高温熔盐介质环境下裂变气体脱除机理研究

Molten salt reactor is one of Generation Ⅵ nuclear reactors, which is focused on worldwide. A large amount of tritium, krypton, xenon and other radioactive gases is produced in the fission reaction process. How to remove these radioactive gases in an online real-time way is a key for radiation protection. Aiming to solve the core scientific issues underlying the gas removal technology, focused on the bubbling degassing concept, this project will utilize the experimental method in high temperature, numerical simulation and theoretical modeling to understand the physical mechanism counting for the bubble shedding, breakup and coalescence, and to discover the evolution of the three-dimensional shape and the separation mechanism for the micro-bubbles. By this way, the mathematical model to describe the relation between the bubble separation performance and the flow parameters, geometrical parameters will be established, and the bubble generation physics and the corresponding controlling method will be obtained, as well as the gas-liquid separation theory and technology. The achievement of this project will provide a solid foundation for the application of the gas-removal technique to the molten salt reactor.

熔盐堆是国际上重点发展的四代核反应堆型之一，核裂变反应会使熔盐中产生大量氚、氪、氙等放射性裂变气体，在线实时地在高温熔盐中脱除这些裂变气体是熔盐堆辐射防护的关键之一。为了解决裂变气体脱除技术中的核心基础科学问题，本项目围绕鼓泡脱气的技术理念，通过高温环境下两相流的试验研究、数值模拟和理论建模分析相结合的手段，掌握气泡发生装置内气泡脱落、碎化与聚并的物理机制和作用规律，揭示气液分离流动中微气泡的三维形态演变和分离机理，建立气泡分离特性与流动参量、结果几何参量的数学模型，从而获得微气泡生成机理和控制方法和微量气体-微气泡分离理论和技术，从而为熔盐堆裂变气体脱除技术的工程应用提供技术支撑。

熔盐堆是国际上重点发展的四代核反应堆型之一，核裂变反应会使熔盐中产生大量氚、氪、氙等放射性裂变气体，在线实时地在高温溶盐中脱除这些裂变气体是熔盐堆辐射防护的关键之一。.为了解决裂变气体脱除技术中的核心基础科学问题，本项目围绕鼓泡脱气的技术理念，通过两相流的试验研究、数值模拟和理论建模分析相结合的手段，揭示了对流占主导条件下的气液传质机理，获得了适用于高温熔盐环境下的气液传质效率关联式，并进一步获得了高温熔盐堆的鼓泡脱气操作参数；掌握气泡发生装置内气泡脱落、碎化与聚并的物理机制和作用规律，获得了适用于高温熔盐环境下的气泡破碎的临界参数和气泡尺寸关联式；掌握了分离器中复杂内部流场及气芯形态演变机理，建立了旋流场气泡运动轨迹快速预测模型并掌握了气芯稳定性的控制方法。获得了以下重要成果：.传质方面建立了亚格子尺度传质数值模拟方法，揭示了对流占主导条件下的气液传质微观机制，掌握了曲率管道内气体脱除性能的宏观规律和预测关联式，获得了不同熔盐堆工况去除氙毒需要的鼓泡参数；鼓泡方面基于高时空可视化研究和数值模拟，揭示了气泡在文丘里式气泡发生装置中湍流破碎的三种模式，得到了气泡破碎的临界条件：临界韦伯数，建立了适用于高温熔盐环境下气泡尺寸与流动参量和几何参量的数学模型；提出气泡尺寸的控制方法；揭示气液分离流动中微气泡的三维形态演变和分离机理，建立气泡分离特性与流动参量、结果几何参量的数学模型，从而获得微气泡生成机理和控制方法和微量气体-微气泡分离理论和技术。.上述研究得到了国内外同行的高度评价，并且得到了上海应用物理研究所的认可，将应用于高温熔盐反应堆中的裂变气体脱除，同时，相关的技术已经应用于军用动力堆中的微量氮元素、氢元素的调控中。