راندمان و ایمنی نیروگاههای هستهای در تعیین نقش و میزان استفاده از این نیروگاهها در آینده تعیین کننده میباشد.نیروگاههای امروزی دارای راندمانی بین 30 تا 40 درصد میباشند، که برای افزایش آن میبایستی توانایی انتقال حرارتی خنککننده را افزایش داد تا بتوان انتقال این گرمای تولیدی از قلب را فراهم کرد. به همین جهت تاکنون عمده فعالیتهای کاربرد ذرات نانو در قلب رآکتورها بر روی افزایش ضریب انتقال حرارت متمرکز شده است. از طرفی در قلب رآکتور هستهای، همراه مبحث انتقال حرارت، مبحث نوترونیک نیز اهمیت بسیار بالایی دارد. خنککنندگی در شرایط اضطراری قلب، خنککننده علاوه بر جنبه خنککنندگی قلب میبایستی حاوی مواد جاذب نوترون نیز باشد که اغلب از اسید بوریک استفاده میشود. در این مطالعه امکان استفاده از نانوسیالات به جای اسید بوریک در خنککننده قلب رآکتور هستهای، عمدتا از دیدگاه نوترونیک، وبه صورت اجمالی از نقطه نظرات خوردگی و اقتصادی مورد بررسی قرار گرفته است، و سعی بر آن است تا یک نانوسیال مناسب برای استفاده در خنککننده اضطراری رآکتور معرفی شود. در این پایاننامه نانوسیالات اکسید مس، اکسید هافنیوم، اکسید آلومینیوم، اکسید گادلینیوم، اکسید کادمیوم، مس و اکسید تیتانیوم مورد مطالعه قرار گرفتند. در قسمت بررسیهای نوترونیک مشخص شد که اکسید هافنیوم از نقطه نظر نوترونیک نسبت به دیگر نانوسیالات مورد آزمایش جایگزینی مناسب برای بوریک اسید است. از نقطه نظرات اقتصادی نیز اکسید هافنیوم در حد متوسط ویژگیهای لازم را نسبت به دیگر نانوسیالات مورد مطالعه برخوردار میباشد. برای انجام محاسبات نوترونیک از کد MCNPX و برای انجام محاسبات خوردگی از نرمافزارهای LCC و CDMS استفاده شده است.کلمات کلیدی:نانوسیال، رآکتور هسته ای، ضریب تکثیر، نرمافزار MCNPX، CDMS فهرست مطالب عنوان صفحه فصل اول: مقدمه.. 1 فصل دوم: پیشینه تحقیق2-1- مقدمه.. 52-2- کارهای انجام شده:.. 5 فصل سوم: تئوری3-1- مقدمه.. 133-2- کلیات.. 133-3- انتقال حرارت در نانو سیالات.. 153-2-1 مكانيسمهاي انتقال حرارت در نانو سيالات.. 173-3- بررسی نوترونیک.. 243-3-1- جاذبهای شیمیایی.. 263-4- بررسی خوردگینانوسیالات.. 313-4-1- اهمیت خوردگی در صنعت.. 333-5- بررسی اقتصادی.. 343-5-1- هزینهاولیهنانوسیالوتامینآن.. 353-5-2-هزینههایخوردگیوپمپاژناشیازوجودنانوسیالات 36عنوان صفحه 3-6- معرفی کدهای مورداستفاده.. 373-6-1- کد هستهای MCNPX.. 373-7- آشنایی با رآکتورهای هستهای.. 42 فصل چهارم: روشکار و مدلسازی4-1-مقدمه.. 494-2- مدلسازی برای مطالعه نوترونیک.. 504-2-1- معرفی کارت kcode:.. 514-3-روش مطالعه خوردگی.. 524-3-1- مقدمه.. 524-3-2- شرایط مدلسازی.. 544-4-مطالعه اقتصادی.. 55 فصل پنجم: نتایج5-1- مقدمه.. 605-2- بررسی نوترونیک نانوسیالات.. 615-2-1- اسید بوریک:.. 615-2-2- خنککننده حاوی نانو سیال مس در آب:.. 625-2-3-خنککننده حاوی نانو سیال اکسید تیتانیوم در آب: 635-2-4-خنککننده حاوی نانو سیال اکسید مس در آب:.. 645-2-5-خنککننده حاوی نانو سیال اکسید آلومینیوم در آب: 655-2-6- خنککننده حاوی نانو سیال اکسید هافنیوم در آب: 665-2-7- خنککننده حاوی نانو سیال کادمیم در آب:.. 675-2-8- خنککننده حاوی نانو سیال اکسید گادولینیوم در آب: 68عنوان صفحه 5-2-9- تأثیر نانوسیال HfO بر ضریب تکثیر در وضعیت داغ رآکتور 695-2-10- بحرانی کردم تنها با نانوسیال.. 715-3- نتایج بررسی خوردگی.. 725-3-1- نتایج مربوط به نانوسیال آلومینا (Al2O3).. 725-3-2- نتایج مربوط به نانوسیال مس (Cu).. 765-3-3-نتایج مربوط به نانوسیال تیتانیم دیاکسید (TiO2) 794-3-4- نتایج مربوط به نانوسیال اکسیدهافنیوم(HfO) 815-3-5- مقایسه خوردگی ناشی از نانوسیالات متفاوت در یک ضریب تکثیر مشابه:.. 835-4- نتایج بررسی اقتصادی نانوسیالات.. 