鉛鉍快堆燃料組件熱工水力學數值模擬研究

高鑫釗 任麗霞

摘 ?要：利用子通道程序研究鉛鉍快堆燃料組件熱工性能是一種實用且有效的方法，為初步研究一種概念設計的鉛鉍快堆燃料組件熱工水力學性能，本工作采用子通道程序對該燃料組件進行了數值計算分析得到了冷卻劑最高流速、組件出口冷卻劑溫度分布、包殼最高溫度、燃料芯塊最高溫度等，并以CFD程序模擬計算結果作為對比驗證，由計算結果可知：該燃料組件冷卻劑整體流速較低，最高流速約0.27m/s，且組件出口溫度差異明顯，最高溫差可達80℃，包殼最高溫度約541℃，燃料芯塊溫度1089℃。

關鍵詞：鉛鉍快堆;燃料組件;子通道;CFD

中圖分類號：TM623 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）22-0001-04

Abstract： It is a practical and effective method to study the thermal performance of lead-bismuth fast reactor fuel assembly by using subchannel program. In order to study the thermal hydraulic performance of lead-bismuth fast reactor fuel assembly， the maximum coolant velocity， the coolant temperature distribution at the exit of the assembly， the maximum temperature of cladding and the maximum temperature of fuel pellets are obtained using subchannel program. The simulation results of CFD program are compared and verified. The results show that the overall flow rate of coolant in the fuel assembly is low， the maximum flow rate is about 0.27 m/s， and the temperature difference at the exit of the fuel assembly is obvious， and the maximum temperature difference can reach 80 ℃. The highest temperature of the cladding is about 541 ℃ and the temperature of the fuel pellet is 1089 ℃.

Keywords： lead-bismuth fast reactor; fuel assembly; subchannel; CFD

1 概述

GIF論壇根據第四代核能系統的發展目標選定了6種最具潛力的發展堆型，分別是鈉冷快堆、鉛合金冷卻快堆、超臨界水堆、氣冷快堆、熔鹽堆以及超高溫氣冷堆[1]，鉛鉍冷卻快堆是一種極具發展潛力的快堆堆型，近年來人們對鉛鉍合金冷卻快堆的研究工作開展得越來越多。

燃料組件的熱工性能研究一直以來都是反應堆堆芯熱工性能研究的重要內容，對于鉛鉍合金冷卻快堆亦是如此。本文將對一種概念設計的適用于鉛鉍合金冷卻快堆的燃料組件進行初步的熱工性能分析，以為后續燃料組件設計優化打下基礎。

2 模型及程序介紹

2.1 幾何模型

本文研究的燃料組件示意圖如下圖1所示，燃料棒沿軸向分別為下反射層、活性區、上反射層、上部氣腔。該組件功率為309.8kW，組件活性區軸向功率密度分布示意圖如下圖 2所示，燃料棒歸一化功率分布如下圖3所示，流過該組件的鉛鉍合金冷卻劑質量流量為13.48kg/s。針對該燃料組件，本文擬采用子通道程序對其進行熱工水力學性能研究。

2.2 子通道程序模型

子通道程序廣泛使用于堆芯燃料組件熱工性能分析中，子通道分析方法模型主要包含以下內容：

（1）將燃料組件中的冷卻劑流道劃分為多個互相連

通、相互作用的小通道，即子通道。

（2）各個子通道之間，存在著冷卻劑的質量、動量和能量的交換或轉移，即交混。

（3）對全部子通道分別列出冷卻劑質量、能量和動量守恒方程，利用適當的邊界條件或初始條件類型進行聯立求解。

2.3 CFD建模

以該燃料組件幾何模型為基礎，對燃料組件進行了物理建模以及網格劃分操作，同時按照子通道模型劃分方式一樣對冷卻劑流道進行劃分，將流體域劃分為114個區域，每個區域相互連接起來。建模結果如圖5所示、網格劃分結果如圖6所示。

