متن کامل پایان نامه را در سایت منبع fuka.ir می توانید ببینید متن کامل پایان نامه را در سایت منبع 2 fuka.ir می توانید ببینید

*18

متن کامل پایان نامه را در سایت منبع fuka.ir می توانید ببینید

دانشکده مهندسی
پایان نامهی کارشناسی ارشد در رشته
مهندسی هستهای – راکتورامکانسنجی کاربرد نانوسیالات به عنوان جاذب نوترون در خنک‌کننده اضطراری قلب رآکتور
به کوشش
بهنام بهزادی نژاد
استاد راهنما
دکتر محمدرضا نعمت الهی
بهمن 1392

به نام خدا
اظهارنامه
این‌جانب بهنام بهزادی نژاد دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد رشتهی مهندسی هسته‌ای گرایش رآکتور دانشگاه شیراز اظهار میکنم که این پایاننامه حاصل پژوهش خودم بوده و در بخشهایی که از منابع دیگران استفاده کردهام، نشانی دقیق و مشخصات کامل آن را ذکر نمودهام. همچنین اظهار میکنم که تحقیق و موضوع این پایاننامه تکراری نبوده و تعهد مینمایم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهای آن را منتشر ننموده و یا در اختیار غیر قرار ندهم. کلیه حقوق این اثر مطابق با آییننامه مالکیت فکری و معنوی متعلق به دانشگاه شیراز است.
نام و نام خانوادگی: بهنام بهزادی نژاد
تاریخ و امضاء:

تقدیم به
پدر و مادرم

سپاسگزاری
حال که این پایاننامه به سرانجام رسیده است بر خود واجب میدانم تا از اساتید گران‌قدر بخش مهندسی هسته‌ای، دکتر محمدرضا نعمت اللهی استاد راهنما، دکتر احمد پیروزمند استاد مشاور و دکتر عطاالله ربیعی داور ارجمند و همه کسانی که به نوعی این‌جانب را در راهبری، تهیه و تدوین این اثر یاری نموده‌اند، تشکر نمایم.
چکیده
امکانسنجی کاربرد نانوسیالات به عنوان جاذب نوترون
در خنک‌کننده اضطراری قلب رآکتور
به کوشش
بهنام بهزادی نژاد
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 هستهای، ضریب تکثیر، نرمافزار MCNPX، CDMS
فهرست مطالبعنوان صفحه
TOC o “1-3” h z u فصل اول: مقدمه PAGEREF _Toc396497355 h 1فصل دوم: پیشینه تحقیق2-1- مقدمه PAGEREF _Toc396497358 h 52-2- کارهای انجام شده: PAGEREF _Toc396497359 h 5فصل سوم: تئوری3-1- مقدمه PAGEREF _Toc396497361 h 133-2- کلیات PAGEREF _Toc396497362 h 133-3- انتقال حرارت در نانو سیالات PAGEREF _Toc396497363 h 153-2-1 مکانیسم‌های انتقال حرارت در نانو سیالات PAGEREF _Toc396497364 h 173-3- بررسی نوترونیک PAGEREF _Toc396497365 h 243-3-1- جاذب‌های شیمیایی PAGEREF _Toc396497366 h 263-4- بررسی خوردگی نانو سیالات PAGEREF _Toc396497367 h 313-4-1- اهمیت خوردگی در صنعت PAGEREF _Toc396497368 h 333-5- بررسی اقتصادی PAGEREF _Toc396497369 h 343-5-1- هزینه اولیه نانوسیال وتامین آن PAGEREF _Toc396497370 h 353-5-2-هزینه های خوردگی وپمپاژناشی ازوجود نانوسیالات PAGEREF _Toc396497371 h 36عنوان صفحه
3-6- معرفی کدهای مورداستفاده PAGEREF _Toc396497372 h 373-6-1- کد هسته‌ای MCNPX PAGEREF _Toc396497373 h 373-7- آشنایی با رآکتورهای هستهای PAGEREF _Toc396497375 h 42فصل چهارم: روشکار و مدلسازی4-1-مقدمه PAGEREF _Toc396497378 h 494-2- مدل‌سازی برای مطالعه نوترونیک PAGEREF _Toc396497379 h 504-2-1- معرفی کارت kcode: PAGEREF _Toc396497380 h 514-3-روش مطالعه خوردگی PAGEREF _Toc396497381 h 524-3-1- مقدمه PAGEREF _Toc396497382 h 524-3-2- شرایط مدل‌سازی PAGEREF _Toc396497383 h 544-4-مطالعه اقتصادی PAGEREF _Toc396497384 h 55فصل پنجم: نتایج5-1- مقدمه PAGEREF _Toc396497387 h 605-2- بررسی نوترونیک نانوسیالات PAGEREF _Toc396497388 h 615-2-1- اسید بوریک: PAGEREF _Toc396497389 h 615-2-2- خنک‌کننده حاوی نانو سیال مس در آب: PAGEREF _Toc396497390 h 625-2-3-خنک‌کننده حاوی نانو سیال اکسید تیتانیوم در آب: PAGEREF _Toc396497392 h 635-2-4-خنک‌کننده حاوی نانو سیال اکسید مس در آب: PAGEREF _Toc396497394 h 645-2-5-خنک‌کننده حاوی نانو سیال اکسید آلومینیوم در آب: PAGEREF _Toc396497396 h 655-2-6- خنک‌کننده حاوی نانو سیال اکسید هافنیوم در آب: PAGEREF _Toc396497398 h 665-2-7- خنک‌کننده حاوی نانو سیال کادمیم در آب: PAGEREF _Toc396497400 h 675-2-8- خنک‌کننده حاوی نانو سیال اکسید گادولینیوم در آب: PAGEREF _Toc396497402 h 68عنوان صفحه
5-2-9- تأثیر نانوسیال HfO بر ضریب تکثیر در وضعیت داغ رآکتور PAGEREF _Toc396497404 h 695-2-10- بحرانی کردم تنها با نانوسیال PAGEREF _Toc396497405 h 715-3- نتایج بررسی خوردگی PAGEREF _Toc396497406 h 725-3-1- نتایج مربوط به نانوسیال آلومینا (Al2O3) PAGEREF _Toc396497407 h 725-3-2- نتایج مربوط به نانوسیال مس (Cu) PAGEREF _Toc396497409 h 765-3-3-نتایج مربوط به نانوسیال تیتانیم دی‌اکسید (TiO2) PAGEREF _Toc396497411 h 794-3-4- نتایج مربوط به نانوسیال اکسید هافنیوم (HfO) PAGEREF _Toc396497413 h 815-3-5- مقایسه خوردگی ناشی از نانوسیالات متفاوت در یک ضریب تکثیر مشابه: PAGEREF _Toc396497415 h 835-4- نتایج بررسی اقتصادی نانوسیالات PAGEREF _Toc396497417 h 85فصل ششم: بحث در نتایج PAGEREF _Toc396497419 h 896-1-مقدمه PAGEREF _Toc396497420 h 906-2- نتیجه‌گیری بررسی نوترونیک PAGEREF _Toc396497421 h 916-3- نتیجه‌گیری بررسی خوردگی PAGEREF _Toc396497422 h 926-4- نتیجه‌گیری بررسی اقتصادی PAGEREF _Toc396497423 h 936-4-1- هزینه اولیه PAGEREF _Toc396497424 h 936-4-2- هزینه خوردگی PAGEREF _Toc396497425 h 946-5- نتیجه‌گیری نهایی PAGEREF _Toc396497426 h 946-6- پیشنهادات PAGEREF _Toc396497427 h 95فهرست مراجع PAGEREF _Toc396497428 h 96
فهرست جداول
عنوان صفحه
TOC h z u t “فهرست جداول,1” جدول 3-1 : انواع تالیهای موجود در کد MCNPX PAGEREF _Toc396496536 h 42جدول 3-2: مشخصات فنی راکتور بوشهر PAGEREF _Toc396496537 h 45جدول 4-1: هزینه اولیه نانوسیالات در مقایسه با بوریک اسید PAGEREF _Toc396496538 h 58جدول 5-1: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال مس بروی ضریب تکثیر PAGEREF _Toc396496539 h 62جدول 5-2: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید تیتانیوم بروی ضریب تکثیر PAGEREF _Toc396496540 h 63جدول 5-3: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید مس بروی ضریب تکثیر PAGEREF _Toc396496541 h 64جدول 5-4: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید آلومینیوم بروی ضریب تکثیر PAGEREF _Toc396496542 h 65جدول 5-5: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید هافنیوم بروی ضریب تکثیر PAGEREF _Toc396496543 h 66جدول 5-6: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال کادمیوم بروی ضریب تکثیر PAGEREF _Toc396496544 h 67جدول 5-7: نتایج تأثیر درصدهای حجمی مختلف نانوسیال اکسید گادولینیوم بروی ضریب تکثیر PAGEREF _Toc396496545 h 68جدول 5-8: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال آلومینا PAGEREF _Toc396496546 h 72جدول 5-9: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال مس PAGEREF _Toc396496547 h 76جدول 5-10: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال تیتانیوم دی‌اکسید PAGEREF _Toc396496548 h 79عنوان صفحه
جدول 5-11: مقدار خوردگی نسبت به سرعت سیال برای نانوسیال اکسید هافنیوم در زمان‌های مختلف PAGEREF _Toc396496549 h 81جدول 5-12: مقدار موردنیاز از هر نانوسیال برای داشتن ضریب تکثیر 0.9 PAGEREF _Toc396496550 h 83جدول 5-13: قیمت یک تن از نانوسیالات در مقایسه با بوریک اسید PAGEREF _Toc396496551 h 86
TOC h z u t “فهرست جداول؛1”

