核反應(yīng)堆的案例
普通人只知道輻射，你卻知道在核反應(yīng)堆旁邊不用穿防護服
普通人一輩子也見不到的核反應(yīng)堆，原來可以由學(xué)生黨控制，而且在邊上不需要穿防護服。這是怎么回事？一起來一探究竟吧。
在進入 MIT 的核反應(yīng)堆之前，要先佩戴一個放射量測定器。接著，接待的小 姐姐，同時也是反應(yīng)堆監(jiān)督員的 Sarah 出現(xiàn)了。
在進入之前，先把表示自己名字的燈打開，這樣大家都知道 Sarah 進入了實驗室。
Sarah 介紹說，反應(yīng)堆實際上被拆分得很細。如果有什么零部件壞了或者需要更換，只需要單獨預(yù)定就可以了。下面這個地方就相當(dāng)于是商場的商品展示柜一樣，需要更換的零件可以在里面挑選預(yù)定。
她說，從研究生一年級開始，她就開始在反應(yīng)堆工作了。當(dāng)時她是兼職的核反應(yīng)堆操作員，畢業(yè)后就正式入職了。
核反應(yīng)堆安全殼（containment building）是氣密的，空氣不能自由進出，當(dāng)然這扇門也包括在內(nèi)。
核反應(yīng)堆安全殼內(nèi)的氣體都會經(jīng)過預(yù)先設(shè)置的檢測和過濾裝置才能從大樓里出去，這能夠保證沒有放射性物質(zhì)會被釋放到大樓外的地方。
MIT 的這個核反應(yīng)堆并不是用來發(fā)電的，而是做研究用的，會制造大量的中子，它的功率是美國大學(xué)里的第二大。
在大樓里有各種各樣的空氣質(zhì)量監(jiān)測儀，放射性監(jiān)測儀，它們可以實時通告大樓里的輻射量。人類的身體不能感知輻射劑量，所以需要儀器幫忙。
比如這個儀器里的0.1就表示0.1毫雷姆/小時。在波士頓城里一天接受到的輻射劑量為1毫雷姆，輻射來源是宇宙射線以及大地里的花崗巖。所以，在核反應(yīng)堆安全殼里呆10小時相當(dāng)于在波士頓城里呆一天。
這個房間的距離和反應(yīng)堆只有4米，但是輻射劑量卻和大街上一樣。
這多虧了防輻射混凝土。
展開 流體力學(xué)分析軟件VirtualFlow，實現(xiàn)核反應(yīng)堆熱工水力高效仿真
3 月 13 日，由中國核學(xué)會核反應(yīng)堆熱工流體力學(xué)分會主辦，中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點實驗室、上海積鼎信息科技有限公司、先進核能技術(shù)全國重點實驗室承辦的 “核反應(yīng)堆熱工水力仿真技術(shù)前沿探索與實踐” 線上直播活動圓滿舉辦。本次活動聚焦核反應(yīng)堆仿真領(lǐng)域的最新進展與挑戰(zhàn)，吸引了近300位行業(yè)專家及在校學(xué)生的關(guān)注。
中國核動力研究設(shè)計院反應(yīng)堆工程研究所副所長、中國核學(xué)會核反應(yīng)堆熱供流體力學(xué)分會的理事長 黃彥平 在致辭中指出，核能技術(shù)的迭代對流體仿真提出了更高要求，亟需在精度提升、計算效率優(yōu)化及模型驗證等方面取得突破。國產(chǎn)流體仿真軟件的自主研發(fā)是打破技術(shù)壟斷的關(guān)鍵。黃總呼吁產(chǎn)學(xué)研各方需強化合作，通過資源共享與協(xié)同創(chuàng)新，共同攻克行業(yè)難題。
作為本次活動的承辦單位之一，積鼎科技研發(fā)中心總監(jiān)符凱的報告《國產(chǎn)流體仿真軟件在核反應(yīng)堆仿真中的應(yīng)用》受到關(guān)注。積鼎科技深耕 CFD 領(lǐng)域多年，自主開發(fā)了通用流體仿真軟件 VirtualFlow在核反應(yīng)堆仿真中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。
