عنوان                                                                                                                     صفحه

 

فصل اول: مقدمه. 1

 

فصل دوم: پیشینه تحقیق

2-1- مقدمه. 5

2-2- کارهای انجام شده: 5

 

فصل سوم: تئوری

3-1- مقدمه. 13

3-2- کلیات.. 13

3-3- انتقال حرارت در نانو سیالات.. 15

3-2-1 مكانیسم‌های انتقال حرارت در نانو سیالات.. 17

3-3- بررسی نوترونیک… 24

3-3-1- جاذب‌های شیمیایی.. 26

3-4- بررسی خوردگی نانو سیالات.. 31

3-4-1- اهمیت خوردگی در صنعت… 33

3-5- بررسی اقتصادی.. 34

3-5-1- هزینه اولیه نانوسیال وتامین آن.. 35

3-5-2-هزینه های خوردگی وپمپاژناشی ازوجود نانوسیالات.. 36

عنوان                                                                                                                     صفحه

 

3-6- معرفی کدهای مورداستفاده. 37

3-6-1- کد هسته‌ای MCNPX.. 37

3-7- آشنایی با رآکتورهای هسته­ای.. 42

 

فصل چهارم: روش­کار و مدل­سازی

4-1-مقدمه. 49

4-2- مدل‌سازی برای مطالعه نوترونیک… 50

4-2-1-  معرفی کارت kcode: 51

4-3-روش مطالعه خوردگی.. 52

4-3-1- مقدمه. 52

4-3-2- شرایط مدل‌سازی.. 54

4-4-مطالعه اقتصادی.. 55

 

فصل پنجم: نتایج

5-1- مقدمه. 60

5-2- بررسی نوترونیک نانوسیالات.. 61

5-2-1- اسید بوریک: 61

5-2-2- خنک‌کننده حاوی نانو سیال مس در آب: 62

5-2-3-خنک‌کننده حاوی نانو سیال اکسید تیتانیوم در آب: 63

5-2-4-خنک‌کننده حاوی نانو سیال اکسید مس در آب: 64

5-2-5-خنک‌کننده حاوی نانو سیال اکسید آلومینیوم در آب: 65

5-2-6- خنک‌کننده حاوی نانو سیال اکسید هافنیوم در آب: 66

5-2-7- خنک‌کننده حاوی نانو سیال کادمیم در آب: 67

5-2-8- خنک‌کننده حاوی نانو سیال اکسید گادولینیوم در آب: 68

عنوان                                                                                                                     صفحه

 

5-2-9- تأثیر نانوسیال HfO بر ضریب تکثیر در وضعیت داغ رآکتور. 69

5-2-10- بحرانی کردم تنها با نانوسیال.. 71

5-3- نتایج بررسی خوردگی.. 72

5-3-1- نتایج مربوط به نانوسیال آلومینا (Al2O3) 72

5-3-2- نتایج مربوط به نانوسیال مس (Cu) 76

5-3-3-نتایج مربوط به نانوسیال تیتانیم دی‌اکسید (TiO2) 79

4-3-4- نتایج مربوط به نانوسیال اکسید هافنیوم (HfO) 81

5-3-5- مقایسه خوردگی ناشی از نانوسیالات متفاوت در یک ضریب تکثیر مشابه: 83

5-4- نتایج بررسی اقتصادی نانوسیالات.. 85

 

فصل ششم: بحث در نتایج.. 89

6-1-مقدمه. 90

6-2- نتیجه‌گیری بررسی نوترونیک… 91

6-3- نتیجه‌گیری بررسی خوردگی.. 92

6-4- نتیجه‌گیری بررسی اقتصادی.. 93

6-4-1- هزینه اولیه. 93

6-4-2- هزینه خوردگی.. 94

6-5- نتیجه‌گیری نهایی.. 94

6-6- پیشنهادات.. 95

 

 

فهرست مراجع.. 96

 

 

 

 

 
 
فهرست جداول
 

 

عنوان                                                                                                                     صفحه

 

جدول 3-1 : انواع تالیهای موجود در کد MCNPX.. 42

جدول 3-2: مشخصات فنی راکتور بوشهر. 45

جدول 4-1: هزینه اولیه نانوسیالات در مقایسه با بوریک اسید. 58

جدول 5-1: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال مس بروی ضریب تکثیر. 62

جدول 5-2: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید تیتانیوم
بروی ضریب تکثیر. 63

جدول 5-3: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید مس بروی
ضریب تکثیر. 64