85 فصل ششم: بحث در نتایج.. 896-1-مقدمه.. 906-2- نتیجهگیری بررسی نوترونیک.. 916-3- نتیجهگیری بررسی خوردگی.. 926-4- نتیجهگیری بررسی اقتصادی.. 936-4-1- هزینه اولیه.. 936-4-2- هزینه خوردگی.. 946-5- نتیجهگیری نهایی.. 946-6- پیشنهادات.. 95 فهرست مراجع.. 96 عنوان صفحه جدول 3-1 : انواع تالیهای موجود در کد MCNPX.. 42جدول 3-2: مشخصات فنی راکتور بوشهر.. 45جدول 4-1: هزینه اولیه نانوسیالات در مقایسه با بوریک اسید 58جدول 5-1: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال مس بروی ضریب تکثیر.. 62جدول 5-2: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید تیتانیوم بروی ضریب تکثیر.. 63جدول 5-3: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید مس بروی ضریب تکثیر.. 64جدول 5-4: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید آلومینیوم بروی ضریب تکثیر.. 65جدول 5-5: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید هافنیوم بروی ضریب تکثیر.. 66جدول 5-6: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال کادمیوم بروی ضریب تکثیر.. 67جدول 5-7: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید گادولینیوم بروی ضریب تکثیر.. 68جدول 5-8: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال آلومینا 72جدول 5-9: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال مس 76جدول 5-10: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال تیتانیوم دیاکسید.. 79عنوان صفحه جدول 5-11: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال اکسید هافنیوم در زمانهای مختلف.. 81جدول 5-12: مقدار موردنیاز از هر نانوسیال برای داشتن ضریب تکثیر 0.9.. 83جدول 5-13: قیمت یک تن از نانوسیالات در مقایسه با بوریک اسید 86 فهرست اشکال عنوان صفحه شکل 1-1: فلوچارت مراحل انجام پایاننامه.. 3شکل 3-1: مقیاسی از ذرات نانوسیال.. 16شکل3-2: پارامترهای مختلف بروی مختصات کروی نانوسیال 18شکل 3-3: تغییرات ضریب انتقال گرمای نسبی با درصد حجمی نانوسیال 20شکل3-4: تأثیر ارزش راکتیویته و عمق میلههای کنترل بر روی دانسیته توان محوری.. 28شکل 3-5: ارزش راکتیویته محاسبه شده بورون محلول برای سه نوع رآکتور pwr30شکل3-6: نمايي از قلب راکتور بوشهر.. 44شکل4-1: نمایی از محیط نرمافزار CDMS. 52شکل 4-2: نمایش نتایج خروجی توسط FREECORP. 53شکل4-3: نمودار سرعت سیال نسبت به دور گردش پمپ در دقیقه 54شکل4-4: تغییر غلظت بوریک اسید در ورودی و خروجی رآکتور نسبت به زمان.. 56شکل 4-5: تغییرات غلظت نانوسیالات معادل بوریک اسید در طول زمان 57شکل 4-6: تغییرات توان پمپاژ با درصد حجمی نانوسیال.. 57شکل 4-7: تغییرات افت فشار با درصد حجمی نانوسیال.. 58شکل5-1: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال مس.. 62شکل 5-2: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال مس.. 63شکل 5-3: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال مس.. 64شکل 5-4: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال آلومینیوم.. 65عنوان صفحه شکل 5-5: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال هافنیوم.. 66شکل 5-6: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال کادمیوم.. 67شکل 5-7: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال گادلینیوم.. 68شکل5-8: تغییرات ضریب تکثیر با درصد اکسید هافنیوم از حالت بحرانی 69شکل5-9: تغییرات ضریب تکثیر با درصد اکسید هافنیوم از حالت بحرانی 70شکل5-10: تغییرات ضریب تکثیر با درصد وزنی اکسید هافنیوم از حالت بحرانی.. 71شکل5-11: میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال آلومینا.. 