積鼎科技的仿真軟件可應(yīng)用于核領(lǐng)域的多種堆型，包括壓水堆、鉛鉍/鈉冷快堆、熔鹽堆等。在壓水堆中，軟件可模擬安注水過程、氫氣復(fù)合及燃燒、抑壓水池工作過程等；在鉛鉍/鈉冷快堆中，可進行金屬液體熱工水力計算、事故工況下自然對流計算等；在熔鹽堆中，實現(xiàn)了堆芯流量分配計算、熔鹽泄露凝固計算等關(guān)鍵場景的仿真。
技術(shù)優(yōu)勢：
全代碼自主可控：該軟件安全可靠可控，經(jīng)第三方評測顯示代碼自主率超過 95%。
全方位仿真能力：支持多相流、湍流、相變、傳熱等復(fù)雜物理模型，能夠精確模擬核反應(yīng)堆中的流動傳熱傳質(zhì)、多相流相變、可壓縮流體、多組分等問題。
應(yīng)用場景覆蓋廣：軟件經(jīng)過市場長期驗證，已積累的測試案例庫>1000個。
展開 積鼎科技：國產(chǎn)自主核反應(yīng)堆流體仿真解決方案
在核工業(yè)這一關(guān)鍵領(lǐng)域，流體仿真技術(shù)對于確保核反應(yīng)堆的安全、高效運行至關(guān)重要。上海積鼎信息科技有限公司（以下簡稱“積鼎科技”）憑借其自主研發(fā)的CFD仿真軟件VirtualFlow和專業(yè)的技術(shù)團隊，為核反應(yīng)堆流體仿真提供了全面的CFD解決方案，涵蓋了流動傳熱傳質(zhì)、多相流相變和可壓縮流體三個關(guān)鍵方面，，為我國核工業(yè)的自主化發(fā)展提供了強大的軟件工具。
流動傳熱傳質(zhì)解決方案
積鼎科技的流動傳熱傳質(zhì)解決方案專注于模擬核反應(yīng)堆中的復(fù)雜流動和傳熱現(xiàn)象。其自主研發(fā)的通用流體仿真軟件VirtualFlow具備行業(yè)領(lǐng)先的網(wǎng)格建模與求解技術(shù)，能夠精確模擬管道熱分層、棒束通道流動傳熱等關(guān)鍵問題。
通過精確豐富的湍流模型，從RANS、VLES到LES，VirtualFlow能夠滿足不同湍流尺度的模擬需求，確保瑞流傳熱的求解精度。此外，VirtualFlow還提供了全面的湍流熱通量模型和濃度模型，可以用來模擬傳質(zhì)現(xiàn)象，為核反應(yīng)堆的設(shè)計和優(yōu)化提供重要的參考依據(jù)。
多相流相變解決方案
在多相流相變方面，積鼎科技的解決方案同樣表現(xiàn)出色。VirtualFlow提供了多種多相流模型，包括VOF、LevelSet方法用于界面流問題，基于歐拉-歐拉體系的均相模型用于混合流問題，以及歐拉-拉格朗日模型用于離散相流體問題。這些模型能夠精確模擬沸騰、冷凝、液面晃動等多相流現(xiàn)象，為反應(yīng)堆的熱工設(shè)計、安全分析和性能優(yōu)化提供支持。
例如，在壁面沸騰的模擬中，VirtualFlow采用N相均相模型和RPI模型，能夠準確預(yù)測出口氣含率，與實驗值吻合良好，相比其他軟件在精度上有較大提升。
可壓縮流體解決方案
針對可壓縮流體問題，積鼎科技的解決方案能夠有效模擬核反應(yīng)堆中的空化、水錘等現(xiàn)象。
展開 利用3D打印和人工智能改進核反應(yīng)堆技術(shù)
更快、更便宜
根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，ORNL 正在領(lǐng)導(dǎo)轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆 (TCR)，并得到美國能源部 (DoE) 計劃的支持，以探索在美國更快、更便宜的核能分配，以降低制造成本和交貨時間并改進安全。作為該計劃的一部分，ORNL 正在使用直接能量沉積 (DED) 3D 打印等技術(shù)建造核反應(yīng)堆堆芯。2020 年，普渡大學(xué)在收到美國能源部 80萬美元的資助后，成為 TCR 計劃的主要貢獻者。因此，普渡大學(xué)正在開發(fā)一種人工智能 (AI) 模型，以確保反應(yīng)堆堆芯 3D 打印組件的核級質(zhì)量。
