棒束組件中流場特性研究進展與思考

摘要：核電站中核燃料處于不斷消耗和補充換料的動態循環過程中，先進燃料組件的研發對核電站的經濟性和安全性提高有重要意義，其熱工性能的提升主要依賴于燃料棒束中流場的合理分布。由于燃料組件由多根元件棒組成，且軸向周期性布置多個結構復雜的定位格架用于固定和攪混，使得燃料棒束組件中流場特性也十分復雜。本文對棒束組件中流場特性的國內外研究進展進行調研，并思考棒束組件研究中存在的問題，為先進燃料組件的研發提供參考借鑒。

關鍵詞：燃料組件；流場特性；研究進展

中圖分類號： TL334 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

1 前言

燃料組件是核電站的核心部件之一，在役運行的核電站中燃料成本占總運行成本的近30%，研發具有高燃耗、低破損、長循環、高可靠性和良好熱工水力性能等優點的先進燃料組件，是世界各大核電公司、機構致力改善核電站安全性、可靠性和經濟性的有效手段，也是我國核電國產化的關鍵。燃料組件由元件棒和定位格架組成復雜的開式通道，系統掌握燃料組件中的流場行為特性，是優化其熱工水力性能的關鍵一步，也是建立燃料組件設計評價體系，突破先進燃料組件自主設計技術的重要基礎。

2 國內外研究進展與分析

為了掌握復雜棒束組件中的冷卻劑熱工水力特性，國內外研究人員從20世紀60、70年代起開展了廣泛的實驗研究，研究內容主要包括：無定位格架光棒束內橫向壓力梯度產生的子通道間“自然”交混、定位格架對棒束通道間交混的影響、帶定位格架棒束組件中軸向壓降和橫向壓力分布、定位格架交混翼對軸向和橫向流速分布特性的影響、定位格架附近湍流度增加產生的換熱增強及臨界熱流密度特性等等。針對棒束組件中流動特性的研究如下。

2.1 帶定位格架棒束組件中流動特性實驗研究

中國核動力研究設計院的胡俊[1]在1992年采用二維三光束LDV系統對棒束組件中單相流場進行了測試。熊萬玉等人[2]在此基礎上改進了實驗裝置，對帶2個定位格架的5×5棒束組件中三維單相流場進行了可視化實驗研究，實驗用二維三光束LDV系統測量獲得棒束組件中流體軸向流速和橫流速度的分布，結果表明：流體經過定位格架后，橫向速度加強，軸向速度波動較大；不同通道內橫向速度和軸向速度不相同，邊通道的速度小于中心通道速度。

日本三菱重工在采用CFD方法研發高性能燃料組件的過程中，開展了相應的帶定位格架棒束組件流場特性實驗，用來校驗和開發CFD模型。Ikeda等人[3]采用元件棒內嵌LDV系統測量獲得5×5棒束組件中棒間隙處的軸向和橫向流速實驗數據。

為了獲得CFD模型校驗與開發所需的帶定位格架棒束組件中冷卻劑流動基礎實驗數據，21世紀初幾年，西屋公司與Clemson大學合作開展了一系列棒束組件流場測量可視化實驗[4]-[5]。實驗采用PIV測量技術，對5×5棒束組件中定位格架下游單個子通道[4]和多個子通道內[5]橫向流速進行了測量，通過使用透明的聚碳酸酯流道和部分石英元件棒使激光層到達測量區域，并在流道末端伸入測量管用以拍攝示蹤粒子。實驗獲得了撕裂式交混翼作用下通道內橫向速度分布及渦旋特性，但該方法測量范圍較小，且測量管會對流場產生干擾。

近幾年隨著高頻、高分辨率PIV技術的快速進步，西屋公司又與Texas大學合作重新進行5×5棒束組件中CFD校驗基準實驗研究[6]。Texas大學對實驗裝置進行了改進，采用全透明流道，以及折射率與水匹配的材料加工元件棒，消除了測量裝置對流場的干擾。實驗測量獲得了5×5棒束組件不同子通道內軸向流速和不同軸向位置處橫向流速動態分布和變化特性可視化實驗數據，對原始數據進一步處理獲得了定位格架附近湍流強度、渦流特征等流場信息。