جدول 5-4: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید آلومینیوم بروی ضریب تکثیر  65

جدول 5-5: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید هافنیوم
بروی ضریب تکثیر. 66

جدول 5-6: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال کادمیوم بروی ضریب تکثیر. 67

جدول 5-7: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید گادولینیوم  بروی ضریب تکثیر  68

جدول 5-8: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال آلومینا 72

جدول 5-9: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال مس…. 76

جدول 5-10: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال تیتانیوم دی‌اکسید. 79

عنوان                                                                                                                     صفحه

 

جدول 5-11: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال اکسید هافنیوم در زمان‌های مختلف    81

جدول 5-12: مقدار موردنیاز از هر نانوسیال برای داشتن ضریب تکثیر 0.9.. 83

جدول 5-13: قیمت یک تن از نانوسیالات در مقایسه با بوریک اسید. 86

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست اشکال
 

 

عنوان                                                                                                                     صفحه

 

شکل 1-1: فلوچارت مراحل انجام پایان‌نامه. 3

شکل 3-1: مقیاسی از ذرات نانوسیال.. 16

شکل3-2: پارامترهای مختلف بروی مختصات کروی نانوسیال.. 18

شکل 3-3: تغییرات ضریب انتقال گرمای نسبی با درصد حجمی نانوسیال.. 20

شکل3-4: تأثیر ارزش راکتیویته و عمق میله‌های کنترل بر روی دانسیته توان محوری.. 28

شکل 3-5: ارزش راکتیویته محاسبه شده بورون محلول برای سه نوع رآکتور pwr 30

شکل3-6: نمایی از قلب راکتور بوشهر. 44

شکل4-1: نمایی از محیط نرم‌افزار CDMS. 52

شکل 4-2: نمایش نتایج خروجی توسط FREECORP. 53

شکل4-3: نمودار سرعت سیال نسبت به دور گردش پمپ در دقیقه. 54

شکل4-4: تغییر غلظت بوریک اسید در ورودی و خروجی رآکتور نسبت به زمان.. 56

شکل 4-5: تغییرات غلظت نانوسیالات معادل بوریک اسید در طول زمان.. 57

شکل 4-6: تغییرات توان پمپاژ با درصد حجمی نانوسیال.. 57

شکل 4-7: تغییرات افت فشار با درصد حجمی نانوسیال.. 58

شکل5-1: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال مس…. 62

شکل 5-2: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال مس…. 63

شکل 5-3: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال مس…. 64

شکل 5-4: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال آلومینیوم. 65

عنوان                                                                                                                     صفحه

 

شکل 5-5: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال هافنیوم. 66

شکل 5-6: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال کادمیوم. 67

شکل 5-7: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال گادلینیوم. 68

شکل5-8: تغییرات ضریب تکثیر با درصد اکسید هافنیوم از حالت بحرانی.. 69

شکل5-9: تغییرات ضریب تکثیر با درصد اکسید هافنیوم از حالت بحرانی.. 70

شکل5-10: تغییرات ضریب تکثیر با درصد وزنی اکسید هافنیوم از حالت بحرانی.. 71

شکل5-11: میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال آلومینا 73

شکل5-12: تأثیر غلظت‌های متفاوت آلومینا بروی اصطکاک دیواره لوله. 74

شکل 5-13: تأثیر غلظت‌های متفاوت آلومینا بروی فرسایش دیواره لوله. 75

شکل 5-14: میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال مس…. 76

شکل5-15: تأثیر غلظت‌های متفاوت نانوسیال مس بروی اصطکاک دیواره لوله. 77

شکل 5-16: تأثیر غلظت‌های متفاوت نانو سیال مس بروی فرسایش دیواره لوله. 78

شکل 5-17: : میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال تیتانیوم دی‌اکسید  79

شکل 5-18 : تأثیر غلظت‌های متفاوت نانوسیال تیتانیوم دی‌اکسید  بروی اصطکاک
دیواره لوله. 80

شکل 5-19: تأثیر غلظت‌های متفاوت نانوسیال تیتانیوم دی‌اکسید بروی فرسایش
دیواره لوله. 80

شکل 5-20: میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال
اکسید هافنیوم. 81

شکل 5-21: تأثیر غلظت‌های متفاوت نانوسیال اکسید هافنیوم بر روی اصطکاک
دیواره لوله. 82

شکل 5-22: تأثیر غلظت‌های متفاوت نانو سیال اکسید هافنیوم بر روی فرسایش
دیواره لوله. 83