TCR 計劃還見證了 ORNL 開發(fā)了自己的新型 3D 打印技術(shù)，專門用于生產(chǎn)核反應(yīng)堆部件。該工藝結(jié)合了粘結(jié)劑噴射和陶瓷生產(chǎn)工藝，以更有效地制造復(fù)雜形狀的組件。該方法還可以打印高溫合金和難熔金屬，這些合金和難熔金屬由于耐高溫和耐降解，對核反應(yīng)堆部件的安全運行至關(guān)重要。
自啟動 TCR 計劃以來，ORNL 的 3D 打印核反應(yīng)堆組件已安裝在阿拉巴馬州田納西河谷管理局 (TVA) 的布朗斯費里核電站。與核燃料供應(yīng)商法馬通合作開發(fā)的四個 3D 打印燃料組件支架目前在工廠處于常規(guī)運行條件下。
發(fā)揮結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)勢
不僅僅是橡樹嶺國家實驗室，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，西屋電氣充分發(fā)揮了3D打印實現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化的優(yōu)勢，開發(fā)了3D打印的核動力燃料組件隔離柵。
反應(yīng)堆堆芯由大量細長的燃料組件組成，每個燃料組件包括多個包含易裂變材料的燃料棒，其反應(yīng)以產(chǎn)生熱量。每個燃料組件的燃料棒由多個柵格保持成有組織的，間隔開的陣列，這些柵格沿著燃料組件的長度軸向間隔開，并附接到燃料組件的多個細長的控制桿導(dǎo)向套管。
通過引入增材制造技術(shù)-3D打印技術(shù)，可以在不進行進一步組裝或焊接過程的情況下打印西屋電氣開發(fā)的隔離柵。
展開 
用核反應(yīng)堆造SiC？一次產(chǎn)1000片？
近日，據(jù)韓媒報道，韓國原子能研究院（KAERI）利用核反應(yīng)堆技術(shù)，開發(fā)了世界首創(chuàng)的“SiC晶圓大批量摻雜技術(shù)”。該技術(shù)有3大特點：
● 一次可摻雜1000片，產(chǎn)能提升數(shù)百倍。
● 摻雜均勻度提高到 0.35%，而傳統(tǒng)摻雜均勻度在 6%，提高了17倍。
● 2023年將會量產(chǎn)。
KAERI的碳化硅中子摻雜反應(yīng)堆設(shè)備
新型碳化硅摻雜技術(shù)：
性能提升17倍，2023年量產(chǎn)
2月10日，韓國原子能研究院（KAERI）宣布，他們已開發(fā)出一種可以
大批量
實現(xiàn)
碳化硅晶片摻雜
的技術(shù)。
據(jù)介紹，該技術(shù)的主要是基于韓國核反應(yīng)堆“Hanaro”設(shè)備的“
中子嬗變摻雜（NTD）
”技術(shù)。
通過該技術(shù)，KAERI已經(jīng)開發(fā)了一個可以
同時
對
1000片4英寸碳化硅晶圓
進行摻雜的設(shè)備。
同時，KAERI開發(fā)了一種可以將
中子摻雜均勻度
（RRG）保持在
1%以內(nèi)
的技術(shù)。據(jù)介紹，目前傳統(tǒng)碳化硅晶圓的摻雜均勻度在 6% 的水平，而該研究團隊將摻雜精度提高到
0.35%
的水平，相比之下提升了
17倍
。
Hanaro 生產(chǎn)的碳化硅半導(dǎo)體晶片
據(jù)“三代半風(fēng)向”了解，1996 年1月，KAERI的中子應(yīng)用反應(yīng)堆 (
HANARO
) 開始運行。2002年KAERI完成了“硅錠摻雜技術(shù)”開發(fā)，2010 年其輻照硅的產(chǎn)量超過30噸。