近年來棒束通道相關基礎實驗研究的趨勢是在三維空間內進行精細的流場可視化定量測量，獲得的基礎實驗數據能夠加深人們對定位格架作用下棒束組件中流場分布和演化內在機制的認識，并為用于定位格架設計的CFD數值計算模型校驗提供基準數據。

2.2 棒束組件中流場特性理論計算及CFD的應用

相對實驗研究，理論計算具有費用低、危險小和周期短的優點，尤其在設計研發階段，采用理論計算可以進行不同設計方案的對比分析和預先評估，從而大大減少了研發費用，縮短了研發周期。

在燃料組件研發中，采用CFD局部尺度模擬程序能夠更精確地模擬棒束組件中的復雜熱工水力現象，有利于把握定位格架設計和優化中存在的細節問題。隨著近年來計算機技術的快速進步、CFD物理模型和數值計算方法的豐富和成熟，CFD方法已在燃料組件設計和安全分析中得到越來越多的重視和應用。

在利用單相CFD方法進行燃料組件流場研究和定位格架設計方面具有較大影響的工作包括：日本三菱重工借助單相CFD方法完成的高熱工性能定位格架研制；美國西屋公司進行的棒束組件中流動換熱特性CFD計算基準問題研究等。

三菱重工在研制高熱工性能定位格架的過程中系統地研究和發展了CFD技術[3]，[7]，設計中用CFD計算了定位格架下游的橫向流動、壓力損失系數和相同功率下燃料棒周圍的峰值溫度，并采用壓降、交混和DNB實驗數據對CFD模型進行了驗證。通過以峰值溫度與平均溫度之差作為評價依據對幾種格架進行篩選，建立了一套“先采用CFD方法進行性能預測，再采用CHF實驗進行驗證”的格架研制方法體系。三菱重工的研究表明，采用單相CFD方法計算和評價棒束組件定位格架的熱工水力性能，指導定位格架設計是可行的。

西屋公司的Conner等人[8]對用CFD進行PWR燃料組件熱工水力性能設計研究基準工作進行了總結，并給出了西屋公司利用STAR-CD進行堆芯工況下燃料組件設計的CFD計算模型及準則。西屋公司的研究表明：帶交混翼定位格架的棒束組件中三維流場非常復雜；盡管單相CFD計算方法已比較成熟，但針對棒束組件開發的CFD模型仍需要經過充分的驗證才能得到正確的計算結果；完成基準驗證工作后，CFD程序作為一種“工具”可以用于定位格架熱工水力性能的設計和研究。

隨著我國高性能先進燃料組件國產化進程的啟動和推進，從20世紀末至今，國內也有很多研究者采用CFD方法在棒束燃料組件中熱工水力特性分析和定位格架設計、優化等方面開展了大量的研究，相關研究工作主要集中在中國核動力研究設計院。熊萬玉[2]在其LDV可視化實驗測量的基礎上，采用CFX4程序對簡化后的2×2帶定位格架棒束組件中三維單相流場進行了理論計算，計算結果和實驗數據總體相符，證明了CFD方法用于格架附近單相流場計算分析的可行性。田瑞峰等人[9]將帶定位格架棒束組件的CFD模型從2×2擴展到5×5，并采用混合網格和改進的SIMPLEC算法，針對定位格架各典型部件對流場的影響進行了CFD計算分析。陳畏葓等人[10]研究了CFD技術在格架優化設計中的具體應用，他們針對不同的定位格架交混翼設計方案進行了CFD模擬計算，并以流體最高溫度、熱通道平均溫度、橫向流交混因子等為評價準則對幾種設計方案進行了對比分析，初步提出了定位格架篩選的方法。陳杰[11]在用CFD方法進行定位格架交混性能評價方面做出了進一步努力，提出了定位格架整體交混性能評價的“交混非均勻度因子”，并基于CFD計算分別對商用17×17定位格架和實驗用5×5定位格架進行了初步評價。