فهرست اشکالعنوان صفحه
TOC h z t “فهرست شکلها,1” شکل 1-1: فلوچارت مراحل انجام پایان‌نامه PAGEREF _Toc396497803 h 3شکل 3-1: مقیاسی از ذرات نانوسیال PAGEREF _Toc396497804 h 16شکل3-2: پارامترهای مختلف بروی مختصات کروی نانوسیال PAGEREF _Toc396497805 h 18شکل 3-3: تغییرات ضریب انتقال گرمای نسبی با درصد حجمی نانوسیال PAGEREF _Toc396497806 h 20شکل3-4: تأثیر ارزش راکتیویته و عمق میله‌های کنترل بر روی دانسیته توان محوری PAGEREF _Toc396497807 h 28شکل 3-5: ارزش راکتیویته محاسبه شده بورون محلول برای سه نوع رآکتور pwr PAGEREF _Toc396497808 h 30شکل3-6: نمایی از قلب راکتور بوشهر PAGEREF _Toc396497809 h 44شکل4-1: نمایی از محیط نرم‌افزار CDMS PAGEREF _Toc396497810 h 52شکل 4-2: نمایش نتایج خروجی توسط FREECORP PAGEREF _Toc396497811 h 53شکل4-3: نمودار سرعت سیال نسبت به دور گردش پمپ در دقیقه PAGEREF _Toc396497812 h 54شکل4-4: تغییر غلظت بوریک اسید در ورودی و خروجی رآکتور نسبت به زمان PAGEREF _Toc396497813 h 56شکل 4-5: تغییرات غلظت نانوسیالات معادل بوریک اسید در طول زمان PAGEREF _Toc396497814 h 57شکل 4-6: تغییرات توان پمپاژ با درصد حجمی نانوسیال PAGEREF _Toc396497815 h 57شکل 4-7: تغییرات افت فشار با درصد حجمی نانوسیال PAGEREF _Toc396497816 h 58شکل5-1: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال مس PAGEREF _Toc396497817 h 62شکل 5-2: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال مس PAGEREF _Toc396497818 h 63شکل 5-3: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال مس PAGEREF _Toc396497819 h 64شکل 5-4: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال آلومینیوم PAGEREF _Toc396497820 h 65عنوان صفحه
شکل 5-5: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال هافنیوم PAGEREF _Toc396497821 h 66شکل 5-6: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال کادمیوم PAGEREF _Toc396497822 h 67شکل 5-7: نمودار تغییر میزان ضریب تکثیر مؤثر با تغییر غلظت نانو سیال گادلینیوم PAGEREF _Toc396497823 h 68شکل5-8: تغییرات ضریب تکثیر با درصد اکسید هافنیوم از حالت بحرانی PAGEREF _Toc396497824 h 69شکل5-9: تغییرات ضریب تکثیر با درصد اکسید هافنیوم از حالت بحرانی PAGEREF _Toc396497825 h 70شکل5-10: تغییرات ضریب تکثیر با درصد وزنی اکسید هافنیوم از حالت بحرانی PAGEREF _Toc396497826 h 71شکل5-11: میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال آلومینا PAGEREF _Toc396497827 h 73شکل5-12: تأثیر غلظت‌های متفاوت آلومینا بروی اصطکاک دیواره لوله PAGEREF _Toc396497828 h 74شکل 5-13: تأثیر غلظت‌های متفاوت آلومینا بروی فرسایش دیواره لوله PAGEREF _Toc396497829 h 75شکل 5-14: میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال مس PAGEREF _Toc396497830 h 76شکل5-15: تأثیر غلظت‌های متفاوت نانوسیال مس بروی اصطکاک دیواره لوله PAGEREF _Toc396497831 h 77شکل 5-16: تأثیر غلظت‌های متفاوت نانو سیال مس بروی فرسایش دیواره لوله PAGEREF _Toc396497832 h 78شکل 5-17: : میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال تیتانیوم دی‌اکسید PAGEREF _Toc396497833 h 79شکل 5-18 : تأثیر غلظت‌های متفاوت نانوسیال تیتانیوم دی‌اکسید بروی اصطکاک دیواره لوله PAGEREF _Toc396497834 h 80شکل 5-19: تأثیر غلظت‌های متفاوت نانوسیال تیتانیوم دی‌اکسید بروی فرسایش دیواره لوله PAGEREF _Toc396497835 h 80شکل 5-20: میزان از دست رفتن جرم لوله در اثر حرکت سیال حاوی نانوسیال اکسید هافنیوم PAGEREF _Toc396497836 h 81شکل 5-21: تأثیر غلظت‌های متفاوت نانوسیال اکسید هافنیوم بر روی اصطکاک دیواره لوله PAGEREF _Toc396497837 h 82شکل 5-22: تأثیر غلظت‌های متفاوت نانو سیال اکسید هافنیوم بر روی فرسایش دیواره لوله PAGEREF _Toc396497838 h 83عنوان صفحه
شکل 5-23: میزان فاکتور اصطکاک ناشی از نانوسیالات مختلف با مقادیر آمده در جدول 5-7 PAGEREF _Toc396497839 h 84شکل 5-24: تغییرات غلظت بوریک اسید در مقایسه با اکسید هافنیوم نسبت به زمان PAGEREF _Toc396497840 h 85شکل 5-25: هزینه اولیه نانوسیال اکسید هافنیوم PAGEREF _Toc396497841 h 86شکل 5-26: هزینه کلی خوردگی برای یک متر لوله در نیروگاه هسته‌ای PAGEREF _Toc396497842 h 87شکل 5-27: تغییر در توان پمپاژ در اثر وجود نانوسیال با درصدهای حجمی مختلف PAGEREF _Toc396497843 h 87شکل 5-28: تغییر در افت فشار در اثر وجود نانوسیال با درصدهای حجمی مختلف PAGEREF _Toc396497844 h 88شکل 6-1: تغییرات ضریب تکثیر نسبت به درصدهای حجمی مختلف نانوسیال PAGEREF _Toc396497845 h 91شکل 6-2: تغییرات نرخ خوردگی برای نانوسیالات مختلف در طول زمان PAGEREF _Toc396497846 h 92شکل 6-3: هزینه اولیه نانوسیالات مورد بررسی PAGEREF _Toc396497847 h 93شکل 6-4: هزینه خوردگی ناشی از وجود نانوسیالات مختلف در آب PAGEREF _Toc396497848 h 94 TOC h z t “فهرست شکلها؛1”