2021年6月，KAERI進行了
碳化硅NTD實驗
。Hanaro負責(zé)人關(guān)光民說：“我們的目標是到
2023年
，真正實現(xiàn)碳化硅功率半導(dǎo)體NTD摻雜的
商業(yè)化
?！?/span>
展開 核反應(yīng)堆CAE仿真（視頻下載）
邁向虛擬核反應(yīng)堆
對反應(yīng)堆和所有相關(guān)復(fù)雜系統(tǒng)的性能進行仿真
仿真在優(yōu)化核電站性能以及展示核電站安全性方面始終發(fā)揮著重要作用。堅持采用尖端仿真工具對核電站的未來發(fā)展至關(guān)重要，而現(xiàn)在這種重要性更勝以往。了解如何使用 CFD 仿真準確預(yù)測并改善核反應(yīng)堆和所有復(fù)雜子系統(tǒng)的性能：
了解如何使用仿真來展示并改善新一代反應(yīng)堆中使用的創(chuàng)新技術(shù)
探索如何廣泛使用仿真來縮短現(xiàn)有反應(yīng)堆停機時間并改善其經(jīng)濟效益
探索如何使用仿真大幅縮短新反應(yīng)堆概念的許可時間
Emilio Baglietto
核科學(xué)與工程副教授, MIT
>>點擊獲取完整視頻：http://jishulink555.mikecrm.com/PlTzZEh
以下為部分截取
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>>點擊獲取完整視頻：http://jishulink555.mikecrm.com/PlTzZEh
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展開 一文了解核裂變反應(yīng)堆材料（轉(zhuǎn)自材易通）
已經(jīng)大量建造的核反應(yīng)堆使用的是裂變核燃料U235和Pu239，很少使用U233。由于至今還未有建成使用聚變核燃料的反應(yīng)堆，因此通常說到核燃料時指的是裂變核燃料。
包殼材料
包殼材料是反應(yīng)堆安全的第一道屏障，它包容裂變產(chǎn)物，阻止裂變產(chǎn)物外泄，是燃料和冷卻劑之間的隔離屏障，避免燃料與冷卻劑發(fā)生反應(yīng)，其具有最低可能的熱中子吸收截面。按生產(chǎn)和使用的成熟程度排序，可選用的包殼材料僅限于Al、Mg、Zr和Be等。
包殼材料工作是在高溫高壓環(huán)境中，暴露于快中子輻照場下，服役期間需承受不斷增加的應(yīng)力，應(yīng)力一方面來自外部冷卻劑的壓力及熱應(yīng)力，另一方面來自內(nèi)部的燃料腫脹、裂變氣體釋放造成的內(nèi)應(yīng)力和芯塊與包殼相互作用產(chǎn)生的機械應(yīng)力等。
1
Al合金
一般含有較多的Cu，少量Fe、Si、Mn、Mg、Cr、Zn、Ti、Ni等元素，有1100、X8001（MX8001）和6061等三種型號。受到中子輻照時，易硬化。
展開 復(fù)合材料助力核反應(yīng)堆實現(xiàn)1億攝氏度高溫
英國公司Rockwood Composites 6月8日宣布，成功采用復(fù)合材料為英國私人聚變能源公司Tokamak Energy最新的核反應(yīng)堆ST40組裝了核心部件。
該核心部件由環(huán)形場線圈的24個內(nèi)部單元組成，每個單元都由“玻璃纖維預(yù)浸料/Kapton聚酰亞胺薄膜/玻璃纖維預(yù)浸料”層結(jié)構(gòu)來進行絕緣。硅增強固化系統(tǒng)被用來控制固化過程的位置和壓力。這樣做能夠使空氣和樹脂逐漸從Kapton聚酰亞胺薄膜層下方被擠壓出來，從而確保Kapton能夠緊密的粘接在環(huán)向場線圈上形成均一連續(xù)的絕緣層。
粘接線厚度需要精確控制。一層干的玻璃纖維織物被用來對粘接線厚度和分散的粘接系統(tǒng)進行控制，粘接厚度為0.1mm。