采用CFD方法對結構復雜的棒束組件中三維流場和溫度場的分布及其演化特性進行模擬計算，可以獲得詳細的局部流動和傳熱信息，有助于更好地理解其中的熱工水力現象。國外已有成功將單相CFD方法應用于先進燃料組件研發中的經驗，國內也在先進燃料組件的自主設計過程中進行了大量的CFD計算分析；而國外十分重視程序的驗證，開展了系統性的基準驗證實驗對CFD模型和算法等進行驗證優化，國內在相關方面則相對薄弱，僅開展了少量探索性基礎實驗和CFD程序驗證工作。開展基準實驗，對CFD模型和算法等進行驗證優化，有助于保證數值計算結果的正確性和精確性，從而為CFD方法在先進燃料組件研發和定位格架設計、篩選中的有效應用奠定關鍵性的數據基礎。

3 思考與結論

先進燃料組件在反應堆中規模化應用后能夠產生可觀的經濟效益，國外經過數十年不斷努力，已成功研發了多個系列的先進燃料組件；我國只有自主化研發先進燃料組件，才能突破國外知識產權帶來的種種限制并有效降低核電站運營成本。

在先進燃料組件熱工水力設計方面，國外經過數十年不斷的研究，已形成格架設計、優化、評價的完整體系；國內燃料組件國產化進程啟動多年尚無突破性進展，流場特性基礎研究尤其是關鍵實驗數據的缺乏，已成為格架設計優化和國產化的重要制約因素。

針對棒束組件中三維流場特性進行實驗測量，可以加深對定位格架作用下棒束組件中冷卻劑流動特性的微觀機理認識，為定位格架性能的工程評價和CFD數值模型的基準校驗提供定量精細測量的基礎實驗數據，并為棒束組件中其他相關研究奠定理論和技術基礎，對先進燃料組件的研發和定位格架的優化改進具有重要的科學指導意義。

參考文獻

[1]胡俊等，反應堆燃料組件棒束流場的激光測試和計算，內部報告，1992.

[2]熊萬玉. 帶定位格架棒束內單相流體三維流場研究. 中國核動力研究設計院碩士學位論文，2000年.

[3]Kazuo Ikeda， et al.， Cross flow study of PWR mixing core I-measurement and CFD prediction. ICONE-6 May 10-15， 1998.

[4]McClusky， H.L.， Holloway， M.V.， Beasley， D.E.， Conner， M.E.， 2002. Development of swirling flow in a rod bundle subchannel. ASME Journal of Fluids Engineering 124， 747–755.

[5]McClusky， H.L.， Holloway， M.V.， Conover， T.A.， Beasley， D.E.， Conner， M.E.， Smith III， L.D.， 2003. Mapping of the lateral flow field in typical subchannels of a support grid with vanes. ASME Journal of Fluids Engineering 125， 987–996.

[6]Michael E. Conner， Yassin A. Hassan， Elvis E. Dominguez-Ontiveros. Hydraulic benchmark data for PWR mixing vane grid. Nuclear Engineering and Design 264 （2013） 97–102.

[7]Ikeda， K.， Makino，Y.， Hoshi， M.， et al.. Single-phase CFD application for estimating fluid hot-spot locations in a 5×5 fuel rod bundle. Nuclear Engineering and Design.2006，236，1149-1154.

[8]Conner，M.E.， Baglietto，E.， Elmahdi，A.M.. CFD methodology and validation for single-phase flow in PWR fuel assemblies. Nuclear Engineering and Design. 2010，240，2088-2095.

[9]田瑞峰，毛曉輝，王小軍. 定位格架典型部件對5×5棒束組件中流場影響的數值研究. 原子能科學技術，第43卷，第1期，2009年1月.

[10]陳畏葓，張虹，張鳳林，胡海翔，胡德勇，陳平，雷濤. 先進燃料組件格架交混性能分析. 核動力工程，第29卷，第3期，2008年6月.

[11]陳杰. CFD模擬定位格架交混性能的研究方法. 中國核動力研究設計院碩士學位論文. 2010年.