某型空間堆堆芯熱工水力特性數(shù)值分析

任董國，柴 翔，李仲春，夏文勇，張滕飛，莊偉業(yè)，劉曉晶

(1.上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.中國核動力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213；3.上海市核電辦公室，上海 200032)

核能在太空的利用主要包括：放射性同位素?zé)嵩矗派湫酝凰責(zé)犭娫匆约昂朔磻?yīng)堆[1]。隨著深空探測技術(shù)的不斷發(fā)展，深空探測器性能提高的同時也帶來巨大的電能需求，現(xiàn)有的供電方式基本無法滿足，大功率、長壽命、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的空間核反應(yīng)堆電源成為最有希望從根本上解決問題的技術(shù)途徑。在大功率空間堆技術(shù)路線選擇上，美國采用了熱管冷卻快堆以及液態(tài)金屬回路冷卻堆芯結(jié)合斯特林循環(huán)的方式；俄羅斯則選擇了超高溫氣冷快堆結(jié)合布雷頓循環(huán)的技術(shù)路線[2-5]，氦氙混合氣體作為工質(zhì)可以提高布雷頓循環(huán)的性能，因?yàn)槠鋫鳠崮芰?qiáng)且可有效減少壓氣機(jī)級數(shù)[6]。本文基于核熱耦合方法對某型氦氙混合氣冷快堆空間堆在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及落棒工況下的堆芯內(nèi)部熱工水力不均勻流動傳熱特性進(jìn)行了模擬計(jì)算分析。

1 三維建模及功率分布計(jì)算

1.1 反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所采用的空間核反應(yīng)堆為氦氙混合氣體冷卻(氦28.3%，氙71.7%)、布雷頓循環(huán)的快中子反應(yīng)堆。該反應(yīng)堆熱功率為2.9 MW，可以滿足深空探測等空間活動的高功率核反應(yīng)堆電源需求。圖1為反應(yīng)堆堆芯及冷卻系統(tǒng)的整體概念圖。

圖2為反應(yīng)堆堆芯橫縱剖面示意圖。堆芯外部依次為堆芯圍板及徑向反射層(壓力容器)，氦氙混合氣體作為冷卻劑從圍板和壓力容器中的間隙自下而上流入堆芯上腔室，在上腔室充分混合后向下流過燃料元件冷卻劑通道，帶走堆芯裂變產(chǎn)生的熱量。……