73شکل5-12: تأثیر غلظتهای متفاوت آلومینا بروی اصطکاکدیواره لوله 74شکل 5-13: تأثیر غلظتهای متفاوت آلومینا بروی فرسایشدیواره لوله 75شکل 5-14: میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال مس.. 76شکل5-15: تأثیر غلظتهای متفاوت نانوسیال مس بروی اصطکاک دیواره لوله.. 77شکل 5-16: تأثیر غلظتهای متفاوت نانو سیال مس بروی فرسایش دیواره لوله.. 78شکل 5-17: : میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال تیتانیوم دیاکسید.. 79شکل 5-18 : تأثیر غلظتهای متفاوت نانوسیال تیتانیوم دیاکسید بروی اصطکاک دیواره لوله.. 80شکل 5-19: تأثیر غلظتهای متفاوت نانوسیال تیتانیوم دیاکسید بروی فرسایش دیواره لوله.. 80شکل 5-20: میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال اکسید هافنیوم.. 81شکل 5-21: تأثیر غلظتهای متفاوت نانوسیال اکسید هافنیوم بر روی اصطکاک دیواره لوله.. 82شکل 5-22: تأثیر غلظتهای متفاوت نانو سیال اکسید هافنیوم بر روی فرسایش دیواره لوله.. 83عنوان صفحه شکل 5-23: میزان فاکتور اصطکاک ناشی از نانوسیالات مختلف با مقادیر آمده در جدول 5-7.. 84شکل 5-24: تغییرات غلظت بوریک اسید در مقایسه با اکسید هافنیوم نسبت به زمان.. 85شکل 5-25: هزینه اولیه نانوسیال اکسید هافنیوم.. 86شکل 5-26: هزینه کلی خوردگی برای یک متر لوله در نیروگاه هستهای 87شکل 5-27: تغییر در توان پمپاژ در اثر وجود نانوسیال با درصدهای حجمی مختلف.. 87شکل 5-28: تغییر در افت فشار در اثر وجود نانوسیال با درصدهای حجمی مختلف.. 88شکل 6-1: تغییرات ضریب تکثیر نسبت به درصدهای حجمی مختلف نانوسیال 91شکل 6-2: تغییرات نرخ خوردگی برای نانوسیالات مختلف در طول زمان 92شکل 6-3: هزینه اولیه نانوسیالات مورد بررسی.. 93شکل 6-4: هزینه خوردگی ناشی از وجود نانوسیالات مختلف در آب 94 فهرست اختصارات MCNPXMonte Carlo N-Particle eXtendedNuNusselt NumberReReynolds NumberPrPrandel NumberFSARFinal Safety Analysis ReportNPSHNet Positive Suction HeadBNPPBushehr Nuclear Power PlantKConductivity ConstantHeat FluxLCCLife Cycle CostingCDMSCorrosion Data Manager Software فصل اول مقدمه 1-1- کلیات در سالهای اخیر استفاده از انرژی هستهای برای تولید برق افزایش یافته و همچنین در حال افزایش است. نیروگاههای هستهای در آیندهای نه چندان دور منبع اصلی تولید برق خواهند بود. در نیروگاه هستهای انرژی حاصل از شکافت هستهای آب را گرم کرده و سپس این آب که در مدار اول است آب موجود در مدار دوم را بخار کرده و بخار با وارد شدن به توربین باعث گردش آن و تولید برق میشود. با این حساب انتقال کامل گرما از مدار اول به مدار دوم امری بسیار مهم است و هرچه اتلاف گرما کمتر باشد بازدهی بیشتری خواهیم داشت. نیروگاههای امروزی با راندمانی بین 30 تا 40 درصد کار میکنند. به عنوان مثال نیروگاه هستهای بوشهر 3000 مگاوات توان حرارتی آن است درحالیکه توان الکتریکی آن 1000 مگاوات است. از گذشته تحقیقات زیادی برای بالا بردن ضریب انتقال حرارت آب که به عنوان خنککننده در بسیاری از رآکتورها است انجام شده است. یکی از راههای افزایش ضریب انتقال حرارت سیال منتقلکننده حرارت، استفاده از نانو سیالات است. به این شکل که نانوذراتی که دارای ضریب انتقال حرارت خوبی هستند، مانند نانوذرات مس را به سیال پایه با درصدهای حجمی مشخصی اضافه میکنند. این کار باعث افزایش قابلتوجه ضریب انتقال حرارت سیال پایه میشود. در رآکتور هستهای مسئله پیچیدهتر است و سیال پایه علاوه بر ضریب انتقال حرارت بالا باید دارای ویژگیهای دیگری نیز باشد. از این ویژگیها میتوان به نقش کندکنندگی سیال خنککننده اشاره کرد که نقش سیال پایه را دوگانه میکند. در رآکتورهای اتمی برای کنترل راکتور علاوه بر میلههای کنترل از سموم محلول در خنککننده نیز استفاده میکنند. در