨蚀影响研究

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作者 袁硕 柴翔 +1 位作者 刘晓晶 何辉 《核技术》 北大核心 2025年第3期163-171,共9页

针对由形状记忆合金制作的新型搅混翼的强化换热效果及其影响下的燃料棒微动磨蚀问题,利用双向流固热耦合的方法模拟了新型搅混翼下的流场分布、压降损失及燃料棒受力情况,并建立了燃料棒受力的非线性振动模型,计算了燃料棒相对于定位... 针对由形状记忆合金制作的新型搅混翼的强化换热效果及其影响下的燃料棒微动磨蚀问题,利用双向流固热耦合的方法模拟了新型搅混翼下的流场分布、压降损失及燃料棒受力情况,并建立了燃料棒受力的非线性振动模型,计算了燃料棒相对于定位格架的微动磨蚀功率。结果表明:形状记忆合金搅混翼可不产生额外的压力损失而强化燃料棒与冷却剂间的传热;强化传热效果随着搅混翼的最大弯折角度的增大而增大;同时,燃料棒与定位格架间的微动磨蚀功率随着搅混翼的弯折角度增大而增大。 展开更多

关键词 形状记忆合金 搅混翼 流致振动 微动磨蚀 计算流体力学

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热释电钽酸锂涂层的制备与性能表征

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作者 马妙欣 刘晓晶 +1 位作者 陆祺 何辉 《核技术》 北大核心 2025年第1期192-200,共9页

船用反应堆和浮动式核电站由于海洋运动引起的壁面温度波动给两相传热系统的沸腾传热带来挑战。热释电材料钽酸锂(LiTaO_(3),LT)具有高热释电系数、高居里温度(650℃)以及低相对介电常数,温度变化而产生的热释电效应会对传热表面的浸润... 船用反应堆和浮动式核电站由于海洋运动引起的壁面温度波动给两相传热系统的沸腾传热带来挑战。热释电材料钽酸锂(LiTaO_(3),LT)具有高热释电系数、高居里温度(650℃)以及低相对介电常数,温度变化而产生的热释电效应会对传热表面的浸润性造成影响,将其应用于传热表面有望改善传热性能。本研究采用溶胶-凝胶法实现了LT的可控制备,并通过研究羟基自由基含量变化来探讨其对热释电性能及浸润性调控的机理。研究结果表明:LT的粒径随退火温度增加而增大,涂层厚度的增加和粒径的减小均有助于增强热释电性能。荧光光谱分析表明,LT在升温过程中羟基自由基含量随温度的升高而增加,同时LT在经历加热和冷却循环时具有对羟基自由基含量的调控能力。上述结果表明,LT涂层在两相变温传热系统中,具有调控传热表面浸润性的能力。 展开更多

关键词 热释电效应 钽酸锂 溶胶-凝胶法 浸润性温敏自调控

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摇摆条件下3×3棒束腐蚀产物沉积生长特性研究 被引量：1

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作者 王国莲 刘晓晶 何辉 《核技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第11期150-158,共9页

典型海洋摇摆对压水堆堆芯的热工水力特性有显著影响,从而导致一回路腐蚀产物的沉积生长规律发生变化。本文基于数据交换方法,通过多尺度耦合建立反应堆一回路系统模型,将摇摆条件下的冷却剂流动数学模型和腐蚀产物沉积生长模型加入模拟... 典型海洋摇摆对压水堆堆芯的热工水力特性有显著影响,从而导致一回路腐蚀产物的沉积生长规律发生变化。本文基于数据交换方法,通过多尺度耦合建立反应堆一回路系统模型,将摇摆条件下的冷却剂流动数学模型和腐蚀产物沉积生长模型加入模拟中,对摇摆条件下3×3棒束上腐蚀产物的生长过程进行了研究。结果表明,摇摆会导致冷却剂流速和棒外壁温发生周期性变化,流量脉动和温度波动会加剧摇摆切线方向上的剥蚀作用,削弱沉积过程。在轴向高度较低的通道截面上,靠近外围绝热壁面的棒表面上生长的多孔介质沉积层(Chalk River Unidentified Deposit,CRUD)最厚;在轴向高度较高的通道截面上,所有位置的棒上的CRUD分布规律趋于一致,并且在燃料棒周向的分布体现在极坐标系中呈现出趋近于椭圆形的规律。 展开更多

关键词 摇摆条件 多尺度耦合 CRUD生长 3×3棒束通道 热工水力特性

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高温液池水射流穿透深度的可视化实验研究 被引量：1

7

作者 邓畅 张林 刘晓晶 《核技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第12期113-120,共8页

