丝网芯钠热管反应堆多尺度输热机理研究

热管冷却反应堆(简称“热管堆”)具有系统简洁、运行可靠、续航能力强等优点,能够有效解决微小型核动力装备的能源动力问题。

《丝网芯钠热管反应堆多尺度输热机理研究》围绕热管堆输热这一关键问题,从微观丝网吸液芯传热到宏观热管传热,再到整个热管堆系统传热三个不同层次开展理论和实验研究。解析了热管毛细微观机理与宏观热质输运特性,构建了从元件到堆芯及系统的分析方法,为热管堆微观传热传质与宏观运行特性分析提供了理论基础。

《丝网芯钠热管反应堆多尺度输热机理研究》适合高等院校核科学与技术等专业的师生以及科研院所相关专业的研究人员阅读,也可供从事热管堆等微小型核动力反应堆研究领域开发设计、建设与运行维护的工程技术人员参考。

马誉高，江西赣州人，2022年清华大学工程物理系博士毕业生（清华大学与中核集团核动力院联合培养），现已入职中核集团核动力院，从事反应堆科研设计工作。曾获北京市/清华大学优秀毕业生、国际核工程大会Best Paper Award和People Choice Award奖项、国家奖学金、蒋南翔奖学金等荣誉，博士论文获清华大学优秀博士论文。

　　深空、深海、深地领域蕴含重要战略空间和丰富资源，加快“三深”空间资源探测开发，研究核心关键技术装备，已成为当下重要的国际科技竞争制高点。“三深”空间环境复杂极端，常规能源供应方式（如化石燃料燃烧等）难以满足探索开发的能源保障需求。2018年，美国试验了一种革新性热管微型反应堆，这种反应堆采用固态反应堆设计理念，通过高温碱金属热管以非能动方式导出堆芯热量，除具备核能高功率密度、高可持续性、高可靠性等优点外，还具有系统简单紧凑、可静默运行、易无人化操控等固有技术优势。因此，热管堆被认为是解决“三深”领域探测开发稳定能源供应难题的理想选择。美国在该领域已实现原型堆验证，相比之下，我国还只有局部和零星的工作，距离工程应用还非常遥远。在当前国际形势与科技竞争激烈的现实情况下，研究热管堆对维护我国海洋主权、深空及深地安全等都有着极为特殊的意义。

　　马誉高的博士学位论文围绕热管堆输热这个关键问题，从微观丝网吸液芯传热到宏观热管传热，再到整个热管堆系统传热三个不同层次开展理论和实验研究。解析了热管毛细微观机理与宏观热质输运特性，构建了从元件到堆芯及系统的分析方法和分析程序，为热管堆微观传热传质与宏观运行特性分析提供了理论基础和工具，对我国热管堆技术发展和实体堆研发均具有重要意义。

　　本书的主要创新性成果包括：

　　1. 提出了毛细边界层的模型和丝网芯毛细输热模型，揭示了分子间作用力与表面张力在气、液、固三相接触位置的竞争机制和丝网芯的跨尺度特征，加深了对热管内毛细循环输热机理的认识。

