關(guān)于鈉冷快堆堆芯燃料組件熱工水力研究方法探究

趙文升 郭洋洋 張 巖

華北電力大學(xué) 河北 保定 071000

鈉冷快堆(SFR)是利用液態(tài)金屬鈉作為反應(yīng)堆冷卻劑的快中子反應(yīng)堆，其能夠?qū)崿F(xiàn)核燃料的閉式循環(huán)，嬗變熱中子反應(yīng)堆產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命放射性廢料，能夠高效利用鈾資源并培育核燃料實(shí)現(xiàn)核能的長(zhǎng)久利用，也是目前六種第四代核反應(yīng)堆中最有前途和最成熟的堆型。鈉冷快堆的反應(yīng)堆堆芯是由若干個(gè)燃料組件組成的，燃料組件之間沒有流動(dòng)交換，燃料組件內(nèi)燃料棒所產(chǎn)生的熱量幾乎全部由冷卻劑液態(tài)鈉吸收帶出，因此對(duì)快堆堆芯燃料組件進(jìn)行熱工水力分析，對(duì)快堆堆芯的設(shè)計(jì)和快堆堆芯的安全性驗(yàn)證有著極其重要的意義。

1 堆芯組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

圖一為某37棒燃料組件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中可見燃料棒周圍使用螺旋繞絲纏繞，燃料棒呈現(xiàn)六邊形陣列，緊密封裝在六邊形燃料組件盒內(nèi)。螺旋繞絲起始位置相同，且所有繞絲呈同一方向相同螺距緊密纏繞燃料棒，其能夠保持棒與棒之間的間距，同時(shí)還能加強(qiáng)冷卻劑之間的混合。組件內(nèi)的平行通道根據(jù)所在位置不同可分為中間子通道、邊子通道和角子通道。

圖1 燃料組件結(jié)構(gòu)示意圖

2 堆芯燃料組件水力特性分析方法

2.1 實(shí)驗(yàn)研究 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)燃料組件的實(shí)驗(yàn)研究多數(shù)在1990年之前完成，不同的學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究得到了一些不同的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。在2001年Chun和Seo[1]對(duì)不同參數(shù)繞絲棒束燃料組件進(jìn)行了一系列的水實(shí)驗(yàn)，對(duì)燃料組件的各種參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。我國(guó)的李勇[2]等人利用自主研制實(shí)驗(yàn)回路利用水介質(zhì)對(duì)61棒繞絲棒束燃料組件進(jìn)行阻力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并將得到的結(jié)果與Reh me公式和Novendstern公式進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)Novendstern公式的相關(guān)性更好。

對(duì)比上述我們發(fā)現(xiàn)，不同的研究小組得到了完全不同的結(jié)果，這些相互矛盾的結(jié)果是可以存在的，因?yàn)椴煌芯啃〗M使用的不同數(shù)據(jù)集和不同的評(píng)估方法可能導(dǎo)致不同的結(jié)論。此外，不同作者根據(jù)一組特定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到特定是繞絲棒束的摩擦阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式，這些關(guān)聯(lián)式通常可以很好的預(yù)測(cè)基于某些流體和某些參數(shù)范圍內(nèi)的燃料棒束的摩擦阻力系數(shù)，但是當(dāng)把這些關(guān)聯(lián)式應(yīng)用到其他流體或者其他參數(shù)燃料棒束時(shí)，得到的結(jié)果可能就不再與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)。

2.2 子通道分析法與CFD方法 子通道分析法是將棒束之間的通道劃分為一個(gè)個(gè)互相聯(lián)通、互相作用著的平行流道即子通道，假想流體在流道內(nèi)與燃料棒以及相鄰?fù)ǖ肋M(jìn)行質(zhì)量、能量和動(dòng)量交換，然后利用合適的初始條件和迭代程序求解方程組，進(jìn)而計(jì)算出整個(gè)燃料組件內(nèi)的參數(shù)分布的方法[3]。

CFD即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)方法，近年來由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算能力的不斷增強(qiáng)使得CFD方法得到越來越多的應(yīng)用。

子通道分析法與CFD方法均需要借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，都需要用到相關(guān)守恒方程進(jìn)行迭代計(jì)算，但這兩種方法并不相同，各有利弊。其中子通道分析法由于采用集總參數(shù)法，所以會(huì)忽略子通道內(nèi)的速度與溫度的精細(xì)分布，但是其計(jì)算量相對(duì)較小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)堆芯乃至整個(gè)反應(yīng)堆的熱工水力分析。CFD計(jì)算一般采用有限體積法配合相關(guān)的湍流模型能夠計(jì)算模擬出內(nèi)部詳細(xì)具體的流動(dòng)傳熱過程，但是由于需要?jiǎng)澐钟?jì)算網(wǎng)格，復(fù)雜的燃料組件結(jié)構(gòu)，無疑增加了計(jì)算難度，此外更重要是的，一般計(jì)算網(wǎng)格單元較小，CFD計(jì)算需要極大的計(jì)算工作量，對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力要求較高，而且很難實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)堆芯模擬計(jì)算。

3 結(jié)語

綜上所述，目前對(duì)于快堆堆芯組件熱工水力研究方法主要有實(shí)驗(yàn)研究、子通道分析法研究和CFD方法研究三種，其中實(shí)驗(yàn)研究測(cè)量得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信度高，但是每次只能得到一種特定的組件數(shù)據(jù)參數(shù)，研究成本較高工作量大。子通道分析法與CFD方法相對(duì)來說研究較低，但是一般需要依托實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。而且三種方法相輔相成各有利弊。因此對(duì)今后堆芯組件的熱工水力研究中可以多應(yīng)用子通道分析法與CFD方法，來完善實(shí)驗(yàn)研究并減少實(shí)驗(yàn)成本。