空间核反应堆电源闭式Brayton循环热力学分析

空间核反应堆电源闭式Brayton循环一般采用氦-氙混合气体作为循环工质和反应堆冷却剂,设计者为选择合适的循环工质,需研究氦-氙混合气体配比成分变化对循环效率的影响。该文建立空间核反应堆电源闭式Brayton循环热力学模型,采用Fortran 95编程对其进行热力学分析,从绝热系数、回热器回热度、相对压损系数的变化分析了氦-氙混合气体摩尔质量变化对循环效率的影响。结果表明:绝热系数对循环效率的影响较小;回热器回热度越大,循环效率越高;相对压损系数越大,循环效率越低。由于氦-氙混合气体摩尔质量的增加,会降低空间Brayton循环压气机和透平级数,因此选择使回热器回热度达到最大时的配比成分He-8.6%Xe作为循环工质,在给定循环冷/热端温度为403K/1 300K的条件下,可以获得29.18%的循环效率。     

空间堆Brayton系统旁路阀功率快速调节特性

长寿命、高能量密度和高效率的动力系统是实现未来太空探索目标的必要条件，空间反应堆耦合Brayton系统是兆瓦级空间动力系统的最佳选择之一。功率控制特性是满足系统安全高效运行的关键。该文建立了空间堆Brayton系统动态模型，研究了旁路阀控制下系统的升、降功率特性。结果发现：当载荷变化时，旁路阀控制可快速改变系统局部流量；叶轮机械工况、涡轮和压气机功率及系统电功率能快速响应空间设备的用电需求和负载变化作出相应改变；同时，系统载荷变化导致转动部件对轴的扭矩失衡，容易出现超速事故，旁路控制降低涡轮的输出功率，可有效避免转轴超速的风险。在此基础上，研究了旁路阀开度的敏感性影响，结果发现：系统低压侧和辐射散热回路对旁路阀控制引起的参数扰动最为敏感。旁路阀开度增加后，压气机出口高压气体与涡轮出口低压气体混合，使低压侧管道和部件压力升高；辐射器散热功率增加导致散热回路温度升高，因而辐射器需要更大的散热能力。本研究为空间堆Brayton系统的安全稳定运行提供了参考。     

一体化水堆内置式控制棒水压驱动技术研究

安全性和经济性满足较小功率用户需求的小型核反应堆为近年来的研究热点,一体化布置水冷反应堆为小型核反应堆的主要堆型之一。核反应堆控制棒驱动机构是反应堆最关键的安全设备,担负着反应堆的启动、功率调节及停堆等重要功能。该文给出一种应用于一体化布置水冷反应堆的内置式控制棒水压驱动技术,包括功率小于50 MW的A型和热功率50～300 MW的B型2种整体设计方案、部件组成、主要功能和性能等工程研究和应用。为一体化水堆提供了完整的内置式控制棒驱动线,包括其部件组成、联接结构、固定方式和功能;降低了反应堆高度;避免了弹棒事故,增强了反应堆安全性;使一体化布置反应堆更加紧凑、体积小、自然循环能力加强。     

驻波型热声制冷机回热器的结构优化

对驻波型热声制冷机的回热器进行了理论研究,通过对绝热情况下回热器内系统能流的分析,得到了以回热器位置和结构参数为变量并能够较为准确地预测出回热器时均温度差△Tm的解析表达式.将所得解析表达式与实验结果、线性化结果进行比较,表明了结果的准确性.运用所得结果对板叠式回热器在声场中的位置、板叠厚度和板叠间距进行优化,得到了回热器最优位置xs=f-1 (△Tm),最优板叠间距2y0/δκ=3.3～3.4,最优板叠厚度为2l/δκ=0.7.     