رآکتورهای آبی اسید بوریک را به آب با غلظتهای مشخصی اضافه میکنند. بورون موجود در اسید بوریک یک سم نوترونی قوی است که سطح مقطع جذب نوترون بالایی دارد. همچنین مسئله اقتصادی اضافه کردن نانوسیال به سیال پایه از اهمیت بالایی برخوردار است. اگر نانوسیالی را بیابیم که هم باعث افزایش انتقال حرارت شود و هم بتواند نقش بوریک اسید را بازی کند و هم توجیه اقتصادی داشته باشد گامی بزرگ برداشتهایم. بر این اساس در این مطالعه سعی داریم نانوسیالاتی که از نظر انتقال حرارت مناسب میباشند و در مطالعات مورد توجه قرارگرفتهاند را از نظر نوترونیک، اقتصادی و خوردگی مورد بررسی قرار دهیم و نانو سیالی که به هدف گفتهشده ما نزدیک باشد را به عنوان نانوسیال ایدهآل معرفی کنیم. برای این کار از نرمافزارهایی برای انجام مطالعات نوترونی، خوردگی و اقتصادی استفاده میکنیم. از این نرمافزارها میتوان به MCNPXبرای انجام مطالعات نوترونیک و CDMS و FREECORP برای مطالعات خوردگی اشاره کرد. نرمافزارهای مورداستفاده بهتفصیل در فصلهای بعد معرفی خواهند شد. در شکل 1-1 فلوچارت مراحل انجام پایاننامه نشان دادهشده است. شکل 1-1: فلوچارت مراحل انجام پایاننامه فصل دوم 2-1- مقدمه تاکنون مطالعات بسياري بهمنظور بررسي خواص مثبت نانو سيالات صورت گرفته است تحقيق لي ات ال در سال 1999 نشاندهنده ارتقا قابل ملاحظه رسانايي حرارتي نانوسيالات محتوي آب و اتيلن، گليکول همراه با نانو ذرات اکسيد آلومينيم و اکسيد مس در دماي اتاق میباشد]1[. 2-2- کارهای انجام شده افزايش رسانايي گرمايي يک موفقيت قابل تحسين را براي استيمن ات ال به ارمغان آورد ، هنگامي که آنها افزايش رسانايي را تا 40% با افزودن تنها 4% از نانو ذرات مس خالص با ابعاد متوسط کمتر از 10 نانومتر حاصل نمود. چنين گزارش شد که رسانايي گرمايي نانوذرات میتواند بيش از 20% افزايش داده شود در يک پژوهش ديگر داس ات ال نشان داد که رسانايي گرمايي نانو سيالت در دماهاي بالاتر افزايش بيشتري مییابد که کاربرد آن را در سردسازی جریانهای حرارتي بالا مطلوبتر مینماید]2[.در اين پژوهش اين افزايش از 2% به 36% رسيده است هنگامي که دماي اکسيد نانوذرات معلق از 21 درجه سانتیگراد به 51 درجه سانتیگراد افزايش دادند (با غلظت حجمي 1% و 4%) کار پژوهشي پاتل ات ال با نانوذرات طلا و نقره با قطر 20-10 نانومتر انجام شد آزمایشهای آنها نيز تأثيرات شديد دما را بر روي رسانايي گرمايي از 5% به 221% در بازه حرارتي 60-30 درجه سانتيگراد نشان داد ]2[.کلبنسکي ات ال ]3[ نيز مکانیسم انتقال حرارت در نانو سيالات را بررسي نمود و دلايل احتمالي افزايش رسانايي گرمايي نانوسيالات را ارائه کرد: اين دلايل شامل اثرات سايز کوچک، تراکم و تجمع نانوسيالات میباشد.افزايش رسانايي حرارتي نانوسيالات به محققان اين فرصت را میدهد تا پژوهشهای وسیعتری را در اين زمينه انجام دهند. افزايش واقعي قابليت انتقال حرارت را میتوان در شرايط همرفتي نشان داد و مقالات اندکي به بحث دربارهی کارايي انتقال حرارت همرفتي نانوسيالات پرداختهاند. ژوان و روتزل دو راهکار متفاوت براي روابط انتقال حرارت نانوسيالات ارائه نمودند. يک راهکار مرسوم، در نظر گرفتن نانوسيالات به عنوان سيال تک فاز میباشد و راهکار ديگر لحاظ نمودن ويژگي چند فاز بودن نانوسيالات و نانوذرات پراکنده میباشد. سپس ژوان و لي نتايج بررسیهای خود را دربارهی ویژگیهای جريان انتقال حرارت همرفتي منتشر نمودند. آنها انتقال حرارت همرفتي نانو سيالاتي را که متشکل از آب غير يونيزه و ذرات مس با قطر کمتر از 10 نانومتر و با درصد حجم 0.3، 0.5، 0.82، 1، 1.2، 1.5، 2 درصد از کل سيال اندازهگیری نمودند و دريافتند که ضريب انتقال حرارت همرفتي نانوسیالات از 6% به 39% افزايش مییابد ]4[.