فهرست اختصاراتMCNPX Monte Carlo N-Particle eXtended
Nu Nusselt Number
Re Reynolds Number
Pr Prandel Number
FSAR Final Safety Analysis ReportNPSH Net Positive Suction Head
BNPP Bushehr Nuclear Power Plant
K Conductivity Constant
∅Heat Flux
LCC Life Cycle Costing
CDMS Corrosion Data Manager Software
فصل اول

1720215315595
مقدمه1-1- 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.

شکل 1-1: فلوچارت مراحل انجام پایان‌نامهفصل دوم

18726151974215
پیشینه تحقیق2-1- مقدمهتاکنون 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 شدهافزایش 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 می‌نماید]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 میتواند در دماهای 21 تا 52 درجه سانتی‌گراد به دست بیاید ]7[.
در مقایسهی 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 مشخصه‌های 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 استفاده از نانوسیالات توسط نینا و همکاران و نینا و روتا به‌طور تجربی مشاهده شده است.
در طرف دیگر رحیمی و همکاران ]10[ به صورت تجربی دریافتند که حضور نانوساختار (cuo,Al2o3) در آب بر مبنای نانو سیال در داخل استوانه‌ی افقی ضریب جابجایی طبیعی را با افزایش کسر حجمی نانو ذرات، چگالی نانوذره و همچنین نسبت منظری استوانه کاهش مییابد.
هاشمی و همکاران ]11[ به‌طور تجربی گزارش کردند که ضریب جابجایی طبیعی با افزایش تجمع نانوساختارها کاهش مییابد.
گرگوری و همکاران]12[ جابجایی طبیعی را با میکروساختارAl2o3  (تقریباً 250 nm) آب ساکن در محفظه آزمایش کردند. به نظر میرسد که نتایج آن‌ها تأثیر ناچیز ساختارها را روی مقدار عدد ناسلت برای یک محفظه عمودی را شامل میشود. به‌هرحال برای محفظه افقی یک کاهش در عدد ناسلت در مقایسه با حضور آب خالص در عدد رایلی و تجمع ساختارهای بیشتر وجود دارد. نویسندگان، این رفتار غیرعادی را به لایه گذاری نسبت میدهند.
استندبرگ و همکاران]13[ بررسی‌های تجربی روی جابجایی‌های طبیعی نانو سیالات در محفظه عمودی برای اندازه‌های مختلف  و کسر حجمی متفاوت نانو ذرات Al2o3 در بازه 1/0% تا 4% و عدد رایلی در بازه‌ی 105 تا 108 انجام داده‌اند. تنزل اصولی انتقال حرارت در نانوسیالات  شامل نانو ذرات با کسر حجمی بزرگ‌تر از 2% در خارج بازه‌ی عدد رایلی در نتایج آن‌ها مشاهده شد.
به‌هرحال افزایش انتقال حرارت به‌اندازه‌ی 18% با آب خالص که برای نانوسیال حاوی تجمع نانو ذرات 1/0% در رایلی های بالابود نمایش داده شد. معمولاً مدل تئوری قابل قبولی برای بررسی هدایت غیرعادی نانوسیالات وجود ندارد.
بسیاری از محققان هدایت نانو سیالات را بر مبنای قابلیت جابجایی سیال و نانوذرات، شکل نواحی سطح نانوذرات و کسر حجمی و دما قرار داده‌اند.
کبلینسکی و همکاران]14[ و ایستمن و همکاران]15[ مکانیسم‌هایی برای افزایش انتقال حرارت جابجایی پیشنهاد کردند که شامل حرکت براونی نانو ذرات، سطح لایه‌ای مولکولی مایع در مایع جزء وصل‌کننده، انتقال گرما با نانوذرات و تأثیر بر روی دسته‌ی نانوذرات بودند. آن‌ها دلیل آوردند که تأثیر رفتار براونی میتواند بسته به ورودی بزرگ‌تر پخش گرما در مقایسه با پخش براونی ناچیز در نظر گرفته شود.
ایوانس و همکاران اثبات کردند که تأثیر هیدرودینامیکی مربوط به حرکت براونی اثر عکس بر روی هدایت گرمایی نانوسیالات هنگام استفاده از شبیه‌سازی دینامیکی مولکولی و تئوری سینتیک ساده دارد.
تأثیر لایه‌های میانجی جامد یا مایع در افزایش هدایت گرمایی نانوسیالات توسط بسیاری از محققان به صورت تئوری بررسی‌شده است. به‌طور مثال یوو چوی یک مدل تئوری برای بررسی اثر لایه‌های میانجی  مایع و جامد روی مدل Hamilton-Crosser برای توقف ساختارهای نانو کروی پیشنهاد کردند. آن‌ها تلاش کردند که اثبات کنند لایه‌های میانجی جامد و مایع نقش مهمی در تقویت هدایت گرمایی نانوسیالات به‌واسطه‌ی مدل Hamilton-Crosser بازی می‌کنند. به‌هرحال مدل پیشنهادی آن‌ها قادر به پیش‌بینی رفتار غیرخطی هدایت گرمایی نانوسیالات نبود.
بررسی تأثیر بین نانوذره و سیال پایه نیز انجام‌گرفته است. ژو یک مدل بهینه برای تأثیر هدایت گرمایی مؤثر نانوسیالات  بر پایه‌ی تئوری ماکسول (تئوری (تضاد) قطبش میانگین) ایجاد کرد. ژو فرض کرد که مدل توسعه‌یافته میتواند افزایش غیرعادی قابلیت هدایت گرمایی در نانوسیالات را تفسیر کند ]16[ .
بر پایه شبیه‌سازی دینامیک مولکولی  و ارتباط ساده‌ی مایع –جامد، ژو و همکاران توضیح دادند که لایه‌های اتم مایع در حدفاصل مایع – جامد تأثیر قابل ملاحظه روی خواص انتقال گرما ندارند.
چیزی که می‌توان از اطلاعات ذکرشده متوجه شد این است که نه حرکت براونی و نه لایه‌های میانجی نمیتوانند مکانیسم‌های غالب باشند و از تجربه و بررسی و تحلیل روی افزایش انتقال حرارت هنگام استفاده از نانوسیالات در تضاد هستند هم در جابجایی طبیعی و هم اجباری: بنابراین، تحقیقات تئوری و تجربی در توضیح پایه‌های امکان افزایش انتقال حرارت وقتی از نانوسیال استفاده میشود، ضروری می‌باشد. توصیف قوی رفتار غیرعادی برای نانوسیالات که شامل قابلیت هدایت و ویسکوزیته بالا می‌باشد، وجود ندارد ]17[ .