以可靠性为中心的车辆维修决策

以可靠性为中心的维修（Reliability-Centred Maintenance,简称RCM）为提高设备利用率提供了有效方法,被广泛应用于军事装备、核能、电力、铁路、石化等领域。该文将以RCM为中心,介绍常见的维修方式,并讨论车辆部件级和系统级维修决策模型和优化预防维修间隔的方法。     

太阳能热动力系统Brayton装置与Stirling装置分析与比较

空间太阳能热动力发电系统是非常有前景的未来空间能源供应系统,对适用于空间SD装置的Brayton循环和Stirling循环进行了详细的分析,并以7kW发电装置为对象,从质量、效率和对吸热器的要求等方面对2种循环进行了比较。结果表明,Brayton装置为目前太阳能热动力发电的首选方案,Stirling装置是未来最理想的空间发电系统。     

高温气冷堆超临界蒸汽动力循环电站研究

模块化高温气冷核反应堆是一种安全性好、可用于高效发电和提供高温工艺用热的先进核反应堆,是国际核能领域第4代核能系统中6种备选堆型之一。将模块化高温气冷堆技术与目前已经成熟的超临界蒸汽动力循环技术耦合,发电效率将达到45%以上,比目前在役的压水堆核电站效率(33%左右)高出30%以上。我国已经掌握了模块化高温气冷堆技术;通过引进、消化、吸收,也已经掌握了超临界蒸汽动力循环技术;具备条件研究建造高温气冷堆超临界蒸汽动力循环电站,使其成为世界上最早实现的超临界核电站。     

高温气冷堆氦气透平压气机和主氦风机研究进展

具有固有安全特性的模块式高温气冷堆(high temperature gas-cooled reactor, HTGR)具有反应堆出口温度高的特点,可与闭式Brayton循环或Rankine循环耦合,实现高效率的发电。氦气透平压气机和主氦风机分别是与这2种循环耦合的高温气冷堆系统中的关键动力部件,该文针对氦气闭式Brayton循环,分别从稳态与动态特性2个方面揭示其内部循环机理;同时针对循环内核心部件氦气透平压气机,开展2.2 MW样机研制与120 MW商用氦气透平压气机设计。在主氦风机研制方面,顺利完成了10 MW高温气冷堆(HTR-10)主氦风机研制与高温气冷堆示范电站(HTR-PM)主氦风机研制,获得了主氦风机完整的性能数据。为进一步确保HTR-PM项目的顺利推进,搭建了主氦风机综合试验平台,同时测试了2种主氦风机(电磁轴承主氦风机和干气密封主氦风机)的性能。取得的研究成果体现了清华大学核能与新能源技术研究院在自主研发先进核能核心装备技术上取得了重大突破。     

二次提升型吸收式变热器热力性能分析

为有效地回收低品位余热 ,该文以水 /溴化锂(H2 O/ L i Br)工质对为例 ,分析了 3种二次提升型吸收式变热器 ,指出其中第一级吸收器和第二级蒸发器相连接的形式(A1- E2型 )是最可取的。并着重分析了 A 1- E2型二次提升型吸收式变热器的热力性能 ,结果表明 ,二次提升型吸收式变热器比单级吸收式变热器有更高的温度提升 ,运行范围扩大 ,但系统性能有所下降。根据对不同工质对的热力分析 ,该文还提出了第一级采用 H2 O/ L i Br,第二级采用三氟乙醇 / N -甲基 - 2 -吡咯烷酮 (TFE/ NMP)为工质对的二次提升型吸收式变热器的设想 ,它既能获得较高的温度提升又有相对较高的性能系数。     

太阳能半导体制冷结露法空气取水器的研究

分析了现有的两种太阳能空气取水器的特点,提出了带有回热器的太阳能半导体制冷结露法空气取水器的工作原理,得出了其取水率的表达式,并根据实际的工作条件,对这种取水器的取水率进行了计算分析,结果表明这种方法的取水率比其它方法提高约48%,具有很好的实际工作应用价值.     