Rockwood公司將這一絕緣措施同時應(yīng)用在了ST40諸多磁場中的螺線管線圈上。同樣，玻璃纖維預(yù)浸料和Kapton聚酰亞胺薄膜以螺旋重疊的方式在線圈纏繞過程中被應(yīng)用在了線圈之間。最終，整個螺線管被玻璃纖維預(yù)浸料所包裹。
Rockwood公司還為ST40反應(yīng)堆提供低溫懸浮系統(tǒng)，該系統(tǒng)由大量的定制碳纖維帶組成。這項技術(shù)同樣在全球規(guī)模最大、影響最深遠的“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”中得到了使用，該項目共涉及了來自35個國家的工程師和科學(xué)家。
Rockwood公司的運營主管Mark Crouchen表示：“核聚變裝置創(chuàng)造了一個比太陽系內(nèi)任何區(qū)域都要嚴酷的極端溫度環(huán)境。復(fù)合材料的性能能夠幫助設(shè)備實現(xiàn)比太陽核心溫度更高的極端高溫條件?！?ST40項目經(jīng)理Graham Dunbar補充道：“我們在強磁場核心部件的制造過程中遇到了真正的困難，而Rockwood公司的出色工程師團隊采用復(fù)合材料幫助我們尋找到了最佳的解決方案?！?ST40的成功設(shè)計向世人展示了在結(jié)構(gòu)緊湊、高性價比的設(shè)備中也能夠獲得1億攝氏度的聚變溫度。
展開 碳纖維及玻璃纖維復(fù)合材料助力核反應(yīng)堆實現(xiàn)1億攝氏度高溫
英國公司Rockwood Composites 前不久宣布，成功采用復(fù)合材料為英國私人聚變能源公司Tokamak Energy最新的核反應(yīng)堆ST40組裝了核心部件。
該核心部件由環(huán)形場線圈的24個內(nèi)部單元組成，每個單元都由“玻璃纖維預(yù)浸料/Kapton聚酰亞胺薄膜/玻璃纖維預(yù)浸料”層結(jié)構(gòu)來進行絕緣。
硅增強固化系統(tǒng)被用來控制固化過程的位置和壓力。這樣做能夠使空氣和樹脂逐漸從Kapton聚酰亞胺薄膜層下方被擠壓出來，從而確保Kapton能夠緊密的粘接在環(huán)向場線圈上形成均一連續(xù)的絕緣層。
粘接線厚度需要精確控制。一層干的玻璃纖維織物被用來對粘接線厚度和分散的粘接系統(tǒng)進行控制，粘接厚度為0.1mm。
Rockwood公司將這一絕緣措施同時應(yīng)用在了ST40諸多磁場中的螺線管線圈上。同樣，玻璃纖維預(yù)浸料和Kapton聚酰亞胺薄膜以螺旋重疊的方式在線圈纏繞過程中被應(yīng)用在了線圈之間。最終，整個螺線管被玻璃纖維預(yù)浸料所包裹。
Rockwood公司還為ST40反應(yīng)堆提供低溫懸浮系統(tǒng)，該系統(tǒng)由大量的定制碳纖維帶組成。這項技術(shù)同樣在全球規(guī)模最大、影響最深遠的“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”中得到了使用，該項目共涉及了來自35個國家的工程師和科學(xué)家。
Rockwood公司的運營主管Mark Crouchen表示：“核聚變裝置創(chuàng)造了一個比太陽系內(nèi)任何區(qū)域都要嚴酷的極端溫度環(huán)境。復(fù)合材料的性能可以幫助設(shè)備實現(xiàn)比太陽核心溫度更高的極端高溫條件。”
ST40的成功設(shè)計向世人展示了在結(jié)構(gòu)緊湊、高性價比的設(shè)備中也能夠獲得1億攝氏度的聚變溫度。
展開 橡樹嶺國家實驗室的中子核反應(yīng)堆設(shè)計
橡樹嶺國家實驗室的中子核反應(yīng)堆設(shè)計