نتایج آزمایش‌هایی که در رابطه با نحوه انتقال حرارت بر روی چندین نمونه نانوسیال انجام شد، نشان می‌دهد که عملکرد نانوسیالات در انتقال حرارت عموماً بیشتر از آن چیزی است که به‌صورت نظری پیش‌بینی‌شده است. این واقعیت یک کشف اساسی در مسئلهی انتقال حرارت می‌باشد.
درصد افزایش هدایت گرمایی ذرات مس، اکسید مس و آلومینیم در اتیلن گلیکول (EG) همچنین نمایش افزایش هدایت گرمایی نانولوله‌های کربنی چندجداره در روغن و تطبیق آن با نظریه ماکسول از نانوسیالات می‌توان به‌منظور توسعهی سیستم‌های کنترل حرارت در بسیاری کاربردها ازجمله وسایل نقلیه‌ی سنگین استفاده نمود. کنترل حرارت یکی از عوامل کلیدی در فناوری‌‌های مربوط به محصولاتی مانند پیل‌ سوختی و وسایل نقلیه دوگانهسوز-الکتریکی می‌باشد که بیشتر آن‌ها تحت دماهای عمدتاً کمتر از دمای موتورهای احتراق داخلی متداول، عمل می‌کنند ]14[ .
بنابراین نیاز مبرمی به توسعه سیالات انتقال‌دهنده حرارت با هدایت گرمایی خیلی بالا و نیز انتقال این فناوری به صنایع خودرو وجود دارد. اخیراً پژوهش‌هایی در مورد نانوسیالات فلزی حاوی نانوذراتِ مسِ با قطرِ کمتر از 10 نانومتر که در اتیلن گلیکول پخش شده بودند انجام شده است. این پژوهش‌ها نشان می‌دهد که در جزء حجمی بسیار اندکی از نانوذرات، رسانایی گرمایی می‌تواند بیشتر از قابلیت رسانایی صرف خود سیال و یا نانوسیالات اکسیدی (مانند اکسید مس و اکسید آلومینیوم با قطر متوسط ذرات 35 نانومتر) باشد. همان‌طور که در نمودار 1 نشان داده‌شده است. به علت اینکه تاکنون هیچ‌کدام از نظریه‌های معمول اثرات ناشی از قطر ذرات و یا هدایت آن‌ها بر روی میزان هدایت نانوسیالات را پیش‌بینی نکرده‌اند، این نتایج غیر منتظره است ]14[.
اخیراً نانوسیالاتی حاوی نانولوله کربنی ساخته شده‌اند و نتایج آزمایش‌های انجام شده بر روی این نانوسیالات نشان داده است که وجود نانولوله‌ها در یک سیال، هدایت گرمایی آن را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.
جالب‌تر آنکه افزایش هدایت گرمایی مربوط به نانولوله یک گام از پیش‌بینی‌های انجام شده به وسیله نظریه‌‌های موجود فراتر است. از این گذشته نمودار هدایت گرمایی اندازه‌گیری شده برحسب حجم‌های جزئی، به‌صورت غیرخطی می‌باشد حال‌آنکه تئوری‌های رایج به‌وضوح وجود یک نسبت خطی را میان این دو پارامتر نشان داده بودند.
از ویژگی‌های کلیدی نانوسیالات که تاکنون کشف‌شده‌اند می‌توان هدایت‌های گرمایی بسیار بالاتر از آنچه که سوسپانسیون‌های مرسوم از خود نشان داده بودند، وجود نسبت غیرخطی میان هدایت گرمایی و غلظت نانولوله‌های کربنی در نانوسیالات و نیز وابستگی شدید هدایت گرمایی به دما و افزایش چشمگیر در شار حرارتی بحرانی را نام برد. هر کدام از این ویژگی‌ها در جای خود برای سیستم‌های حرارتی بسیار مطلوب می‌باشند و در کنار هم نانوسیالات را بهترین کاندیدا برای تولید سردکننده‌های مبتنی بر مایع می‌نمایند. این یافته‌ها همچنین وجود محدودیت‌های اساسی در مدل‌های انتقال گرمایی متداول برای سوسپانسیون‌های جامد/ مایع را به‌وضوح نشان می‌دهد.
ازجمله عوامل انتقال حرارت در نانوسیالات، عبارت‌اند از: حرکت نانوذرات، سطح مولکولی لایه‌ای مایع در سطح مشترک مایع با ذرات، انتقال حرارت پرتابه‌ای در نانوذرات و تأثیر خوشه‌ای شدن نانوذرات ازجمله عوامل انتقال حرارت در نانوسیالات می‌باشند.
یک پروژه جدید با هدف کشف پارامترهای کلیدی که در تئوری‌های موجود و مفاهیم بنیادی مکانیسم‌های افزایش انتقال حرارت نانوسیالات ازقلم‌افتاده‌اند و نیز کشف مبنای تئوری برای افزایش غیرعادی هدایت گرمایی نانوسیالات در جولای سال 2000 با حمایت وزارت انرژی آمریکا و مرکز انرژی علوم پایه به تصویب رسید.
ساختار نانوذرات در نانوسیالات در حال بررسی و آزمایش بوسیله منبع فوتونی پیشرفته آزمایشگاه ملی آرگون می‌باشد. طبق نتایج گزارش شده از دانشگاه A&M تگزاس، این دانشگاه در حال مطالعه بر روی ارتباط بین جنبش نانوذرات و افزایش انتقال حرارت در آن‌ها می‌باشد. با استفاده از نتایج جمع‌آوری‌شده، توسعه یک مدل جدید انتقال انرژی در نانوسیالات که وابسته به اندازه نانوذره، ساختار و تأثیر پویایی بر روی خصوصیات حرارتی نانوسیالات می‌باشد، امکان‌پذیر شده است ]16[.
این نحوهی ارتباط رشته‌های مختلف علمی و پروژه‌های مشترک منجر به کشف مرزهای جدیدی در تحقیقات ترموفیزیک برای طراحی و مهندسی در زمینهی تولید خنک‌کننده‌ها خواهد گردید. تحقیق در مورد نانوسیالات می‌تواند به یک پیشرفت غیر منتظره در زمینه سیستم‌های ترکیبی مایع/جامد، برای کاربردهای بی‌شمار مهندسی ازجمله خنک‌کننده‌های اتومبیل‌ها و کامیون‌های سنگین بیانجامد. از عمده‌ترین تأثیرات این تحقیقات می‌توان به بیشتر شدن کارایی انرژی، کوچک‌تر و سبک‌تر شدن سیستم‌های حرارتی، کمتر شدن هزینه‌های عملیاتی و پاک‌سازی محیط‌زیست اشاره نمود]16[..
فصل سوم