空气源跨临界CO_2热泵中回热器影响的研究

为了研究回热器对空气源跨临界CO_2热泵系统运行情况的影响,以及回热器是否适用于跨临界CO_2热泵,进行了理论和实验两方面的研究。基于热力学分析方法对不同气体冷却器出口温度、排气压力下回热器效率的影响进行了理论研究,结果表明回热器提升系统性能系数与否取决于气体冷却器出口温度,气冷出口温度较高时,回热器效率增大才能提高性能系数。实验则在跨临界CO_2热泵样机上进行,结果表明:应用回热器可降低系统最优排气压力,降低幅度随环境温度降低以及进出水温度升高而增大;采用回热器可减少最优排压下系统功耗、提高系统性能系数,但对制热量影响趋势不定,在本实验中性能系数最多提升6.65%,功耗最多降低6.22%;虽然回热器的应用能提高系统性能系数,但同时也将导致系统排气温度增大,所以不适宜在低环境温度工况下使用。对理论和实验分析结果的差异进行了讨论,同时建立了最优排压降低值与环境温度、进出水温度之间的实验关联式来数值化地体现回热器对系统排气压力的影响,对回热器在工程中实际应用具有一定的参考意义。     

基于极坐标的自适应数字预失真器

基于极坐标方式,以Taylor级数拟合预失真器的AM/AM和AM/PM特性曲线,输入信号幅度作为索引信号创建幅度与相位并联的两张查找表,运用最小均方自适应算法更新表项系数来补偿功放的非线性,设计了自适应数字预失真器.通过Matlab搭建了基于16-QAM调制解调的自适应数字预失真系统.仿真结果表明,邻近通道功率比降低近20dB,功放的线性度得到了明显改善.     

空间反应堆Brayton循环的热力学特性

地面Brayton循环系统具备高效、紧凑的特点,经过优化后,可适用于空间反应堆。该文利用Fortran语言对空间Brayton循环进行数学建模,以循环工质为基础对系统进行改进,对氦氙混合工质下闭式Brayton循环进行热力学分析,讨论混合工质成分变化对Brayton循环的综合影响。研究结果表明:加入氙气降低了Brayton循环热力学性能,循环效率和比功均有降低;但氙气的加入有效降低压气机膨胀功,改善循环气动性能。氦气与氙气在热力性能与气动性能中表现互补,纯氦工质中加入适量氙气可使Brayton循环系统减少压气机、换热器数量,从而具备空间应用的潜力。     

超临界二氧化碳核能系统负荷运行策略研究

为了确保超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环直接冷却核能系统在变负荷工况下的安全经济运行，利用稳态和瞬态回热器换热实验验证了自主研发的瞬态分析程序SCTRAN/CO₂在预测布雷顿循环动态特性方面的可行性，并以该程序作为分析工具，开展了超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环核能系统分别在反应堆反应性扰动和二次侧冷却水流量扰动两种典型瞬态工况下的开环动态特性研究，开发了主压缩机入口温度恒定、堆芯出口温度恒定及改变循环工质装量的负荷运行策略，研究了系统在100%～50%～100%变负荷工况下的瞬态响应。结果表明，装量控制策略能实现以额定满功率5%/min的速率追踪负荷，并保证系统安全经济运行。此过程中，堆芯压力波动0.6 MPa,堆芯出口温度波动不超过5℃。研究获得的瞬态分析工具、开环特性和控制策略为此核能系统的负荷运行策略研究提供了参考。     

模块化热管式冷却快堆概念研究

根据月球表面的环境条件和火箭运载能力，提出并了月球表面核反应堆电站的基本方案：一个设计模块化、布置一体化热管冷却堆芯的快堆电站-电功率100kW，寿命10年，总质量2.9t左右。整个电站由三个相同的模块组成，每个模块均包含有锂热管导热的堆芯单元、热电偶转换单元、钾热管辐射器单元、转动控制鼓单元，以及堆芯顶部屏蔽单元。三个模块均单独运输发射，在月球表面总装集成。该方案具有体积小、质量少、操作方便、安全可靠性高、发射性能好等特点。从根本上消除了发射过程中可能导致的临界安全事故风险。     