2.4 CFD計算輸入條件設置

CFD計算程序為FLUENT，網格模型計算用輸入條件如下所示：

（1）燃料棒外壁面設置為帶熱流密度的壁面條件，熱

流密度沿軸向的變化如圖 2所示。

（2）子通道冷卻劑出口設置為壓力出口邊界。

（3）子通道入口設置為質量流量入口，入口溫度設置為300℃。

（4）組件外壁面設置為絕熱壁面條件。

（5）冷卻劑物性參數隨溫度發生變化。

（6）冷卻劑湍流模型采用標準k-ε模型。

（7）子通道之間的交界面設置為interior條件。

3 計算結果及分析

采用CFD計算時進行了網格敏感性分析，網格敏感性分析的參數為燃料組件冷卻劑入口到出口的壓降，結果如圖7所示：在網格數目逐漸增加的過程中，燃料組件進出口壓降逐漸趨于穩定，網格數目為380萬時，壓降基本沒有變化，因此本工作選取的網格數目為380萬。

采用CFD程序計算得到了組件出口冷卻劑溫度分布云圖以及速度分布云圖如圖8、圖9所示，圖10為組件軸向中部截面邊通道和子通道區域的橫流圖，以表 1中的湍流交混關系式作為輸入，采用子通道程序COBRA對該組件進行了熱工水力學計算，得到了子通道出口冷卻劑溫度分布，將其結果與CFD計算結果進行對比，如圖11所示。

結合圖9、圖10可以看出，子通道之間的橫流交混并不強烈，相對于冷卻劑軸向速度而言橫流流速及其微弱，結合圖8、圖9可以看出，邊通道的冷卻劑流動截面面積和冷卻劑流速均大于內部子通道，而由于內部通道的熱周大于邊子通道和角子通道，且各通道之間的冷卻劑橫流微弱，導致了內部子通道與邊、角子通道的溫度差異較大，最高溫差可達到80℃。

? ? 從圖 11可以看出，采用Rogers and Tahir關系式時子通道計算的結果在第1-84、109-114號子通道時與CFD計算結果符合最好，而Seale關系式在第85-108號子通道時與CFD計算結果符合最好。子通道計算主要是為了預測包殼最高溫度，對于本例而言，包殼最高溫度出現在第15號燃料棒，其周圍子通道編號為15、16、17、46、47、48。在此通道編號內Rogers and Tahir關系式計算結果與CFD計算結果符合最好，因此以選用Rogers and Tahir關系式時的子通道程序計算結果作為最終子通道計算結果是初步合理的。

采用Rogers and Tahir湍流交混關系式時，子通道程序計算結果如下：

（1）燃料組件進出口壓降約為900Pa，與CFD計算結果940Pa偏差為小于5%。

（2）燃料組件冷卻劑出口平均溫度為457℃。

（3）功率最高的燃料棒出現了包殼溫度峰值約541℃，該棒周圍冷卻劑溫度、燃料棒包殼中心溫度、燃料芯塊溫度沿軸向變化如圖12所示。

（4）燃料組件子通道冷卻劑最高流速約0.27m/s，整體流速偏低。

（5）燃料芯塊最高溫度約為1089℃。

4 結論及展望

本文采用子通道程序對概念設計的鉛鉍快堆燃料組件進行了數值研究，同時以CFD計算結果作為佐證，得到結論如下。

（1）對于本例而言，采用Rogers and Tahir湍流交混關系式進行燃料組件子通道計算是初步合理的。

（2）燃料組件區域冷卻劑流速較低，最高流速約0.27m/s。

（3）邊通道的冷卻劑流動截面面積和冷卻劑流速均大于內部子通道，而由于內部通道的熱周大于邊子通道和角子通道，且各通道之間的冷卻劑橫流微弱，導致了內部子通道與邊、角子通道的溫度差異較大，最高溫差可達到80℃。

（4）燃料組件包殼最高溫度約541℃;燃料芯塊最高溫度約1089℃，燃料芯塊溫度遠遠小于其熔點，后續可考慮增加線功率大小，來提升燃料組件的經濟性。

參考文獻：

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