| 题名 | 熔盐堆燃料盐干法后处理中冷冻壁技术应用研究 |
| 作者 | 周金豪 |
| 答辩日期 | 2019-06-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 授予地点 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 李晴暖 |
| 关键词 | 干法后处理 腐蚀防护 冷冻壁 传热模型 厚度监测 工艺控制 |
| 英文摘要 | 干法后处理是实现熔盐堆核燃料循环利用的最佳选择,铀氟化挥发分离又是干法后处理工艺的核心技术之一。由于高温氟盐介质和强氧化性气体(F_2)的极端环境,氟化挥发过程中存在非常严重的腐蚀问题。腐蚀的发生既造成设备寿命缩短,又会增加燃料盐杂质含量,阻碍着氟化挥发技术的实用化进程。熔盐冷冻壁技术是解决铀氟化挥发工艺设备腐蚀问题的一种方案,通过传热控制在反应器内壁形成一层凝固盐层,防止气液腐蚀源与金属壁的直接接触,起到物理隔绝和防护的作用。冷冻壁技术的关键问题在于传热控制、厚度监测、形成维持及应用过程中稳定调节等。本文围绕熔盐冷冻壁技术应用关键问题,建立了专用实验装置和方法,采用理论分析、数值模拟、实验研究及试验验证等方法,对熔盐冷冻壁的传热物理模型、厚度监测及形成维持工艺、应用模式及防护性能等进行了系统研究。主要获得的结果如下:(1)建立了熔盐冷冻壁固液相基本传热物理模型,利用熔盐凝固相界面的移动描述了冷冻壁的形成过程及维持原理,获得了熔盐冷冻壁形成过程中凝固界面位置与时间的关系模型,计算方法和结果对实验研究及实际工艺参数的设定起到了很好的指导意义。(2)分别在非稳态传热及稳态传热工况中,开展了多种冷冻壁厚度监测方法研究,建立了基于热电偶测温的温度梯度推算法为主的冷冻壁厚度在线监测技术,测量误差可控制在30%以内,完全满足冷冻壁厚度监测需求。冷冻壁厚度监测方法的建立为工艺研究及其应用奠定了技术基础和保障。(3)通过实验考察了冷却传热速率对凝固盐的致密性、冷冻壁形成速率及冷冻壁平衡厚度的影响,获得了冷冻壁形成及维持中的传热规律及厚度控制工艺。结果表明,平均冷却功率在2~8 kW/m~2时,所形成的冷冻壁孔隙率在10%以下,强度约为12 MPa,冷冻壁形成速率可控制在0.2~0.5 mm/min范围,冷冻壁在5~50mm范围内的任意厚度均可维持稳定,冷冻壁与反应器内壁可均匀牢固贴合,能达到物理隔绝的目的。(4)开展了批次处理模式下冷冻壁应用模拟研究,考察了待处理熔盐温度、熔盐发热功率、冷却介质温度、冷冻壁初始厚度等对应用过程中冷冻壁厚度波动的影响,获得了各个因素的影响规律。试验了厚度反馈实时调节冷却介质流量来控制冷冻壁的波动,并在熔盐中添加硝酸钇进行了跟踪验证,结果表明,通过在线监测的厚度反馈实时调节冷却介质流量,可将厚度波动控制在±3 mm之内,冷冻壁层中Y元素的分布情况很好地反映了厚度波动变化历程。同时Y元素的分布也表明在冷冻壁固体盐层中不易发生物质迁移。(5)在500~510℃FLiNaK盐中,0.2 L/min 20%F_2/Ar鼓泡条件下,采用对比腐蚀实验的方式考察了冷冻壁防护性能。SS304、SS316L、Inconel 600及石墨受到冷冻壁防护(厚度5~10 mm)后,其腐蚀速率从直接暴露于熔盐内的57.94μm/h、25.3μm/h、8.1μm/h及49.5μm/h分别下降至1.37μm/h、0.43μm/h、0.17μm/h及0.34μm/h,均至少下降一个数量级以上,结果证明了冷冻壁具有良好的防护效果。综上所述,本论文在进行冷冻壁理论分析基础上开展了系列实验研究,建立了厚度在线监测方法,掌握了冷冻壁形成及维持的控制工艺,采用厚度反馈控制技术实现应用过程中的冷冻壁的稳定性控制,还获得了冷冻壁真实防护效果。本研究结果可为后续冷冻壁工艺容器的设计提供很好的实验数据支撑,同时为冷冻壁技术在干法处理工艺中的应用奠定了技术基础。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 168 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/31287]  |
| 专题 | 上海应用物理研究所_中科院上海应用物理研究所2011-2017年 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 周金豪. 熔盐堆燃料盐干法后处理中冷冻壁技术应用研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2019. |
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