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高温气冷堆(HTGR)是世界上首座具有第四代核电特征的堆型,堆内装载了大量石墨和碳作为结构材料和燃料元件基体。作为多孔材料,碳素材料含有一定水分等杂质。为了减小反应堆高温运行条件下的堆内材料腐蚀,初装堆和事故后需进行严格除湿,除湿过程主要由碳素材料内水分扩散性能决定。论文以堆芯除湿问题为研究背景,针对多孔材料含湿量低和加热温度高的特点,从理论和实验两个方面展开对多孔介质中水分迁移机理和特性的研究。利用压汞法和扫描电镜SEM方法,得到石墨IG110和含硼碳BC的孔隙参数。分析认为除湿过程中材料内的水分迁移主要依靠分子扩散和对流传质两种,前者以分子浓度梯度为驱动力,为Fick扩散;后者以压力梯度为驱动力,为渗流。建立了表征多孔介质内水分迁移的扩散模型和扩散-渗流模型,并对不同应用场景的迁移机理及数学模型进行对比。将水分迁移模型应用到圆柱石墨IG-110和含硼碳BC试件除湿过程的数值模拟。结果表明,试件含湿量呈指数递减规律,先快后慢。扩散-渗流模型中含湿量变化快于扩散模型,IG-110水分传递速率大于BC。温度越高,有效孔隙率越大,或除湿系统压力越小,则水分传递速率越大。将数学模型应用到工程上HTR-PM堆芯除湿过程的数值模拟,分析了动态水分分布、除湿制约因素等。对HTR-PM除湿条件进行优化,若系统压力从7 MPa降为0.1 MPa,则水分扩散作用和渗流作用均显著加强,除湿速率大大提高。推导了水分扩散模型的近似解析解,故只根据几何特征长度即可估算整体含湿量与时间的关系。对不同几何对象和HTR-PM构件,进行解析解与数值解的对比,发现二者大致吻合,且特征长度对几何体整体的代表性越强,解析解越适用。在实验研究方面,IG-110和BC试件的吸湿实验结果表明,在相同温度和空气湿度的条件下,BC吸湿量大于IG-110,而IG-110吸湿速率快于BC。碳材水分吸附量表现出分散性。实验湿度越大,或温度越低,则吸湿量越高。将BC试件吸湿实验结果与扩散模型的模拟结果拟合,得到BC材料内有效扩散系数的估值。石墨IG-110和含硼碳BC试件除湿实验结果表明,提高温度能显著降低试件平衡含湿量,提高除湿能力,而真空条件并没有对除湿效率有明显提升作用。吸湿与除湿问题各异的特点,不能简单地将吸湿与除湿作为互逆过程。