分类： 核科学技术 >> 核科学与技术 提交时间： 2024-07-22
摘要： 背景：高温反应堆（HTRs）代表了第四代核技术的重要进步，其核心出口温度超过900°C。HTRs中的中间换热器（IHX）在将热量从一级回路传输到二级回路中起着至关重要的作用。然而，HTRs中IHX的技术仍处于开发阶段，这对HTRs的进步构成了重大挑战。微通道热交换器（MCHEs）因其紧凑的设计和高热效率，正在成为IHX应用的有前途的解决方案。MCHEs在高于750°C的温度下运行，根据ASME III-5标准被归类为A级组件，需要进行严格的结构安全性和完整性评估。目的：本研究的目的是评估高温MCHEs在循环条件下的安全性能。研究的重点是制定系统的方法来评估应力、应变以及疲劳损伤和寿命预测，遵循ASME III-5标准和N-898号案例。方法：本研究采用全面的有限元建模方法来分析定制设计的MCHE的宏观和微观行为。模型考虑了氩弧焊和扩散焊的影响，定义了MCHE中的焊接区域。分析涉及建立理想的弹塑性有限元模型，计算宏观和微观塑性应变与屈服应力的关系。在壳体和喷嘴等关键区域建立应力分类线，并对应力进行线性化和分类。研究还根据ASME N-898号案例进行应变评估和疲劳损伤评估，定义允许应变限值并计算等效塑性应变。结果：结果表明，所研究的MCHE符合ASME III-5和N-898号案例的要求。获得了最大疲劳损伤值，从而可以预测MCHE的最大安全使用寿命。定量结果包括关键区域如焊接区域和核心体的应力和应变计算。例如，研究发现D区域核心体的最大等效塑性应变为0.00074，低于允许的0.00110限值。关键点如热侧进口歧管的A点和冷侧出口歧管的B点的疲劳损伤值分别计算为9.3×10-8和5.1×10-7，表明在规定条件下MCHE可以安全运行超过三年。结论：研究得出结论，基于ASME III-5和N-898号案例的安全性能分析方法为评估MCHE的安全性提供了一个可靠的框架。该方法有效地考虑了核心体中的微通道结构，使得应力、应变和疲劳损伤的详细评估成为可能。研究结果确认了MCHE设计在高温反应堆中的安全性和可靠性，预测使用寿命超过三年。该研究为核应用提供了更安全高效的换热器技术的发展做出了贡献，为未来的设计和操作策略提供了宝贵的见解。
分类： 核科学技术 >> 核科学与技术 提交时间： 2024-07-22
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。
分类： 核科学技术 >> 核科学与技术 提交时间： 2024-06-28
摘要： 微通道换热器是一种有望用于高温反应堆的热交换器方案。在高温反应堆中，内压和温度是微通道换热器最主要的载荷来源。为了较准确地评估高温微通道换热器的安全性能，建立了换热器的宏、细观有限元模型，根据ASME III-5标准，对一种定制的高温微通道换热器在循环工况下进行了系统的应力评定、应变评定以及疲劳损伤及寿命预测方法研究。结果表明该高温微通道换热器满足ASME III-5和Code Cases N-898评定要求，并得到细观最大疲劳损伤值进而预测换热器最大安全使用寿命。
分类： 核科学技术 >> 核科学与技术 提交时间： 2024-06-28
摘要： 作为高温反应堆的候选换热器，印刷电路换热器（PCHE）运行环境非常苛刻且其技术成熟度低。在本工作中，设计了一种20kW PCHE并对其可能失效影响因素进行了分析。本文提出换热芯体分区均匀化方法，并模拟了换热器高温、高压运行环境，开展换热芯体宏、细观温度场数值仿真，最后，通过理论和初步数值仿真分析，对PCHE换热器可能失效部位、失效方式及后果进行预估。本工作为PCHE换热器安全评估的进一步研究指明了方向。
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