امکان سنجی کاربرد نانوسیالات به عنوان جاذب نوترون در خنککننده اضطراری قلب رآکتورword
راندمان و ایمنی نیروگاههای هستهای در تعیین نقش و میزان استفاده از این نیروگاهها در آینده تعیین کننده میباشد.نیروگاههای امروزی دارای راندمانی بین 30 تا 40 درصد میباشند، که برای افزایش آن میبایستی توانایی انتقال حرارتی خنککننده را افزایش داد تا بتوان انتقال این گرمای تولیدی از قلب را فراهم کرد. به همین جهت تاکنون عمده فعالیتهای کاربرد ذرات نانو در قلب رآکتورها بر روی افزایش ضریب انتقال حرارت متمرکز شده است. از طرفی در قلب رآکتور هستهای، همراه مبحث انتقال حرارت، مبحث نوترونیک نیز اهمیت بسیار بالایی دارد. خنککنندگی در شرایط اضطراری قلب، خنککننده علاوه بر جنبه خنککنندگی قلب میبایستی حاوی مواد جاذب نوترون نیز باشد که اغلب از اسید بوریک استفاده میشود. در این مطالعه امکان استفاده از نانوسیالات به جای اسید بوریک در خنککننده قلب رآکتور هستهای، عمدتا از دیدگاه نوترونیک، وبه صورت اجمالی از نقطه نظرات خوردگی و اقتصادی مورد بررسی قرار گرفته است، و سعی بر آن است تا یک نانوسیال مناسب برای استفاده در خنککننده اضطراری رآکتور معرفی شود. در این پایاننامه نانوسیالات اکسید مس، اکسید هافنیوم، اکسید آلومینیوم، اکسید گادلینیوم، اکسید کادمیوم، مس و اکسید تیتانیوم مورد مطالعه قرار گرفتند. در قسمت بررسیهای نوترونیک مشخص شد که اکسید هافنیوم از نقطه نظر نوترونیک نسبت به دیگر نانوسیالات مورد آزمایش جایگزینی مناسب برای بوریک اسید است. از نقطه نظرات اقتصادی نیز اکسید هافنیوم در حد متوسط ویژگیهای لازم را نسبت به دیگر نانوسیالات مورد مطالعه برخوردار میباشد. برای انجام محاسبات نوترونیک از کد MCNPX و برای انجام محاسبات خوردگی از نرمافزارهای LCC و CDMS استفاده شده است.کلمات کلیدی:نانوسیال، رآکتور هسته ای، ضریب تکثیر، نرمافزار MCNPX، CDMS فهرست مطالب عنوان صفحه فصل اول: مقدمه.. 1 فصل دوم: پیشینه تحقیق2-1- مقدمه.. 52-2- کارهای انجام شده:.. 5 فصل سوم: تئوری3-1- مقدمه.. 133-2- کلیات.. 133-3- انتقال حرارت در نانو سیالات.. 153-2-1 مكانيسمهاي انتقال حرارت در نانو سيالات.. 173-3- بررسی نوترونیک.. 243-3-1- جاذبهای شیمیایی.. 263-4- بررسی خوردگینانوسیالات.. 313-4-1- اهمیت خوردگی در صنعت.. 333-5- بررسی اقتصادی.. 343-5-1- هزینهاولیهنانوسیالوتامینآن.. 353-5-2-هزینههایخوردگیوپمپاژناشیازوجودنانوسیالات 36عنوان صفحه 3-6- معرفی کدهای مورداستفاده.. 373-6-1- کد هستهای MCNPX.. 373-7- آشنایی با رآکتورهای هستهای.. 42 فصل چهارم: روشکار و مدلسازی4-1-مقدمه.. 494-2- مدلسازی برای مطالعه نوترونیک.. 504-2-1- معرفی کارت kcode:.. 514-3-روش مطالعه خوردگی.. 524-3-1- مقدمه.. 524-3-2- شرایط مدلسازی.. 544-4-مطالعه اقتصادی.. 55 فصل پنجم: نتایج5-1- مقدمه.. 605-2- بررسی نوترونیک نانوسیالات.. 615-2-1- اسید بوریک:.. 615-2-2- خنککننده حاوی نانو سیال مس در آب:.. 625-2-3-خنککننده حاوی نانو سیال اکسید تیتانیوم در آب: 635-2-4-خنککننده حاوی نانو سیال اکسید مس در آب:.. 645-2-5-خنککننده حاوی نانو سیال اکسید آلومینیوم در آب: 655-2-6- خنککننده حاوی نانو سیال اکسید هافنیوم در آب: 665-2-7- خنککننده حاوی نانو سیال کادمیم در آب:.. 675-2-8- خنککننده حاوی نانو سیال اکسید گادولینیوم در آب: 68عنوان صفحه 5-2-9- تأثیر نانوسیال HfO بر ضریب تکثیر در وضعیت داغ رآکتور 695-2-10- بحرانی کردم تنها با نانوسیال.. 715-3- نتایج بررسی خوردگی.. 725-3-1- نتایج مربوط به نانوسیال آلومینا (Al2O3).. 725-3-2- نتایج مربوط به نانوسیال مس (Cu).. 765-3-3-نتایج مربوط به نانوسیال تیتانیم دیاکسید (TiO2) 794-3-4- نتایج مربوط به نانوسیال اکسیدهافنیوم(HfO) 815-3-5- مقایسه خوردگی ناشی از نانوسیالات متفاوت در یک ضریب تکثیر مشابه:.. 