鈉冷快堆燃料組件流道優化設計數值模擬

李思遠 張愛民

【摘 要】本文采用計算流體力學（CFD）方法針對不同流通橫截面的7根棒束組成的快堆燃料組件進行數值模擬，分析繞絲直徑與六角管內對邊距設置對組件熱工水力性能的影響。結果表明，繞絲對冷卻劑具有強烈的攪混作用，在起到定位作用的同時，為熱平衡提供驅動力。通過改變燃料組件流道結構，即采用外圈小直徑繞絲并縮小內對邊距的設置，可以對冷卻劑在不同子通道中的流量進行重新分配，具有更好的熱工水力性能。

【關鍵詞】快堆;繞絲;六角管對邊距;熱工水力;CFD

中圖分類號： TL352 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）12-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.001

【Abstract】This paper uses computational fluid dynamics（CFD）method to simulate the fast reactor fuel assemblies composed of 7 bundles with different flow cross sections，and analyzes the influence of the diameter of the wire-wrap and the setting of the margin in the hexagonal tube on the thermal hydraulic performance of the assemblies.The results show that the wire-wrap has a strong mixing effect on the coolant，and provides a driving force for the heat balance while positioning.By changing the fuel assembly flow path structure，that is，the setting of small diameter wire-wrap with outer ring and narrowing inner-to-edge distance is adopted.，the flow rate of the coolant in different sub-channels can be redistributed，and the thermal hydraulic performance is better.

【Key words】Fast reactor;Wire wrap;Hexagonal pipe to margin;Thermal hydraulics;CFD

0 引言

1-內子通道;2-邊子通道;3-角子通道

快堆組件為提高燃料燃耗深度與增加燃料-冷卻劑比，一般采用三角形棒束排列方式，由于快堆組件內部流動情況復雜，利用CFD方法對快堆組件內部冷卻劑流動情況的研究在國內外得到認可[1-5]。燃料棒表面纏繞的繞絲作為定位結構的同時對冷卻劑進行橫向攪混，產生橫向流動以帶走組件中部堆積的熱量。根據冷卻劑在流道中的位置一般可以分為三種通道類型--內子通道、邊子通道與角子通道，如圖1所示為7根棒束組成的快堆組件幾何模型與子通道劃分示意圖。普通快堆組件中繞絲直徑保持一致，各個子通道在一個繞絲螺距長度所受繞絲攪混的數目和子通道截面形式不同導致冷卻劑受攪混的強度不同，內子通道中阻力系數大，冷卻劑流量低于橫截面平均流量。通過改變燃料棒最外圈繞絲直徑，減小六角管內對邊距以增加冷卻劑在角子通道與邊子通道中的流動阻力，可以驅動冷卻劑向組件中部轉移，能更好的匹配中心棒束對熱量導出的需求。本文研究就基于此。

1 計算前處理

1.1 幾何模型與邊界條件設置

基本模型采用圖2所示由7根棒束組成的快堆組件模型，模型基本幾何參數如下：1）燃料棒直徑6.6mm;2）繞絲直徑1.4mm;3）繞絲螺距100mm;4）組件活性段長度450mm。在實際的快堆組件中，燃料棒與繞絲為點接觸，在幾何建模與后續網格劃分的過程無法有效的進行，參照文獻[6，7]，將繞絲嵌入燃料棒表面0.05mm，如圖3所示，可以保證在不影響模擬結果的條件下進行有效的建模與網格劃分。另外，由于在快堆組件中，活性段區域熱流量占整組件全部熱流量的95%以上，故本文針對該區域進行熱工水力數值模擬分析。數值模擬中邊界條件設置參照表1所示。冷卻劑鈉的物性參數參照文獻[8]所示進行設置。

1.2 計算控制方程

CFD（Computational Fluid Dynamic）基本思想為通過三大守恒方程建立控制方程組與設定邊界條件進行計算域中場函數（如溫度、壓力、速度）的空間分布與隨時間的變化。三大守恒方程為如下：

式中，？籽為流體密度;t為時間;u、v、w分別為流速在X、Y、Z坐標軸上的分量;p為作用在流體微元上的壓力;？子ii為微元表面不同方向的切應力;Fi為作用在微元上不同方向的體積力分量;T為溫度;k為玻爾茲曼常數;cp為流體定壓比熱容;ST為粘性耗散項。

1.3 模型對比方案設計

快堆組件中冷卻劑流動阻力除沿棒束的沿程阻力外，還受到由繞絲對冷卻劑的攪混作用產生的攪混阻力，另外，繞絲部件作為棒束間的定位裝置決定了棒束外圍的六角管的結構。在燃料棒束基本參數不變的條件下，通過改變棒束最外圍繞絲直徑可以改變六角管內對邊距大小，從而改變邊子通道與角子通道流通面積，影響冷卻劑在不同子通道中的阻力系數，達到流量再分配并改善組件內部熱工水力性能的目的。

綜上，如圖4所示，本文將原始組件模型設定為對照組，即模型A;單改變最外圈繞絲直徑大小模型研究組件整體性能隨繞絲直徑的影響，即模型B;同時改變最外圈繞絲直徑與六角管內對邊距的新型組件模型為模型C。