高温气冷堆主氦风机预防性维修策略研究

高温气冷堆主氦风机是清华大学自主研发的先进核能核心装备之一，对于反应堆的正常运行至关重要。主氦风机停机会导致反应堆紧急停堆，直接影响核电厂的运行，并可能带来安全风险。因此，需要评估主氦风机的可靠性，并对主氦风机开展预防性维修策略研究，以保障高温气冷堆核电厂高质量运行。首先，该文使用故障模式、影响和危害性分析(failure mode, effects and criticality analysis, FMECA)方法识别主氦风机的关键重要部件；然后，基于各部件的通用数据评估得出主氦风机的故障率及各部件故障率占比，为提高主氦风机的运行可靠性提供参考依据；最后，使用以可靠性为中心的维修分析(reliability centered maintenance analysis, RCMA)对主氦风机的预防性维修策略进行规划，提出预防性维修方案建议。该文研究成果可为新研核能设备提升设计质量提供参考，为其他相关核能设施开展可靠性和维修性研究提供借鉴。     

月球表面核反应堆电源方案

 月球基地的建立首先需要解决能源供给问题, 核反应堆电源具有功率大、寿命长、环境适应性强等优点, 是月球基地及其他深空探测任务的理想能源。分析了目前可用于月球基地的能源情况, 针对性地提出40 kW_e月球表面核反应堆电源的设计理念, 经初步优化设计, 给出该电源的方案和总体设计参数, 并从物理、屏蔽、热工、结构方面对电源方案进行分析和论证。结果表明:该电源方案合理可行, 能够满足安全和寿期要求。     

低热辐射强度下防护服热防护性能的实验研究

小尺度实验是测量服装热阻常用的方法之一。为了测量高温下服装热阻,该文在锥形量热仪的基础上,设计了一套用于研究多层织物热传递机理的小尺度实验测试装置,建立了高温热辐射下使用热平板测量热阻的计算公式。基于该实验装置,在1~10kW/m2的低热辐射强度下测量了多层防护服织物的内部温度变化以及穿透防护服之后的热流密度。结果表明:随着热辐射强度的增加,尤其是在热辐射密度超过5kW/m2时,总热阻减小,外层、防水层和隔热层的热阻减少,而舒适层的热阻先增大后减小;低辐射强度下(不超过10kW/m2),织物对热辐射吸收率的变化对高温低辐射条件下热阻的测量影响可以忽略不计。     

聚变-裂变能源混合堆可行性及在我国核能发展中作用的分析

简要论述了核能在我国能源发展战略中的地位及聚变－裂变混合堆在核能持续发展中的重要作用。对以不久将来即可实现的ITER聚变装置作驱动堆芯、天然铀水冷裂变系统作包层的混合堆做了细致的分析。这种混合堆型可以实现GWe级净电功率输出,年造钚1 656 kg,支持2.68个同功率压水堆电站对易裂变燃料的需要。初步的经济评估说明,混合堆电的成本是同功率压水堆电成本的1.67倍;而在不计燃料成本的情况下,混合堆与压水堆组合系统电的成本是同功率压水堆电成本的1.18倍。考虑到一般压水堆需消耗大量的天然铀,加上铀浓缩成本,混合堆与压水堆组合系统电的成本,与压水堆电的成本是可以相比拟的。     

15K热耦合两级脉管制冷机低温段回热器长径比理论及实验研究

为了提高脉管制冷机的制冷量和效率,解决液氢温区以下多级脉管制冷机效率低下的问题,对关键部件之一的低温段回热器尺寸进行了设计优化。针对15 K两级脉管制冷机,首先采用数值模拟仿真的方法研究了低温段回热器尺寸对制冷机内部各项损失以及性能的影响,获得了等效长径比的最优值3.81;然后研制了等效长径比分别为3.81、6.80的两种低温段回热器进行实验对比。实验结果表明,制冷机低温段回热器等效长径比为3.81时,制冷机性能更好,且在30 Hz下,可以在15 K获得制冷量0.91 W,此时各级总输入电功为386 W,整机的比卡诺效率达到4.45%。该研究可为制冷机低温段回热器的设计优化提供参考,对多级脉管制冷机的效率提升具有一定的指导意义。