835-4- نتایج بررسی اقتصادی نانوسیالات.. 85 فصل ششم: بحث در نتایج.. 896-1-مقدمه.. 906-2- نتیجهگیری بررسی نوترونیک.. 916-3- نتیجهگیری بررسی خوردگی.. 926-4- نتیجهگیری بررسی اقتصادی.. 936-4-1- هزینه اولیه.. 936-4-2- هزینه خوردگی.. 946-5- نتیجهگیری نهایی.. 946-6- پیشنهادات.. 95 فهرست مراجع.. 96 عنوان صفحه جدول 3-1 : انواع تالیهای موجود در کد MCNPX.. 42جدول 3-2: مشخصات فنی راکتور بوشهر.. 45جدول 4-1: هزینه اولیه نانوسیالات در مقایسه با بوریک اسید 58جدول 5-1: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال مس بروی ضریب تکثیر.. 62جدول 5-2: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید تیتانیوم بروی ضریب تکثیر.. 63جدول 5-3: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید مس بروی ضریب تکثیر.. 64جدول 5-4: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید آلومینیوم بروی ضریب تکثیر.. 65جدول 5-5: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید هافنیوم بروی ضریب تکثیر.. 66جدول 5-6: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال کادمیوم بروی ضریب تکثیر.. 67جدول 5-7: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید گادولینیوم بروی ضریب تکثیر.. 68جدول 5-8: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال آلومینا 72جدول 5-9: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال مس 76جدول 5-10: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال تیتانیوم دیاکسید.. 79عنوان صفحه جدول 5-11: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال اکسید هافنیوم در زمانهای مختلف.. 81جدول 5-12: مقدار موردنیاز از هر نانوسیال برای داشتن ضریب تکثیر 0.9.. 83جدول 5-13: قیمت یک تن از نانوسیالات در مقایسه با بوریک اسید 86 فهرست اشکال عنوان صفحه شکل 1-1: فلوچارت مراحل انجام پایاننامه.. 3شکل 3-1: مقیاسی از ذرات نانوسیال.. 16شکل3-2: پارامترهای مختلف بروی مختصات کروی نانوسیال 18شکل 3-3: تغییرات ضریب انتقال گرمای نسبی با درصد حجمی نانوسیال 20شکل3-4: تأثیر ارزش راکتیویته و عمق میلههای کنترل بر روی دانسیته توان محوری.. 28شکل 3-5: ارزش راکتیویته محاسبه شده بورون محلول برای سه نوع رآکتور pwr30شکل3-6: نمايي از قلب راکتور بوشهر.. 44شکل4-1: نمایی از محیط نرمافزار CDMS. 52شکل 4-2: نمایش نتایج خروجی توسط FREECORP. 53شکل4-3: نمودار سرعت سیال نسبت به دور گردش پمپ در دقیقه 54شکل4-4: تغییر غلظت بوریک اسید در ورودی و خروجی رآکتور نسبت به زمان.. 56شکل 4-5: تغییرات غلظت نانوسیالات معادل بوریک اسید در طول زمان 57شکل 4-6: تغییرات توان پمپاژ با درصد حجمی نانوسیال.. 57شکل 4-7: تغییرات افت فشار با درصد حجمی نانوسیال.. 58شکل5-1: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال مس.. 62شکل 5-2: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال مس.. 63شکل 5-3: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال مس.. 64شکل 5-4: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال آلومینیوم.. 65عنوان صفحه شکل 5-5: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال هافنیوم.. 66شکل 5-6: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال کادمیوم.. 67شکل 5-7: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال گادلینیوم.. 68شکل5-8: تغییرات ضریب تکثیر با درصد اکسید هافنیوم از حالت بحرانی 69شکل5-9: تغییرات ضریب تکثیر با درصد اکسید هافنیوم از حالت بحرانی 70شکل5-10: تغییرات ضریب تکثیر با درصد وزنی اکسید هافنیوم از حالت بحرانی.. 71شکل5-11: میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال آلومینا.. 