عنوان                                                                                                                     صفحه

 

شکل 5-23: میزان فاکتور اصطکاک ناشی از نانوسیالات مختلف با مقادیر آمده
در جدول 5-7.. 84

شکل 5-24: تغییرات غلظت بوریک اسید در مقایسه با اکسید هافنیوم نسبت به زمان.. 85

شکل 5-25: هزینه اولیه نانوسیال اکسید هافنیوم. 86

شکل 5-26: هزینه کلی خوردگی برای یک متر لوله در نیروگاه هسته‌ای.. 87

شکل 5-27: تغییر در توان پمپاژ در اثر وجود نانوسیال با درصدهای حجمی مختلف… 87

شکل 5-28: تغییر در افت فشار در اثر وجود نانوسیال با درصدهای حجمی مختلف… 88

شکل 6-1: تغییرات ضریب تکثیر نسبت به درصدهای حجمی مختلف نانوسیال.. 91

شکل 6-2: تغییرات نرخ خوردگی برای نانوسیالات مختلف در طول زمان.. 92

شکل 6-3: هزینه اولیه نانوسیالات مورد بررسی.. 93

شکل 6-4: هزینه خوردگی ناشی از وجود نانوسیالات مختلف در آب.. 94

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 نانو ذرات 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 MCNPX برای 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.

پیشینه تحقیق
 

 

2-1- مقدمه
 

تاکنون مطالعات بسیاری به‌منظور بررسی  خواص مثبت نانو سیالات صورت گرفته است تحقیق لی ات ال  در سال 1999 نشان‌دهنده ارتقا قابل ملاحظه رسانایی حرارتی نانوسیالات محتوی آب و اتیلن، گلیکول همراه با نانو ذرات اکسید آلومینیم و اکسید مس در دمای اتاق می‌باشد]1[.

 

 

2-2- کارهای انجام شده
 

افزایش رسانایی گرمایی یک موفقیت قابل تحسین را برای استیمن ات ال  به ارمغان  آورد ، هنگامی که آن‌ها افزایش رسانایی را تا 40% با افزودن تنها 4% از نانو ذرات مس خالص با ابعاد متوسط کمتر از 10 نانومتر حاصل نمود. چنین گزارش شد که رسانایی گرمایی نانوذرات می‌تواند بیش از 20% افزایش داده شود در یک پژوهش دیگر داس ات ال  نشان داد که رسانایی گرمایی نانو سیالت در دماهای بالاتر افزایش بیشتری می‌یابد که کاربرد آن را در سردسازی جریان‌های حرارتی بالا مطلوب‌تر می کند]2[.

در این پژوهش این افزایش از 2% به 36% رسیده است هنگامی که دمای اکسید نانوذرات معلق از 21 درجه سانتی‌گراد به 51 درجه سانتی‌گراد افزایش دادند (با غلظت حجمی 1% و 4%) کار پژوهشی پاتل ات ال  با نانوذرات طلا و نقره با قطر 20-10 نانومتر انجام شد آزمایش‌های آن‌ها نیز تأثیرات شدید دما را بر روی رسانایی گرمایی از 5% به 221% در بازه حرارتی 60-30 درجه سانتی­گراد نشان داد ]2[.

کلبنسکی ات ال ]3[ نیز مکانیسم انتقال حرارت در نانو سیالات را بررسی نمود و دلایل احتمالی افزایش رسانایی گرمایی نانوسیالات را ارائه کرد: این دلایل شامل اثرات سایز کوچک، تراکم و تجمع نانوسیالات می‌باشد.

افزایش رسانایی حرارتی نانوسیالات به محققان این فرصت را می‌دهد تا پژوهش‌های وسیع‌تری را در این زمینه انجام دهند. افزایش واقعی قابلیت انتقال حرارت را می‌توان در شرایط همرفتی نشان داد و مقالات اندکی  به بحث درباره‌ی کارایی انتقال  حرارت همرفتی نانوسیالات پرداخته‌اند. ژوان و روتزل  دو راهکار متفاوت برای روابط انتقال حرارت نانوسیالات ارائه نمودند. یک راهکار مرسوم، در نظر گرفتن نانوسیالات به عنوان سیال تک فاز می‌باشد و راهکار دیگر لحاظ نمودن ویژگی چند فاز بودن نانوسیالات و نانوذرات پراکنده می‌باشد. سپس ژوان و لی  نتایج بررسی‌های خود را درباره‌ی ویژگی‌های جریان انتقال حرارت همرفتی منتشر نمودند. آن‌ها انتقال حرارت همرفتی نانو سیالاتی را که متشکل از آب غیر یونیزه 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 سیال اندازه‌گیری نمودند و دریافتند که ضریب انتقال حرارت همرفتی نانوسیالات از 6% به 39% افزایش می‌یابد ]4[.