當(dāng)“自由的”中子與錢攤上關(guān)系的時候,中子就很難自由了?，F(xiàn)實生活中，要產(chǎn)生中子需要非常先進的高科技設(shè)備，目前世界上只有少數(shù)國家具備這個能力。然而，誰會需要中子呢？中子只有在先進材料的研發(fā)，高端的生物技術(shù)，以及冷聚變反應(yīng)中才會涉及。如今，美國橡樹嶺國家實驗室的實驗學(xué)家們因為研究需要也開始關(guān)注高通量同位素反應(yīng)堆（HFIR）。利用COMSOL Multiphysics建模仿真，高級安全分析專家Jim博士證實強大的中子流可以緩慢、冷卻、無障礙進入設(shè)備中。
圖1 橡樹嶺國家實驗室中的高通量同位素反應(yīng)堆主體結(jié)構(gòu)示意圖，圖中橘黃色部分是新型氫冷源，
暗綠色部分是新型HB-4集射管。中子流通過HB-4集射管引導(dǎo)裝置進入試驗設(shè)備中以供來訪研究人員研究。
圖1中的高通量同位素反應(yīng)堆（HFIR）是世界上最強大的研究反應(yīng)設(shè)備。它建造于19世紀60年代，是唯一一個以可控核裂變來產(chǎn)生自由中子的裝置。中子之所以被冠以“自由”，是因為在核反應(yīng)中原子核分解成質(zhì)子、電子、反中微子等亞核組分，中子就可以脫離原子核存在于自由空間中。電中性的自由中子有很強的穿透能力，可以無阻礙的穿過原子內(nèi)的電場，速度減慢的主要原因來自與原子核發(fā)生碰撞。氫核中只有一個質(zhì)子和中子，對快速移動的自由中子來說是非常好的冷卻劑。
高通量同位素反應(yīng)堆中，在距離反應(yīng)裝置核心直徑2英尺范圍內(nèi)的中心高溫區(qū)域中子的產(chǎn)生反應(yīng)非常劇烈，很少存在像锎-252這樣的同位素。高通量同位素反應(yīng)堆將反應(yīng)核心以外的自由中子收集起來形成密集的中子流用來做散射研究或者在新柱設(shè)備HB-4（圖1）中進行其它的試驗。隨著這些新型低溫氫系統(tǒng)投入生產(chǎn)來冷卻中子，從這些束管進入實驗設(shè)備的中子流的可控性將達到世界上最好水平。
圖2 增壓器位于具有泵單元的真空室內(nèi)，吸收三個變速泵產(chǎn)生的熱量。
展開 EDF開源CAE | code_aster對900MWe級核反應(yīng)堆應(yīng)急柴油機氣缸蓋裂紋的模擬
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研究背景
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目前，法國正在運行的34個900MWe級反應(yīng)堆中均設(shè)置了兩組應(yīng)急柴油發(fā)電機，以保證核電站在外部電力中斷的情況下各類應(yīng)急設(shè)備的正常工作從而確保核電站的安全。作為預(yù)防性維護的一部分，有關(guān)部門對發(fā)電機進行了定期測試和檢查。
在檢查中，氣缸蓋的氣門橋處觀察到了裂紋（圖1，2）。EDF和柴油發(fā)電機制造商兼設(shè)計者瓦錫蘭公司40年的經(jīng)驗反饋表明，這些裂紋是在定期測試中發(fā)電機的周期性啟動和停止（低頻熱疲勞）導(dǎo)致的，對其運行沒有影響。反饋還表明，裂紋不會擴展到水冷回路區(qū)域，從而不會導(dǎo)致發(fā)電機的停機。
圖1 氣缸蓋氣門橋處的裂紋
圖2 某破裂面上的裂紋
盡管有大量的經(jīng)驗反饋作為支撐，法國核安全局（Autorité de S?reté Nucléaire, ASN）仍要求EDF嚴格證明這些裂紋的無害性。因此，EDF的核電部中負責(zé)制定和優(yōu)化核反應(yīng)堆維護策略的國家運營工程部（UNIE）指示研發(fā)部門通過數(shù)值模擬對裂紋擴展過程進行論證，關(guān)鍵在于通過增大檢查間隔時間的方式來減輕氣缸蓋的維護負擔(dān)，同時還要避免因出現(xiàn)裂紋而被拒收的氣缸蓋的早期更換。