73شکل5-12: تأثیر غلظتهای متفاوت آلومینا بروی اصطکاکدیواره لوله 74شکل 5-13: تأثیر غلظتهای متفاوت آلومینا بروی فرسایشدیواره لوله 75شکل 5-14: میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال مس.. 76شکل5-15: تأثیر غلظتهای متفاوت نانوسیال مس بروی اصطکاک دیواره لوله.. 77شکل 5-16: تأثیر غلظتهای متفاوت نانو سیال مس بروی فرسایش دیواره لوله.. 78شکل 5-17: : میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال تیتانیوم دیاکسید.. 79شکل 5-18 : تأثیر غلظتهای متفاوت نانوسیال تیتانیوم دیاکسید بروی اصطکاک دیواره لوله.. 80شکل 5-19: تأثیر غلظتهای متفاوت نانوسیال تیتانیوم دیاکسید بروی فرسایش دیواره لوله.. 80شکل 5-20: میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال اکسید هافنیوم.. 81شکل 5-21: تأثیر غلظتهای متفاوت نانوسیال اکسید هافنیوم بر روی اصطکاک دیواره لوله.. 82شکل 5-22: تأثیر غلظتهای متفاوت نانو سیال اکسید هافنیوم بر روی فرسایش دیواره لوله.. 83عنوان صفحه شکل 5-23: میزان فاکتور اصطکاک ناشی از نانوسیالات مختلف با مقادیر آمده در جدول 5-7.. 84شکل 5-24: تغییرات غلظت بوریک اسید در مقایسه با اکسید هافنیوم نسبت به زمان.. 85شکل 5-25: هزینه اولیه نانوسیال اکسید هافنیوم.. 86شکل 5-26: هزینه کلی خوردگی برای یک متر لوله در نیروگاه هستهای 87شکل 5-27: تغییر در توان پمپاژ در اثر وجود نانوسیال با درصدهای حجمی مختلف.. 87شکل 5-28: تغییر در افت فشار در اثر وجود نانوسیال با درصدهای حجمی مختلف.. 88شکل 6-1: تغییرات ضریب تکثیر نسبت به درصدهای حجمی مختلف نانوسیال 91شکل 6-2: تغییرات نرخ خوردگی برای نانوسیالات مختلف در طول زمان 92شکل 6-3: هزینه اولیه نانوسیالات مورد بررسی.. 93شکل 6-4: هزینه خوردگی ناشی از وجود نانوسیالات مختلف در آب 94 فهرست اختصارات MCNPXMonte Carlo N-Particle eXtendedNuNusselt NumberReReynolds NumberPrPrandel NumberFSARFinal Safety Analysis ReportNPSHNet Positive Suction HeadBNPPBushehr Nuclear Power PlantKConductivity ConstantHeat FluxLCCLife Cycle CostingCDMSCorrosion Data Manager Software فصل اول مقدمه 1-1- کلیات در سالهای اخیر استفاده از انرژی هستهای برای تولید برق افزایش یافته و همچنین در حال افزایش است. نیروگاههای هستهای در آیندهای نه چندان دور منبع اصلی تولید برق خواهند بود. در نیروگاه هستهای انرژی حاصل از شکافت هستهای آب را گرم کرده و سپس این آب که در مدار اول است آب موجود در مدار دوم را بخار کرده و بخار با وارد شدن به توربین باعث گردش آن و تولید برق میشود. با این حساب انتقال کامل گرما از مدار اول به مدار دوم امری بسیار مهم است و هرچه اتلاف گرما کمتر باشد بازدهی بیشتری خواهیم داشت. نیروگاههای امروزی با راندمانی بین 30 تا 40 درصد کار میکنند. به عنوان مثال نیروگاه هستهای بوشهر 3000 مگاوات توان حرارتی آن است درحالیکه توان الکتریکی آن 1000 مگاوات است. از گذشته تحقیقات زیادی برای بالا بردن ضریب انتقال حرارت آب که به عنوان خنککننده در بسیاری از رآکتورها است انجام شده است. یکی از راههای افزایش ضریب انتقال حرارت سیال منتقلکننده حرارت، استفاده از نانو سیالات است. به این شکل که نانوذراتی که دارای ضریب انتقال حرارت خوبی هستند، مانند نانوذرات مس را به سیال پایه با درصدهای حجمی مشخصی اضافه میکنند. این کار باعث افزایش قابلتوجه ضریب انتقال حرارت سیال پایه میشود. در رآکتور هستهای مسئله پیچیدهتر است و سیال پایه علاوه بر ضریب انتقال حرارت بالا باید دارای ویژگیهای دیگری نیز باشد. از این ویژگیها میتوان به نقش کندکنندگی سیال خنککننده اشاره کرد که نقش سیال پایه را دوگانه میکند. در رآکتورهای اتمی برای کنترل راکتور علاوه بر میلههای کنترل از سموم محلول در خنککننده نیز استفاده میکنند. در رآکتورهای آبی اسید بوریک را به آب با غلظتهای مشخصی اضافه میکنند. بورون موجود در اسید بوریک یک سم نوترونی قوی است که سطح مقطع جذب نوترون بالایی دارد. همچنین مسئله اقتصادی اضافه کردن نانوسیال به سیال پایه از اهمیت بالایی برخوردار است. اگر نانوسیالی را بیابیم که هم باعث افزایش انتقال حرارت شود و هم بتواند نقش بوریک اسید را بازی کند و هم توجیه اقتصادی داشته باشد گامی بزرگ برداشتهایم. بر این اساس در این مطالعه سعی داریم نانوسیالاتی که از نظر انتقال حرارت مناسب میباشند و در مطالعات مورد توجه قرارگرفتهاند را از نظر نوترونیک، اقتصادی و خوردگی مورد بررسی قرار دهیم و نانو سیالی که به هدف گفتهشده ما نزدیک باشد را به عنوان نانوسیال ایدهآل معرفی کنیم. برای این کار از نرمافزارهایی برای انجام مطالعات نوترونی، خوردگی و اقتصادی استفاده میکنیم. از این نرمافزارها میتوان به MCNPXبرای انجام مطالعات نوترونیک و CDMS و FREECORP برای مطالعات خوردگی اشاره کرد. نرمافزارهای مورداستفاده بهتفصیل در فصلهای بعد معرفی خواهند شد. در شکل 1-1 فلوچارت مراحل انجام پایاننامه نشان دادهشده است. شکل 1-1: فلوچارت مراحل انجام پایاننامه فصل دوم 2-1- مقدمه تاکنون مطالعات بسياري بهمنظور بررسي خواص مثبت نانو سيالات صورت گرفته است تحقيق لي ات ال در سال 1999 نشاندهنده ارتقا قابل ملاحظه رسانايي حرارتي نانوسيالات محتوي آب و اتيلن، گليکول همراه با نانو ذرات اکسيد آلومينيم و اکسيد مس در دماي اتاق میباشد]1[. 2-2- کارهای انجام شده افزايش رسانايي گرمايي يک موفقيت قابل تحسين را براي استيمن ات ال به ارمغان آورد ، هنگامي که آنها افزايش رسانايي را تا 40% با افزودن تنها 4% از نانو ذرات مس خالص با ابعاد متوسط کمتر از 10 نانومتر حاصل نمود. چنين گزارش شد که رسانايي گرمايي نانوذرات میتواند بيش از 20% افزايش داده شود در يک پژوهش ديگر داس ات ال نشان داد که رسانايي گرمايي نانو سيالت در دماهاي بالاتر افزايش بيشتري مییابد که کاربرد آن را در سردسازی جریانهای حرارتي بالا مطلوبتر مینماید]2[.در اين پژوهش اين افزايش از 2% به 36% رسيده است هنگامي که دماي اکسيد نانوذرات معلق از 21 درجه سانتیگراد به 51 درجه سانتیگراد افزايش دادند (با غلظت حجمي 1% و 4%) کار پژوهشي پاتل ات ال با نانوذرات طلا و نقره با قطر 20-10 نانومتر انجام شد آزمایشهای آنها نيز تأثيرات شديد دما را بر روي رسانايي گرمايي از 5% به 221% در بازه حرارتي 60-30 درجه سانتيگراد نشان داد ]2[.کلبنسکي ات ال ]3[ نيز مکانیسم انتقال حرارت در نانو سيالات را بررسي نمود و دلايل احتمالي افزايش رسانايي گرمايي نانوسيالات را ارائه کرد: اين دلايل شامل اثرات سايز کوچک، تراکم و تجمع نانوسيالات میباشد.افزايش رسانايي حرارتي نانوسيالات به محققان اين فرصت را میدهد تا پژوهشهای وسیعتری را در اين زمينه انجام دهند. افزايش واقعي قابليت انتقال حرارت را میتوان در شرايط همرفتي نشان داد و مقالات اندکي به بحث دربارهی کارايي انتقال حرارت همرفتي نانوسيالات پرداختهاند. ژوان و روتزل دو راهکار متفاوت براي روابط انتقال حرارت نانوسيالات ارائه نمودند. يک راهکار مرسوم، در نظر گرفتن نانوسيالات به عنوان سيال تک فاز میباشد و راهکار ديگر لحاظ نمودن ويژگي چند فاز بودن نانوسيالات و نانوذرات پراکنده میباشد. سپس ژوان و لي نتايج بررسیهای خود را دربارهی ویژگیهای جريان انتقال حرارت همرفتي منتشر نمودند. آنها انتقال حرارت همرفتي نانو سيالاتي را که متشکل از آب غير يونيزه و ذرات مس با قطر کمتر از 10 نانومتر و با درصد حجم 0.3، 0.5، 0.82، 1، 1.2، 1.5، 2 درصد از کل سيال اندازهگیری نمودند و دريافتند که ضريب انتقال حرارت همرفتي نانوسیالات از 6% به 39% افزايش مییابد ]4[.