CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
FLiBe熔盐净化体系中结构和扩散的AIMD研究
贺国达
Subtype硕士
Thesis Advisor谢雷东
2020-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
KeywordFLiBe 熔盐净化 CPMD 微观结构 扩散特性
Abstract熔盐堆是第四代先进反应堆的六种候选堆之一,具有固有安全性高、产生核废料少、防核扩散和钍高效利用等优势,发展熔盐堆将有助于解决能源和环境双重挑战。熔盐作为熔盐堆的核燃料溶剂和冷却剂,其理化性质对反应堆的安全性和经济性有着重要影响。FLiBe(2LiF-BeF_2)熔盐具有中子经济性高、操作压力低、耐辐照性能好、核素(钍和铀)相容性大等优势而被广泛研究和应用。其中的核素相容性和对结构材料的腐蚀性与熔盐的纯度密切相关,因此进入反应堆前的熔盐净化是熔盐堆临界及安全运行的重要保障。熔盐净化采用HF/H_2混合气体与液态熔盐的多相反应工艺,其中熔盐的扩散特性和气液传质对净化工艺及后续的工程放大至关重要。本文通过分子动力学模拟,从熔盐的微观结构出发,研究了FLiBe熔盐网络结构和扩散特性的关联;其次研究杂质对FLiBe熔盐网络结构和扩散特性的影响,并模拟了净化过程中反应气体在熔盐中的扩散行为。针对第一部分研究内容本文采用基于密度泛函理论的Car-Parrinello分子动力学(CPMD)研究了FLiBe熔盐的微观结构及基于此结构的扩散行为。计算参数选取适合熔盐体系的Becke-Lee-Yang-Parr(BLYP)交换相关泛函和Goedecker-Teter-Hutter(GTH)膺势。通过径向分布函数、配位数、离子键强度和配位层周期的分析,深入地研究了FLiBe熔盐网络结构中各种配体的形成机理并获得其数量比例,在考虑此网络结构对扩散行为的影响下,计算了自扩散系数和电导率。研究结果表明:Be~(2+)具有较强的络合能力,易形成中性网络聚合体,且其数量随温度的增加而减少;液态FLiBe熔盐中除了包含聚合体,还包含游离的F~-、Li~+、BeF_3~-和BeF_4~(2-),而非完全游离的F~-、Li~+和Be~(2+)。基于此微观结构获得的自扩散系数及电导率与文献中的实验结果吻合较好,且电导率随温度变化符合阿伦尼乌斯模型,而不是目前文献认为的无限稀释溶液的线性模型。在上述计算模型准确地模拟FLiBe熔盐结构和扩散性质的基础上,对FLiBe熔盐净化体系(即FLiBe熔盐中包含多种杂质SO_4~(2-)、NO_3~-、Cr~(n+)、H_2O、Fe~(3+)、Ni~(2+),以及反应气体HF、H_2的体系)的结构、扩散和传质进行研究。首先研究了多种杂质对FLiBe熔盐结构和扩散特性的影响,然后研究了净化过程中用以除去氧化物杂质的反应气体H_2/HF在和含杂质的FLiBe熔盐中的扩散行为,并计算其扩散系数。对FLiBe熔盐在不同温度和不同杂质离子含量下的结构进行分析,结果表明杂质离子含量增大或反应温度的下降均能增强FLiBe熔盐中占有主要配位结构的Be-F离子对的相互作用,使FLiBe熔盐中F~-、Li~+和Be~(2+)的自扩散系数变小,同时也降低了H_2和HF在其中的迁移率。另外,还发现HF在FLiBe熔盐中运动时,HF极易分解为H~+和F~-离子,使HF的扩散系数与F~-相近。以上两部分对FLiBe熔盐及其净化过程的结构和扩散特性研究:揭示了FLiBe熔盐的微观结构与扩散特性的关联,实现了扩散系数和电导率与相关实验结果的统一;研究了杂质离子对FLiBe熔盐的结构和扩散的影响规律,为指导熔盐净化体系的反应过程分析提供依据;得到了HF/H_2在FLiBe熔盐中的扩散系数,为净化过程的传质数据获取提供一种可行方法。
Pages86
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32502
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
贺国达. FLiBe熔盐净化体系中结构和扩散的AIMD研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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