铅基堆蒸汽发生器发生传热管破裂事故(Steam Generator Tube Rupture,SGTR)后,水将快速射流进入熔池中,伴随大量蒸汽产生,气泡可能进入反应堆堆芯从而影响反应堆的安全运行。水在冷却剂中的穿透深度是评估该过程的重要参数之一。本文设... 铅基堆蒸汽发生器发生传热管破裂事故(Steam Generator Tube Rupture,SGTR)后,水将快速射流进入熔池中,伴随大量蒸汽产生,气泡可能进入反应堆堆芯从而影响反应堆的安全运行。水在冷却剂中的穿透深度是评估该过程的重要参数之一。本文设计了一种过冷水向高温硅油液池中射流的实验系统,开展了可视化模拟实验,改变压力和喷嘴直径,观察射流在液池中的穿透行为,结合理论推导得到了新的无量纲穿透深度关联式,模型误差在30%以内。实验还发现了动量变化和沸腾换热的时空不均匀性对穿透深度有着重要影响。本文研究有助于加深对冷却剂-冷却剂作用(Coolant-Coolant Interaction)类型射流的理解,并可以进一步应用到水射流到重金属熔池的研究中。 展开更多

关键词 铅基堆 蒸汽发生器传热管破裂 穿透深度 可视化

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基于氧化腐蚀特性的铅铋堆单棒核-热-材耦合研究

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作者 季旭 柴翔 +1 位作者 张乐福 刘晓晶 《核技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第11期139-149,共11页

铅铋堆的氧化腐蚀受温度、氧浓度、时间等多因素影响,同时氧化层的生长也改变了堆芯热工水力和中子物理参数,因此,研究铅铋堆的氧化腐蚀场、热工水力场和中子物理场的耦合作用对铅铋堆应用有重要意义。本工作基于面向对象的多物理场仿... 铅铋堆的氧化腐蚀受温度、氧浓度、时间等多因素影响,同时氧化层的生长也改变了堆芯热工水力和中子物理参数,因此,研究铅铋堆的氧化腐蚀场、热工水力场和中子物理场的耦合作用对铅铋堆应用有重要意义。本工作基于面向对象的多物理场仿真环境(Multiphysics Object-Ori1ented Simulation Environment,MOOSE)搭建了核-热-材多物理场耦合框架,开展了单棒在基准工况下的核-热-材耦合分析,并研究了氧浓度对关键耦合参数的影响。结果表明:基准工况下氧化腐蚀10000 h后氧化层平均厚度约为10μm,燃料最大温升为16 K,k_(inf)下降10^(-4);氧浓度升高可以极有效地抑制磁铁矿溶解,但是对Fe-Cr尖晶石生长的促进作用较小。 展开更多

关键词 核-热-材耦合 氧化腐蚀 铅铋堆 面向对象的多物理场仿真环境

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BaTiO_(3)热释电薄膜制备及性能研究

9

作者 单玉昶 刘晓晶 何辉 《核技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第12期147-155,共9页

四方相BaTiO_(3)作为一种热释电材料,具有表面浸润性随温度而变化的性质,有望用在两相换热系统表面改善沸腾、提高换热效率。采用阳极氧化法制备了TiO_(2)纳米管,在此基础上利用水热合成法实现了BaTiO_(3)纳米管阵列薄膜的可控制备。通... 四方相BaTiO_(3)作为一种热释电材料,具有表面浸润性随温度而变化的性质,有望用在两相换热系统表面改善沸腾、提高换热效率。采用阳极氧化法制备了TiO_(2)纳米管,在此基础上利用水热合成法实现了BaTiO_(3)纳米管阵列薄膜的可控制备。通过调整氧化电压、NH4F浓度和氧化时间等参数,研究了纳米管的表面形貌和物相结构变化。结果表明:由于高电压导致电子电流增大,产生的氧气泡尺寸增大,纳米管的管径随氧化电压的增加而增加,管径分布在60~140nm,管壁厚度为10nm。增加NH4F浓度和氧化时间有助于TiO_(2)纳米管的形成。对钛片进行抛光处理可以显著提高氧化生成的纳米管阵列的平坦度。通过延长水热时间和增加高温退火处理,成功地将BaTiO_(3)立方相转换为具有热释电效应的四方相,且同较长水热时间的样品相比,经退火处理的样品具有更好的热释电性能。本研究结果为进一步研究阳极氧化TiO_(2)纳米管的生长机制,以及利用热释电材料自发极化强度变化来改善沸腾传热提供了参考价值。 展开更多