　　2. 通过模拟分析和实验对比验证，对丝网高温热管毛细极限相关的间歇沸腾振荡、启动过程等进行了深入细致的分析和研究，提高了对热管运行特性的理解。

　　3. 研究了热管堆系统耦合分析方法，建立了核热力电耦合分析平台，形成了自主化热管堆系统分析工具。重点对热管失效等事故场景进行分析，得到了热管堆的失稳判定方法。

　　我相信本书的出版一定会增强读者对热管堆输热中关键模型及方法的认识。

黄善仿

2023年3月于清华园

第1章引言

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1热管毛细芯研究现状

1.2.2碱金属热管研究现状

1.2.3热管堆系统输热研究现状

1.2.4研究现状小结

1.3研究内容

1.4组织结构

第2章丝网芯毛细动力学实验研究

2.1本章引论

2.2丝网芯毛细动力学实验方案

2.2.1丝网芯毛细动力学实验装置

2.2.2实验样品制备与实验流程

2.2.3实验测量参数与不确定度分析方法

2.3水平堆叠丝网毛细动力学实验结果分析

2.3.1钠在丝网内浸润前毛细动力学现象与分析

2.3.2钠在丝网内浸润后毛细动力学现象与分析

2.3.3不同目数丝网的毛细动力学现象与分析

2.4竖直平板多层丝网内毛细流动阻力实验结果分析

2.5钠在丝网表面毛细浸润动态过程中的可视化实验研究

2.5.1钠在丝网表面毛细浸润动态过程中的可视化实验设计

2.5.2钠在丝网表面毛细浸润动态过程中的可视化实验结果分析

2.6本章小结

第3章丝网芯毛细输热理论研究

3.1本章引论

3.2丝网芯毛细输热模型

3.2.1毛细边界层定义

3.2.2毛细边界层控制方程

3.2.3毛细边界层外的毛细液膜控制方程

3.2.4毛细边界层内外界面连续性方程

3.3丝网芯毛细输热模型验证

3.3.1毛细边界层模型验证

3.3.2丝网芯钠毛细提升过程理论分析

3.4丝网芯毛细力与输热特性分析

3.4.1钠工质与低温工质毛细力与输热特性对比

3.4.2丝网芯单元边长和丝径对毛细力及输热的影响

3.4.3丝网芯内液位高度对毛细力及输热的影响

3.5本章小结

第4章碱金属热管输热模型研究

4.1本章引论

4.2碱金属热管输热模型

4.2.1碱金属热管模型控制方程

4.2.2气液界面热质耦合方程

4.2.3毛细力与流动阻力平衡方程

4.2.4模型边界条件与求解

4.3碱金属热管输热模型验证

4.3.1基于CFD的热管模型流场验证

4.3.2基于文献实验的热管模型温场验证

4.4碱金属热管输热过程的模型分析

4.4.1热流密度对热管输热的影响

4.4.2热流密度分布对热管输热的影响

4.4.3冷端换热边界对热管输热的影响

4.4.4长径比对热管输热的影响

4.5本章小结

第5章钠热管瞬态输热特性研究

5.1本章引论

5.2实验装置系统

5.2.1空气自然冷却实验系统介绍

5.2.2强迫冷却实验系统介绍

5.2.3实验测量参数与不确定度分析方法

5.3钠热管启动实验研究

5.3.1热管冷态启动过程

5.3.2倾角对热管启动与传热性能的影响

5.3.3热管启动过程中的间歇沸腾现象

5.4钠热管毛细极限实验研究

5.4.1高热流密度下的毛细极限

5.4.2高加热速率下的毛细极限

5.4.3负倾角下的毛细极限

5.4.4正倾角下的干涸极限

5.4.5四类毛细极限现象的比较分析

5.5钠热管输热实验模型验证

5.5.1启动输热实验的模型验证

5.5.2毛细极限实验的模型验证

5.6钠热管毛细极限的模型分析

5.6.1运行倾角对毛细极限的影响

5.6.2热流密度对毛细极限的影响

5.6.3丝网芯结构对毛细极限的影响

5.7本章小结

第6章热管堆系统输热特性研究

6.1本章引论

6.2热管堆系统输热分析方法

6.2.1堆芯稳态核-热-力耦合方法

6.2.2堆芯瞬态功率方程

6.2.3堆芯瞬态分区域多通道热力耦合方法

6.2.4基于多方过程的开式布雷顿循环集总参数模型

6.2.5热管堆系统输热分析方法分部验证

6.3热管堆启堆输热特性研究

6.3.1旋转鼓匀速转动下的启堆输热分析

6.3.2旋转鼓间隔转动下的启堆输热分析

6.4热管温度振荡对热管堆输热特性影响分析

6.5热管失效事故下反应堆输热特性研究

6.5.1局部热管失效事故反应堆输热分析

6.5.2级联热管失效事故反应堆输热分析

6.6本章小结

第7章总结与展望

7.1总结

7.2创新点

7.3展望

附录A丝网芯阻力系数确定

附录B碱金属热管输热模型计算流程

附录C热管堆稳态核热力耦合原理与计算方法

附录DMegaPower热管反应堆建模参数

参考文献

在学期间学术成果

致谢