20250152560955
تئوری3-1- مقدمهدر این فصل تئوری حاکم بر پایاننامه و همچنین معرفی کدهای مورداستفاده آورده شده است.
3-2- کلیاتفرایند شکافت هسته‌ای شامل میلیاردها واکنش بسیار سریع بوده و میزان انرژی بسیار زیادی آزاد می‌کند. یک رآکتور هسته‌ای را می‌توان یک بمب اتم در نظر گرفت که واکنش آن کنترل شده باشد. شروع‌کننده واکنش هسته‌ای ذره نوترون می‌باشد که با برخورد به ماده شکافت پذیر آن هسته را به دو هسته سبک‌تر و میانگین 2.54 عدد نوترون تبدیل می‌کند که مقدار قابل ملاحظه‌ای انرژی از این واکنش آزاد می‌شود. ازاین‌رو کنترل تعداد نوترون‌های تولیدی و مصرفی در کل واکنش اهمیت زیادی دارد. در رآکتور هسته‌ای در شرایط پایا سعی در برابر نگه‌داشتن تعداد نوترون مصرفی و تولیدی است. نسبت نوترون‌های تولیدی در هر واکنش به نوترون‌های مصرفی را به عنوان ضریب تضاعف معرفی می‌کنیم که مقدار آن در حالت پایا می‌بایست برابر 1 باشد تا واکنش هسته‌ای به شکل کنترل‌شده‌ای انجام شود. برای کنترل کردن مقدار ضریب تضاعف از ابزارهای گوناگونی استفاده می‌شود. ابزارهایی که قابلیت جذب نوترون را دارند. این کار با وارد کردن موادی که جاذب نوترون هستند به داخل قلب رآکتور صورت می‌گیرد؛ یعنی ما واکنش را با موادی که قابلیت جذب نوترون دارند کنترل می‌کنیم. این مواد جاذب نوترون به صورت میله‌های کنترل که میزان ورود آن به داخل قلب قابل‌کنترل است و به‌صورت محلول در آب که غلظت آن قابل‌کنترل است به قلب وارد می‌شوند. یکی از این مواد جاذب نوترون هسته بورون است که به صورت ترکیب اسید بوریک به آب خنک‌کننده قلب رآکتور اضافه می‌شود و میزان آن با توجه به کارکرد رآکتور متغیر است. پس ما با ابزارهایی چون سم‌های جاذب نوترونی در قالب میله‌های کنترل و مواد محلول در آب سعی در ثابت نگه‌داشتن مقدار نوترون تولیدی و مصرفی داریم. از مسائل مهم دیگری که در رآکتور هسته‌ای نیروگاه‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است توانایی دفع گرمای تولیدی از قلب رآکتور است که در میله‌های سوخت و ازشکافت ماده شکافت پذیر تولید می‌شود. خنک‌کننده راکتورهای هسته‌ای می‌تواند مواد گوناگونی نظیر آب، فلز مذاب و گاز باشد که انتخاب نوع خنک‌کننده به نوع رآکتور بستگی دارد. خنک‌کننده معمول راکتورها را می‌توان آب در نظر گرفت. به دلیل مسائلی ازجمله سطح انتقال حرارت محدود و میزان گرمای تولیدی بسیار بالا ضریب انتقال حرارت سیال خنک‌کننده از اهمیت بالایی برخوردار است که هر چه میزان بیشتری باشد یعنی سیال قابلیت دفع گرمای بیشتری دارد و سیال مناسب‌تری است. انتخاب نوع خنک‌کننده رآکتور هسته‌ای تابع مسائل گوناگون و پیچیدهای است که انتخاب سیال خنک‌کننده را بسیار پیچیده می‌کند. از این مسائل دو مسئله‌ی رفتار سیال خنک‌کننده در مواجهه با نوترون (قابلیت جذب نوترون) و میزان ضریب انتقال حرارت آن از اهمیت بیشتری برخوردارند. پس باید با درنظر گرفتن این مسائل نوع سیال خنک‌کننده را انتخاب کرد. در بسیاری از راکتورها از آب به عنوان خنک‌کننده استفاده می‌شود که برای کنترل خاصیت جذب نوترون آن از سم‌های نوترونی محلول در آن مانند اسید بوریک استفاده می‌شود؛ و برای افزایش ضریب انتقال گرمای آن از نانوسیالات استفاده می‌شود که در آب معلق بوده و باعث افزایش ضریب انتقال حرارت خنک‌کننده می‌شوند که با تازگی از اهمیت بالایی برخوردار بوده که مطالعات گوناگونی بروی آن انجام شده است. چون مواد محلول در آب بر روی ضریب تضاعف کلی قلب تأثیر می‌گذارند در هنگام انتخاب نوع و مقدار نانو سیالات باید این مسئله در نظر گرفته شود ]17[.
چون میزان ضریب تضاعف هم از نظر ایمنی و هم از نظر اقتصاد نوترونی اهمیت بالایی دارد، در این پروژه سعی در مطالعه‌ تأثیر نانوسیالات مناسب بر روی ضریب تضاعف و خاصیت جذب نوترونی آن‌ها داریم. چون در این پروژه از دید نوترونی و هسته‌ای قصد مطالعه نانوسیالات را داریم انتخاب نانوسیالات از دیدگاه انتقال حرارتی را بر مبنای مطالعات پیشین انجام می‌دهیم. به این شکل که از مطالعات و مقالات موجود بهترین نانوسیالات برای افزایش ضریب انتقال حرارت را انتخاب و مطالعات نوترونی را بر روی آن‌ها انجام می‌دهیم و درنهایت یک نانو سیال بهینه را انتخاب می‌کنیم.
3-3- انتقال حرارت در نانو سیالاتنانو سیالات که از توزیع ذرات با ابعاد نانو در سیالات معمولی حاصل می‌شوند، نسل جدیدی از سیالات با پتانسیل بسیار زیاد در کاردبرهای صنعتی هستند. اندازه ذرات مورداستفاده در نانو سیالات از ۱ نانومتر تا ۱۰۰ نانومتر می‌باشد. این ذرات از جنس ذرات فلزی همچون مس (Cu) نقره (Silver) و… و یا اکسید فلزی همچون آلومینیوم اکسید(Al2O3) ، اکسید مس (CuO)و… هستند. سیالات متداولی که در زمینه انتقال حرارت استفاده می‌شوند ضریب هدایت حرارتی پایینی دارند. ذرات نانو به دلیل بالا بودن ضریب هدایتی‌شان با توزیع در سیال پایه باعث افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال که یکی از پارامترهای اساسی انتقال حرارت محسوب می‌شود، می‌گردند ]18[.
تولید و کاربرد نانو سیالات به دو روش است:
(1)  روش دومرحله‌ای (Two-step process)
مرحله نخست این روش شامل تولید نانو ذرات به صورت یک پودر خشک بوده که اغلب توسط کندانس نمودن با یک گاز بی‌اثر انجام می‌شود. در مرحله بعد نانو ذرات تولیدشده در سیال پخش می‌گردند.
نکته اساسی در این روش تجمع نانو ذرات بر اثر چسبندگی آن‌ها به همدیگر است که از معایب این روش به شمار می‌آید.
(2)روش تک‌مرحله‌ای (Single-step process)
در این روش از یک مرحله که تبخیر مستقیم است استفاده می‌گردد. مزیت استفاده از این ‌روش آن است که تجمع ذرات بر اثر چسبندگی آن‌ها به یکدیگر به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش یافته و به حداقل می‌رسد ]18[ .شکل 3-1 گویای این موضوع می‌باشد.