关键词 钛酸钡 阳极氧化 水热合成 纳米管薄膜 热释电性能

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基于仿真与测量数据间迁移学习的核电厂运行参数预测

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作者 浦克 宋厚德 +1 位作者 刘晓晶 宋美琪 《核动力工程》 北大核心 2025年第2期261-271,共11页

核电厂安全运行的关键是实现其运行参数的精准预测。近年来,数据驱动方法表现出了强大的预测能力,然而,测量数据的不充分限制了其预测性能。本研究将基于迁移学习框架,开发了一种以多组仿真工况预训练,再利用测量数据微调的预测模型构... 核电厂安全运行的关键是实现其运行参数的精准预测。近年来,数据驱动方法表现出了强大的预测能力,然而,测量数据的不充分限制了其预测性能。本研究将基于迁移学习框架,开发了一种以多组仿真工况预训练,再利用测量数据微调的预测模型构建方法。首先通过仿真数据训练门控循环单元(GRU)神经网络,再使用部分测量数据微调模型,以预测运行工况的未来状态。使用PKLⅢ热工水力台架的B3.1实验的测量数据,及与之相近的9组RELAP5仿真数据,验证了方法的可行性。运用该方法预测得出蒸汽压力、蒸汽温度、下降管流体温度、出口温度、入口温度和质量流量的相对误差分别能够达到0.358%、0.065%、0.020%、0.065%、0.028%和1.705%。最后通过5组数值实验对比说明了方法各模块的有效性。 展开更多

关键词 迁移学习 运行参数预测 门控循环单元(GRU)神经网络

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压水堆一回路污垢放射性分布预测模型

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作者 王世伟 刘晓晶 +1 位作者 张滕飞 何辉 《核技术》 2025年第4期112-120,共9页

为研究压水堆一回路堆芯污垢中放射性物质的产量和分布情况,以典型压水堆(Pressurized Water Reactor,PWR)一回路为研究对象,针对一回路中的放射性物质,建立了污垢沉积及放射性物质的产量分布预测模型。模型对污垢沉积和放射性物质的预... 为研究压水堆一回路堆芯污垢中放射性物质的产量和分布情况,以典型压水堆(Pressurized Water Reactor,PWR)一回路为研究对象,针对一回路中的放射性物质,建立了污垢沉积及放射性物质的产量分布预测模型。模型对污垢沉积和放射性物质的预测结果与污垢仿真程序CRUDSIM(Chalk River Unidentified Deposits SIMulation)的计算结果差异小于5%。在此基础上,分析了冷却剂流速、氢气含量和冷却剂入口温度的影响。结果表明:放射性物质的含量随堆芯冷却剂流速和氢气含量而增大,且对蒸汽发生器(Steam Generator,SG)中放射性物质含量的影响比堆芯分别高93.9%和10%。冷却剂入口温度增加8%时,放射性物质的含量减小9%,且对堆芯中放射性物质含量的影响比SG大19%。降低冷却剂流速和降低氢气含量有利于降低SG的放射性物质含量;提高冷却剂入口温度可以有效降低堆芯的放射性物质含量。 展开更多

关键词 压水堆 污垢 放射性 钴 水化学

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基于可解释机器学习的超临界流体传热特性预测与分析

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作者 李浩哲 宋美琪 刘晓晶 《核动力工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期63-74,共12页

超临界流体在拟临界温度附近发生剧烈的物性变化,传热特性难以准确预测。本研究采用可解释机器学习的研究方法预测并分析超临界流体传热特性。使用粒子群优化算法(PSO)搜索反向传播神经网络(BPNN)模型最优超参数,建立了超临界流体传热... 超临界流体在拟临界温度附近发生剧烈的物性变化,传热特性难以准确预测。本研究采用可解释机器学习的研究方法预测并分析超临界流体传热特性。使用粒子群优化算法(PSO)搜索反向传播神经网络(BPNN)模型最优超参数,建立了超临界流体传热预测模型,并与传统经验关联式进行了精度比较。使用SHAP可解释算法对BPNN模型进行了全局和局部解释,根据不同工况下特征重要度的变化发现超临界相关机理现象。结果显示,所建立的神经网络模型在测试集上的平均绝对百分比误差(MAPE)为1.4%,决定系数R^(2)为0.9992,与经验关联式相比,该模型具有更高的预测精度;对于垂直向上流动,浮升力效应在传热恶化工况中明显具有更高的特征重要度,是传热恶化行为发生的主要因素。因此,本研究建立的基于可解释机器学习的研究方法对进一步研究超临界流体传热特性具有一定的参考意义。 展开更多

关键词 超临界流体 可解释机器学习 传热预测

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