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材料實驗
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由于氣缸蓋材料（層狀石墨鑄鐵GJL-300）原本不存在于EDF的數(shù)據(jù)庫中，因此該材料的熱力學(xué)參數(shù)必須通過實驗從反應(yīng)堆中廢棄氣缸蓋上采集的樣品中提取。EDF在20℃，220℃和420℃下對氣缸蓋材料進行了單向拉伸實驗、循環(huán)拉/壓實驗和疲勞裂縫發(fā)展實驗，并獲得了相應(yīng)的材料力學(xué)參數(shù)（圖3，4，5）。
展開 
多相流模擬仿真在核電領(lǐng)域的應(yīng)用及展望
圖 1VirtualFlow中多相流模型類型
三、多相流模型在核電領(lǐng)域的應(yīng)用
（一）核反應(yīng)堆設(shè)計與優(yōu)化
堆芯冷卻與流動：模擬核反應(yīng)堆堆芯內(nèi)的冷卻劑流動和傳熱過程，分析燃料元件表面的溫度分布、冷卻劑的流動速度和壓力損失等，為堆芯的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)，對于事故工況，需要考慮多相流模型的應(yīng)用。
燃料元件性能評估：研究燃料元件在不同運行條件下的熱工性能，如燃料溫度、包殼溫度、冷卻劑溫度和流量等，預(yù)測燃料元件的燒毀率和壽命，為燃料元件的設(shè)計和改進提供指導(dǎo)。
蒸汽發(fā)生器設(shè)計：模擬蒸汽發(fā)生器內(nèi)的汽水兩相流動和傳熱過程，優(yōu)化蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，提高其傳熱效率和運行穩(wěn)定性。例如，通過模擬蒸汽發(fā)生器內(nèi)的汽水分離過程，改進汽水分離裝置的設(shè)計，減少蒸汽中的水滴攜帶，提高蒸汽品質(zhì)。
（二）熱工水力分析
單通道熱工水力分析：對核反應(yīng)堆單通道內(nèi)的冷卻劑流動和傳熱進行模擬，分析通道內(nèi)的溫度分布、壓力降和熱傳遞特性，評估通道的熱工性能和安全性。
多通道熱工水力分析：考慮核反應(yīng)堆內(nèi)多個并行通道之間的相互影響，如流量分配、溫度耦合等，研究多通道熱工水力現(xiàn)象，為核反應(yīng)堆的熱工設(shè)計和運行提供更準確的預(yù)測。
圖 2 棒束通道流動換熱
?熱分層現(xiàn)象研究：在核反應(yīng)堆的某些管道和設(shè)備中，由于冷熱流體的混合，可能會產(chǎn)生熱分層現(xiàn)象。多相流模型可用于模擬熱分層現(xiàn)象，分析其對管道應(yīng)力、設(shè)備性能和安全的影響，為防止熱分層引起的熱疲勞和設(shè)備失效提供技術(shù)支持。
圖 3 管道熱分層模擬
（三）安全分析與評估
失水事故（LOCA）模擬：失水事故是核反應(yīng)堆的一種嚴重事故工況，多相流模型可用于模擬失水事故過程中的冷卻劑流失、燃料元件暴露、蒸汽生成和壓力變化等現(xiàn)象，預(yù)測事故的發(fā)展趨勢和后果，為制定事故應(yīng)急預(yù)案和安全措施提供依據(jù)。
展開 核動力破冰船：不只是軍艦?zāi)苡蒙?em>核動力
而使用核反應(yīng)堆可以解決動力問題，續(xù)航問題，同時節(jié)省空間來安裝科研設(shè)備，可以說是一舉多得。
唯一的問題是，根據(jù)聯(lián)合國達成的南極無核區(qū)條約，核動力艦船無法進入南極海域。但北極區(qū)域更具有商業(yè)開發(fā)價值，各國也紛紛建設(shè)為北極開發(fā)服務(wù)的核動力破冰船，等待后續(xù)