شکل 3-1: مقیاسی از ذرات نانوسیال ]22[همچنین یک نکته اساسی در روش‌های تولید نانو سیالات ایجاد پایداری برای ذرات معلق جامد، با بهره‌گیری از خواص سطحی ذرات معلق و نیز پیشگیری از ایجاد خوشه‌ای ذرات است. در این راستا سه روش عمده وجود دارد ]18[:
 تغییر میزان pH
 استفاده از جاذب‌های سطحی (surface activators)
 استفاده از ارتعاشات مافوق صوت (ultrasonic vibration)
3-2-1- مکانیسم‌های انتقال حرارت در نانو سیالاتدر بررسی مکانیسم‌های انتقال حرارت 2 مکانیسم مورد توجه قرار می‌گیرد ]1[.
مکانیسم هدایت حرارتی
مهم‌ترین نکته در این بخش یادآوری این موضوع است که ضریب هدایت حرارتی سیالات، نقش اصلی را در میزان انتقال حرارت در تجهیزات مربوطه ایفا می‌کنند. در همین راستا نانو ذرات به دلیل دارا بودن ضریب انتقال حرارت بالا، سبب افزایش قابل‌توجه در انتقال حرارت هدایتی نانو سیالات می‌شوند به‌طور مثال استفاده از نانو ذرات مس و نانولوله‌های کربنی در اتیلن گلایکول و نفت موجب افزایش ضریب انتقال حرارت سیال پایه به میزان 40% و 150% می‌شود ]1[.
پیش از پرداختن به مدل‌های ریاضی موجود، مؤثرترین فاکتورها در افزایش انتقال حرارت نانو سیالات بر اساس آزمایش‌های صورت گرفته و داده‌های تجربی موجود بررسی می‌شود، این فاکتورها عبارت‌اند از ]19[:
– نوع سیال پایه و نانو ذرات مورداستفاده
– جزء حجمی ذرات
– اندازه نانو ذرات
– شکل نانو ذرات(نسبت منظر یا aspect ratio)
– میزان pH نانو سیالات
– نوع پوشش مورداستفاده برای ذرات (particle coating)
مدل‌های ریاضی که در این زمینه ارائه‌شده مبتنی بر محاسبه‌ی ضریب هدایت حرارتی مؤثر نانو سیال می‌باشد نخستین رابطه‌ای که مبنای بسیاری از کارها قرار گرفته و برای  نانوسیالات نیز استفاده شده است رابطه مربوط به ماکسول می‌باشد این رابطه برای مخلوط مایع و ذرات جامد با ابعاد نسبتاً ریز بیان شده  است ]19[.
Keff,Maxwell=kP+2k1+2(kP-k1)∅kP+2k1-(kP-k1)∅k1 (1-3) در صورتی که معادله‌ی مربوط به انرژی را در مختصات کروی بنویسیم خواهیم داشت:
∇2∅=∂∂rr2∂∅∂r+1sinθ∂∂θsinθ ∂∅∂θ=0 (2-3)این معادله در حالت پایدار در نظر گرفته‌شده و از فرم مربوط به جهت صرف‌نظر شده و سرعت در جهت نادیده گرفته‌شده است.

