高温反应堆用20kW印刷电路换热器失效特性研究

摘要: 背景：基于独特的微通道设计，印刷电路热交换器（PCHE）具备强大的换热效率，因此PCHE正逐步考量应用于高温反应堆中。然而PCHE在高温和高压的极端条件下运行时，若管理不当可能导致其结构失效。目前PCHE技术的成熟度较低，因而需要对其失效特性进行详细分析以确保其在核系统中的可靠运行。目的：本工作旨在设计一款20kW的PCHE，并探究其在高温高压环境下可能的失效模式，深入研究并探讨旨导致PCHE失效的可能因素，并提出增强PCHE在核应用中安全性和可靠性的策略。方法：本工作包含了20kW PCHE的设计及其在模拟高温高压条件下的结构完整性分析，提出了一种分区均质化方法来简化换热器芯体复杂的微通道结构，便于数值模拟。研究采用有限元分析，所建立模型包含有61017个单元用于模拟固体域内的温度场和应力分布，同时考虑了温度和压力在微观和宏观尺度上的影响以全面展示PCHE的热学和力学行为。并且，所建立模型考虑了所涉及材料的热力和力学性质，确保PCHE在极端条件下性能的准确表现。结果：数值模拟在热侧入口处的固体区域宏观温度梯度达到最高2.7°C/mm，这表明PCHE因存在热应力导致失效的高风险，并且冷热流体之间的温度分布不均匀，在出口处观察到最大温差为100°C，这种不均匀性暗示了可能的失效热点，热应力可能在此集中。此外，用于构建PCHE的合金617在850°C下出现了明显的蠕变行为，结果表面焊缝样品的蠕变寿命明显短于基材，验证了焊缝接头长期热暴露的脆弱性。研究还确定了应力集中最高的区域，这对于解释疲劳和蠕变效应的潜在可能性十分重要。结论：虽然PCHE提供了卓越的热力性能，但在高温和高压的极端条件下，其结构完整性需要谨慎考量。对于本工作中已识别出的特别容易发生失效的关键区域，如热侧入口和焊缝接头，其应成为设计改进的重点。本研究的发现为PCHE安全性评估的进一步研究奠定了基础，强调了为应对高温反应堆下的极端条件，PCHE需要坚固的材料和结构设计。本工作中详尽的分析有助于更广泛地理解PCHE的失效机制，支持开发更可靠和安全的换热器技术用于核应用，并且本工作结合设计、模拟和材料分析的综合性方法为关键的核技术领域研究提供了指导。