民用艦船促進軍用發(fā)展
2018年6月中國核工業(yè)集團有限公司電子商務(wù)平臺發(fā)布了“核動力破冰綜合保障船示范工程技術(shù)咨詢與服務(wù)外委項目”招標公告。這一消息無疑引發(fā)了海內(nèi)外的媒體關(guān)注，而關(guān)注的核心在于，這將使中國首次建設(shè)大型核動力水面艦艇。
圖為俄羅斯核動力破冰船
中國早就擁有了核動力潛艇，但發(fā)展核動力水面艦艇并非是將反應(yīng)堆從潛艇搬到艦船里那么簡單，需要經(jīng)過復(fù)雜的測試和計算。
而核動力破冰船的建設(shè)就可以為相關(guān)部門積累經(jīng)驗，從潛艇用核反應(yīng)堆以及浮動式核電站結(jié)合發(fā)展至成熟可用的艦載核反應(yīng)堆。而廣大軍迷所翹首期盼的核動力巡洋艦、核動力航空母艦就有可能從核動力破冰船計劃中受益，甚至采用相近的艦載反應(yīng)堆。
不過，專家也指出，核動力破冰船雖然能夠積累經(jīng)驗，但并非是必要的前置技術(shù)，前蘇聯(lián)和俄羅斯研發(fā)制造了一大批的先進核動力破冰船，但最終也沒制造出核動力航空母艦。而法國制造自己的“戴高樂”號航空母艦的時候，也沒有制造核動力破冰船。美國航空母艦使用的核反應(yīng)堆，和破冰船的反應(yīng)堆也不屬于同一類。因此，實際上軍用核軍艦怎么設(shè)計，怎么造，還是要根據(jù)實際需求來。
不過，我們可以肯定的是，核動力破冰船將為我國造船業(yè)和核技術(shù)提供寶貴的經(jīng)驗，為未來的軍用民用發(fā)展道路打下堅定的基石。
劃重點
核動力艦船通常使用核裂變反應(yīng)堆所產(chǎn)生的能量作為船艦推進力和所需能源。而其最大的優(yōu)勢，就來源自核動力的高功率和極長的燃料更換周期。
展開 全球第一艘核航母正在拆解：預(yù)計耗時15年 耗資15億美元！
圖為進行船體拆除工作的”長灘”號核動力導(dǎo)彈巡洋艦，攝于2011年。
以和”企業(yè)”號同期的”長灘”號核動力巡洋艦為例，該艦于1995年退役，但在2002年才完成了上層建筑的解體工作，核反應(yīng)堆的完全回收更是到2012年才完成，整個過程耗時17年，而”長灘”只有2臺A1W核反應(yīng)堆，”企業(yè)”則擁有多達8臺A2W核反應(yīng)堆，噸位也達到了十萬噸級，很明顯，二者的拆解難度不可同日而語。
圖為正由拖船拖曳入港解體的”企業(yè)”號核動力航母。
而”企業(yè)”巨大的船體還帶來了一個問題：專門用于拆除和維護核反應(yīng)堆的普吉特灣船廠太狹小了。該地雖然容得下”企業(yè)”的龐大身軀，但也勢必會擠壓其它核動力船只的維護空間——除卻核航母外，美國海軍一樣擁有世界上規(guī)模最大的核動力潛艇隊伍。
圖為正在建造的”福特”和英雄遲暮的”企業(yè)”。如今兩艦的命運都不甚明朗。
當(dāng)然，美國海軍還有一個方案，那就是以回收民用反應(yīng)堆的標準，雇傭商業(yè)回收公司在紐波特船廠就地開展核反應(yīng)堆的回收工作，這么做明顯更快，也更廉價。
但考慮到即便是落后的A2W反應(yīng)堆的技術(shù)也屬于高度保密的類型，商業(yè)公司恐怕會不被允許接觸這些”國之重器”，最后的重擔(dān)恐怕還是要落回到美國海軍頭上。
殷鑒不遠，在中國也可能在不遠的將來擁有核動力航母的眼下，美國海軍的這個大ma煩實在值得審視一番，畢竟”摸著美帝過河”也算是優(yōu)良傳統(tǒng)了。
展開 核聚變箍縮反應(yīng)堆
屆時Z-箍縮反應(yīng)堆將安裝在航天器上，反應(yīng)堆的末端開放，噴出高速的等離子體流推動航天器前行。
目前，核聚變動力太空飛行和核聚變能量發(fā)電仍然停留在理論階段，但Zap能源公司已瞄準了這一目標。
作者：Tom Clynes