شکل3-2: پارامترهای مختلف بروی مختصات کروی نانوسیال ]19[
H=-∇∅q=kHH  : intensity
q  :heat flux
شرایط مرزی معادله به صورت زیر است:
r=0=constant, ∅3 r=∞=-H0r∞ r=R=∅2 r=R, ∅2 r=R+t=∅3 r=R
∂∅1∂r r=R=k2∂∅2∂r r=R, (3-3)∂∅2∂r r=R+t=k3∂∅3∂r r=R+t (4-3)پس از حل معادله و با توجه به شرایط مرزی مذکور خواهیم داشت:
∅1=-AH0rcosθ, r<R (5-3)∅2=-H0Br-Cr-2cosθ, R<r<R+t (6-3)A=9kmk2KH0 (7-3)B=3km(2k2+k1)KH0 (8-3)C=3km(k2-k1)r03KH0 9-3K=2km+k2k1+2k2-2α(k2-km)(k2-k1) (10-3)همچنین با توجه به رابطه مربوط به H مقادیر H1 برای نانوذره و H2 برای پوسته‌ی خارجی به دست می‌آید:
H1=Aez 11-3H2=Bez+Cr3ez-3Czr4er 12-3به دلیل آنکه در رابطه مربوط به H2برای شعاع‌های بزرگ‌تر از R می‌توان از ترم دوم و سوم در سمت راست معادله صرف‌نظر کرد درنتیجه خواهیم داشت:
H2=Bez 13-3که در این روابط erو ez بردارهای یکه در راستای محوری و شعاعی می‌باشند.
با توجه به تعریف مقدار متوسط کمیت‌ها مقادیر مربوط به مقدار متوسطHوqنیز از روابط زیر به دست می‌آید ]19[:
q=1Vv q dv (14-3)H=1Vv H dv (15-3)پس از انتگرال‌گیری در روابط فوق معادلات زیر به دست می‌آید که ازآنجا می‌توان ضریب هدایت حرارتی کمپلکس نانوذره را محاسبه نمود.
kc=qH=Aαk1+B(1-α)k2Aα+B(1-α)=k22k2+k1+2α(k1-k2)2k2+k1-α(k1-k2) (16-3)H=[Aα+B1-α]ez (17-3)q=Aαk1+B1-αk2ez (18-3)q= kcH (19-3)qi= kiHi (i=1,2) (20-3)در ادامه، بر اساس تئوری که در سال 1935 توسطBruggeman برای محاسبه‌ی ضریب هدایت حرارتی مؤثر ترکیبات دوتایی شامل ذرات کروی شکل ارائه شد می‌توان به ضریب هدایت حرارتی مؤثر  نانوسیالات دست‌یافت ]19[.
و معادله نهایی به شکل زیر خواهد بود:
1-vαke-km2ke+km+vαke-kc2ke+kc=0 (21-3)نمودار زیر تطابق بین داده‌های آزمایشگاهی برای  نانو سیال اکسید مس در آب با برخی تئوری‌های قدیمی نظیر ماکسول و تئوری ارائه شده اخیر را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود سازگاری بسیار خوبی میان این تئوری با داده‌های آزمایشگاهی وجود دارد و بر اساس شکل بر خلاف تئوریهای پیشین که به صورت خطی می‌باشند، تئوری اخیر ماهیتی غیرخطی داشته و از این نظر نیز مطابق با داده‌های تجربی است.

شکل 3-3: تغییرات ضریب انتقال گرمای نسبی با درصد حجمی نانوسیال[19]مکانیسم جابجایی حرارتی
مباحث و تئوریهای ارائه‌شده در این بخش برای  نانو سیالات به مراتب کمتر از مدل‌های ارائه‌شده در قسمت مربوط به مکانیسم هدایت حرارتی می‌باشد و در کل کارهای تحقیقاتی کمتری روی این مکانیسم صورت پذیرفته است؛ اما با توجه به همین کارهای اندک انجام شده نتایج زیر بر اساس داده‌های آزمایشگاهی به‌دست‌آمده است ]19[.
ضریب انتقال حرارت جابجایی در  نانو سیالات با توجه به سرعت جریان و جزء حجمی نانو ذرات تغییر کرده و در صورت وجود شرایط یکسان بیشتر ازمقدار مشابه در سیال پایه است.
 به‌طور مثال در مقایسه با آب، نانو سیال حاوی2% حجمی از ذرات مس دارای افزایش 60 درصدی در ضریب انتقال حرارت جابجایی است.
 ضریب انتقال حرارت جابجایی با توجه به عدد رینولدز و جزء حجمی ذره در سیال افزایش می‌یابد.
به صورت کلی روابط ارائه‌شده در بخش انتقال حرارت جابجایی در اغلب موارد به صورت تجربی است که این مسئله در مورد نانو سیالات نیز صدق می‌کند. یعنی تعداد روابط تجربی بیشتر از مدل‌های ریاضی ارائه‌شده در این بخش است. به‌طور مثال می‌توان به محاسبه‌ی عدد بدون بعد ناسلت بر اساس دو رابطه زیر به ترتیب برای جریان آرام و آشفته اشاره نمود که به‌طور تجربی به‌دست‌آمده‌اند ]19[:
Nuαf=0.4328[1.0+11.285∅0.754Pei0.288]Reαf0.333Prαf0.4 (11-3)Nuαf=0.00591.0+7.6286∅0.6886Pei0.001Reαf0.9238Prαf0.4 (12-3)Reαf=umDvαf (14-3)Peαf=umdpααf (15-3)Prαf=vαfααf (16-3)در این روابط از اعداد بدون بعد نظیر پکلت، رینولدز  و پرانتل استفاده شده است. همچنین ضریب نفوذ حرارتی نانو سیال در رابطه بالا با توجه به تعریف و بر اساس جزء حجمی نانو ذرات به دست می‌آید:
αaf=kaf(ρCp)af=kaf1-∅ρCpf+∅(ρCp)d (17-3)در بیان مدل‌های ریاضی 2 روش عمده برای تحلیل افزایش میزان انتقال حرارت مورد توجه است[19]
مدل تک فازی:
در این مدل فاز ذرات و فاز سیال در یک تعادل حرارتی در نظر گرفته می‌شوند که دارای سرعت یکسان می‌باشند. از مزایای این روش کاهش قابل‌توجه زمان محاسبات در آن است ]19[.
مدل دو فازی
در این روش فرایند انتقال حرارت در 2 فاز مایع و جامد به صورت مجزا مورد بررسی قرار می‌گیرد و از دو تابع مختلف استفاده می‌شود. محاسبات این روش مستلزم بهره‌گیری از کامپیوترهای بسیار پیشرفته و نیز صرف زمان زیاد است.
مدلی که در اینجا مورد بررسی قرار می‌گیرد در واقع یک مدل تک فازی اصلاح شده برای جریان نانو سیال در لوله است ]19[.
معادله مربوط به انرژی در مختصات استوانه‌ای، در صورتی که در آن از توزیع دما در جهت صرف‌نظر شده و همچنین سرعت در جهت محوری و شعاعی استوانه‌ای نیز صفر در نظر گرفته شود به صورت زیر می‌باشد:
∂T∂t+u∂T∂x=∅+βxρCpnf∂2T∂x2+1r∂∂r (18-3)∂T∂t+u∂T∂x=∅+βxρCpnf∂2T∂x2+1r∂∂r∅+βxρCpnfr ∂T∂r (19-3)در این معادله از فرم استفاده شده است که دلیل آن در نظر گرفتن اثر وجود نانو ذرات و جزء حجمی آن‌ها در سیال است. در صورتی که از توزیع دما در جهت محوری هم صرف‌نظر گردد به معادله زیر خواهیم رسید ]19[:
∂T∂t+u∂T∂x=1r∂∂r∅+βxρCpnfr ∂T∂r (20-3)شرایط مرزی این معادله به صورت زیر خواهد بود:
(21-3)
با در نظر گرفتن شرایط مرزی و با استفاده از روش جداسازی متغیر، معادله حل شده و نتیجه به شکل تابع بسل در خواهد آمد:
T-TwT0-Tw=2m=1∞e-θm2 t/peJ0(θmr)J1(θm)θm (22-3)در این رابطه که در آن از متغیرهای بی بعد زیر استفاده شده است، تتا  ریشه مثبت معادله می‌باشد.