ون ودینگ ]5[ انتقال حرارت نانو سیال آب و اکسید آلومینیوم را در جریان لایه‌ای تحت شار حرارتی ثابت دیواره مشاهده نمودند و دریافتند که افزایش حرارت نانو سیال با تغییرات عدد رینولدز و غلظت نانوذرات  خصوصاً در ناحیه‌ی ورودی رابطه‌ی مستقیم دارند اخیراً یانگ ات ال راندمان انتقال حرارت نانوسیالات گرافیت را برای جریان لایه‌ای در یک تیوپ دایروی بررسی نمودند.

نجوین سیتی ات ال  ]6[ رفتار انتقال ارتقاء انتقال حرارت نانوسیال اکسید آلومینیوم را برای یک سیستم گرم‌کننده مورد پژوهش قرار دادند آن‌ها دریافتند که ضریب انتقال حرارت تا 40% در مقایسه با سیال اصلی افزایش نشان می‌دهد.

به تازگی داس ات ال، ونگ  و موجومدار، تریساکسری وی  و ونگویسس  ]7[ پژوهش‌های اخیر درباره جریان سیال و ویژگی‌های انتقال حرارت نانوسیالات را در رسانایی، جریان همرفتی تحمیلی و آزاد و جوش را مورد بازبینی قرار دادند و به فرصت‌های موجود برای نیاز به مطالعات آینده اشاره نمودند. ونویسس مقالات منتشرشده‌ای را که درباره‌ی مباحث آزمایشی و تئوری انتقال حرارت همرفتی تحمیلی نانوسیالات می‌باشند را بازنگری نموده و مورد بررسی قرار دادند.

از طرف دیگر تعداد زیادی از محققان گزارش کردند که انتقال حرارت با نانو سیال افزایش می­یابد به‌طور مثال لیو ژان یک مطالعه تجربی برای بررسی انتقال حرارت جابجایی و خواص جریان نانو سیال را پیگیری نمودند. نتایج آن‌ها نشان می­دهد که ضریب انتقال حرارت جابجایی و خواص جریان نانو سیال با سرعت افزایش پیدا می‌کند و همچنین کسر حجمی، بخش‌های نانو  و از پایه آب در سرعت جریان مشابه بزرگ‌تر است.

داس و همکاران به‌طور تجربی نشان دادند که  هدایت گرمایی نانو سیالات با افزایش دما افزایش می­یابد آن‌ها مشاهده کردند که 2 تا 4 درصد هدایت گرمایی افزایش می­یابد که می ­تواند در دماهای 21 تا 52 درجه سانتی‌گراد به دست بیاید ]7[.

در مقایسه­ بررسی­های تحقیقی وابستگی استفاده از نانو سیالات در انتقال حرارت جابجایی، مطالعات اندکی در استفاده از نانو سیالات در جابجایی آزاد یافت می­شود.

خانافر و همکاران ]8[  مطالعات عددی برای تعیین انتقال حرارت جابجایی طبیعی نانو سیالات در محفظه تحت قیود فیزیکی مختلف را پی گیری کردند. نتایج آن‌ها نشان داد که عدد ناسلت متوسط با افزایش کسر حجمی برای اعداد گراشف مختلف افزایش می­یابد.

کیم و همکاران ]9[  یک فاکتور برای توصیف اثربخش نانویی روی بی‌ثباتی جابجایی و مشخصه‌ های انتقال حرارت یک سیال مبنا را پیشنهاد کردند. این فاکتور جدید شامل تأثیر نسبت قابلیت هدایت نانو ذرات به سیال پایه، فاکتور شکل نانو ذرات، کسر حجمی نانو ذرات و نسبت ظرفیت گرمایی آن می­شود. نتایج آن‌ها نشان می­دهد که ضریب انتقال حرارت در حضور نانو سیال با افزایش کسر حجمی نانوساختار ها افزایش می­یابد.

افزایش انتقال حرارت جابجایی با بهره گرفتن از نانوسیالات توسط نینا و همکاران و نینا و روتا به‌طور تجربی مشاهده شده است.