双层PTFE/陶瓷复合膜的窄孔径分布构建及其在锅炉排污处理中的应用研究

为解决高温铅铋反应堆气溶胶过滤中工程级过滤器性能评估难题，研究人员开发了融合简化模型与微观机制的三维快速计算方法。通过实验验证，该方法预测流阻最大相对偏差仅10.13%，400℃条件下过滤效率偏差低于0.8%，并提出Type-7滤芯布局方案（QF=1.03），为高温核反应堆过滤系统设计提供新思路。

　　

在第四代先进核反应堆和加速器驱动次临界系统(ADS)的发展中，铅冷快堆因其优异性能成为重点候选方案。然而反应堆运行过程中产生的铅铋气溶胶会随覆盖气体循环扩散，不仅造成放射性污染，还可能损害系统电路和旋转机械设备。传统金属纤维过滤器的研究多集中于单纤维或有限褶皱模型的微观机制，难以直接预测工程级过滤器的整体性能。面对高温（400℃）、高洁净度、低阻力的严苛要求，如何快速准确评估过滤器性能成为工程设计的关键瓶颈。

中国核电工程研究院有限公司的研究团队创新性地提出了一种烛型金属纤维过滤器设计方案。通过结合简化三维模型与微观过滤机制（SEM、CFD和数值计算耦合），建立了适用于工程级过滤器的快速性能评估方法。相关成果发表在《Separation and Purification Technology》上，为高温核反应堆气溶胶过滤系统提供了重要技术支撑。

研究主要采用三项关键技术：1）基于316L不锈钢纤维的三层结构表征（6μm过滤层+24μm保护层）；2）耦合Navier-Stokes方程与k-ε湍流模型的CFD模拟；3）离散相模型(DPM)与多孔介质模型的联合计算方法。通过单滤筒实验验证，最大流阻预测偏差控制在10.13%以内，高温条件下效率计算偏差仅0.8036%。

【物理参数表征】通过扫描电镜(SEM)分析显示，金属纤维材料具有0.218的平均孔隙率和6.23μm的特征纤维直径，其非均匀结构通过分形维数（2.41）量化表征。

【模型控制方程】采用改进的Brinkman方程描述多孔介质流动，结合单纤维效率理论计算捕获效率。其中扩散效率η_D=2.7Pe^-2/3，拦截效率η_R=0.5(1+α)^-1，α为纤维间距比。

【实验验证】在重力方向安装的滤筒测试中，模拟结果与实验数据的压力降曲线R²达0.983，验证了模型的可靠性。Type-7设计（7个滤筒）展现出最优综合性能，质量因子QF较基线提升17%。

【结构优化】对比5种滤筒布局发现：增加滤筒数量可扩大过滤面积（最大降低28%压降），但会加剧流动不均匀性（速度变异系数增加12%）。Type-7方案在效率（99.97%）与能耗比方面取得最佳平衡。

该研究突破了传统过滤模型"微观机制难以宏观应用"的局限，提出的快速评估方法将计算效率提升两个数量级。特别值得注意的是，研究发现多机制耦合时单纤维效率存在协同效应——实际效率比各机制独立作用之和高出23.6%，这一发现为高效过滤器设计提供了新思路。研究不仅为铅铋反应堆气体净化系统提供了具体解决方案（Type-7设计压降仅187Pa），其建立的CFD-DPM耦合框架还可推广至化工、制药等领域的精密过滤系统优化。