در صورتی که معادله تعادل حرارتی را در دیواره لوله به صورت زیر در نظر بگیریم آنگاه خواهیم داشت:
-knf*∂T∂rr=R=hTb-Tw (23-3)در روابط مذکورTbدمای سیال اطراف لوله وTwدمای دیواره لوله است.
پس از محاسبه‌ی عدد بدون بعد ناسلت، ضریب هدایت جابجایی نیز به دست خواهد آمد.
Nu=m=1∞e-θm2t/Pem=1∞e-θm2t/Pe/θm2 (24-3)3-3- بررسی نوترونیکدر واکنش شکافت هسته‌ای، زنجیره‌ی واکنش از اهمیت زیادی برخوردار است، یعنی ادامه واکنش به واکنش قبل بستگی دارد زیرا نوترون‌های تولیدی در یک واکنش عامل واکنش بعدی هستند. برای ادامه داشتن و زنجیری بودن واکنش شکافت باید تعداد نوترون تولیدی در یک واکنش برای ادامه واکنش کافی باشد. در هر تک واکنش شکافت به‌طور میانگین 2.54 عدد نوترون تولید می‌شود که هر کدام از این نوترون‌ها خود قابلیت انجام واکنشی دیگر را دارند. برای بیان میزان تولید و مصرف نوترون و درنتیجه وضعیت ادامه واکنش از پارامتری به نام ضریب تکثیر استفاده می‌شود. در رآکتور هسته‌ای ضریب تکثیر k به شکل زیر تعریف می‌شود ]17[.
k=no. of neutrons in one generationno. of neutrons in the preceeding generation (25-3)پس ضریب تکثیر تعداد نوترون‌های تولیدی در هر نسل به تعداد نوترون‌های تولیدی در نسل قبل می‌باشد که مقدار آن نمایانگر این است که آیا واکنش ادامه خواهد داشت یا خیر.
همان‌گونه که پیداست اگر مقدار ضریب تکثیر برابر با یک باشد واکنش زنجیری مستقل از زمان خواهد بود و با نرخ ثابت انجام خواهد شد، این حالت را حالت بحرانی گویند. مشخص است که حالت ایده آل برای ما داشتن ضریب تکثیر برابر یک خواهد بود که در این حالت تعداد نوترون‌ها در رآکتور میزان ثابتی خواهد بود. مشخص است که اگر ضریب تکثیر کوچک‌تر از یک باشد تعداد نوترون‌های مصرفی بیشتر از نوترون‌های تولیدی است و واکنش زنجیری به مرور زمان تا توقف کامل واکنش پیش خواهد رفت. به این حالت که ضریب تکثیر کوچک‌تر از یک است در اصطلاح حالت زیربحرانی رآکتور گویند]17[.
اگر میزان ضریب تکثیر بزرگ‌تر از یک باشد یعنی تعداد نوترون‌های تولیدی بیشتر از تعداد نوترون‌های مصرفی باشد و موجودی نوترون رو به افزایش باشد واکنش زنجیری شکافت با شدت بیشتری نسبت به قبل در هر لحظه ادامه پیدا خواهد کرد. این حالت یعنی ضریب تکثیر بزرگ‌تر از یک را حالت فوق بحرانی گوییم. در بمبهای هسته‌ای مقدار ضریب تکثیر در شروع واکنش بزرگ‌تر از یک بوده واکنش با شدت بیشتری تا اتمام ماده شکافت پذیر ادامه پیدا می‌کند و انرژی زیادی تولید می‌شود]17[.
کاری که در رآکتور هسته‌ای انجام می‌شود کنترل واکنش زنجیری شکافت با ایجاد توازن بین حالت‌های زیربحرانی، بحرانی و فوق بحرانی است. مشخص است که حالت ایده آل برای ما داشتن حالت بحرانی در شرایط نرمال رآکتور خواهد بود؛ یعنی در شروع با داشتن حالت فوق بحرانی میزان واکنشش را تا اندازه مشخصی افزایش می‌دهیم سپس با ثابت نگه‌داشتن حالت بحرانی از رآکتور بهره میجوییم و برای کاهش شدت واکنش در مواقع اضطراری یا خاموشی رآکتور از حالت زیر بحرانی استفاده می‌کنیم]17[.
مسئله مهم در طراحی رآکتور هسته‌ای طراحی رآکتوری است که در حالت نرمال کارکرد رآکتور دارای حالت بحرانی باشد. اینکار بدین شکل خواهد بود که در ابتدا ترکیب ومقداری حدودی برای رآکتوری منحصربه‌فرد را در نظر می‌گیریم و سپس باتوجه به این مقدار ماده مقدار ضریب تکثیر را محاسبه می‌کنیم. اگر مقدار ضریب تکثیر برابر با یک نباشد (که معمولاً در موارد اول نخواهد بود) با استفاده از مقدار ضریب تکثیر به‌دست‌آمده طراحی پیشین را اصلاح می‌کنیم. پس مقدار ماده طراحی‌شده برای رآکتور برابر با مقداری است که رآکتور را بحرانی نگه دارد. در ابتدا با واردکردن چشمه نوترونی در رآکتور باعث افزایش ضریب تکثیرشده و رآکتور را به حالت فوق بحرانی می‌رسانیم. این کار تا رسیدن به جمعیت نوترونی مناسب ادامه پیدا می‌کند و سپس با استفاده از سم‌های نوترونی که قابلیت جذب نوترون بدون انجام واکنش شکافت هستند رآکتور را در حالتی بحرانی نگاه می‌داریم. پس واضح است که ضریب تکثیر نقش فوق‌العاده مهمی در رفتار رآکتور بازی می‌کند و محاسبه مقدار ضریب تکثیر که تعینکننده مقدار و ترکیب مواد رآکتور است مبحث مهمی در طراحی رآکتور هسته‌ای است.
همان‌گونه که گفته شد ضریب تکثیر توسط رابطه 3-25 بیان میشود.]17[:
البته این تعریف زمانی درست است که توان به حد کافی بزرگ باشد که بتوان از اثر نوترون‌های چشمه (فوتونوترونها و نوترون‌های شکافت خودبه‌خودی) صرف‌نظر کرد.
یکی از روش‌های محاسبه ضریب تکثیر فرمول چهار فاکتور است که به شکل زیر است]17[:
K∞=ε p f η (24-3)که در این رابطه ε فاکتور شکافت سریع است که خود به صورت زیر تعریف می‌شود]17[:
ε=no. of fast neutrons produced by all fissionsno. of fast neutrons produced by thermal fissions (25-3)p احتمال فرار رزونانس است که خود به صورت زیر تعریف می‌شود:
p=no. of neutrons that reach thermal energyno. of fast neutrons that start to slow down (26-3)f فاکتور بهره ترمال است که خود به صورت زیر تعریف می‌شود]17[:

متن کامل و مطالب مشابه در سایت هماتز

« (Previous Post)
(Next Post) »

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *