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)生的長壽命放射性廢料，能夠高效利用鈾資源并培育核燃料實現(xiàn)核能的長久利用，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)堆堆芯是由若干個燃料組件組成的，燃料組件之間沒有流動交換，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，因此對快堆堆芯燃料組件進行熱工水力分析，對快堆堆芯的設(shè)計和快堆堆芯的安全性驗證有著極其重要的意義。

1 堆芯組件結(jié)構(gòu)簡介

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，同時還能加強冷卻劑之間的混合。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 實驗研究 國內(nèi)外學(xué)者對燃料組件的實驗研究多數(shù)在1990年之前完成，不同的學(xué)者通過實驗研究得到了一些不同的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。在2001年Chun和Seo[1]對不同參數(shù)繞絲棒束燃料組件進行了一系列的水實驗，對燃料組件的各種參數(shù)進行了實驗測量。我國的李勇[2]等人利用自主研制實驗回路利用水介質(zhì)對61棒繞絲棒束燃料組件進行阻力測量實驗，并將得到的結(jié)果與Reh me公式和Novendstern公式進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)Novendstern公式的相關(guān)性更好。

對比上述我們發(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，因為不同研究小組使用的不同數(shù)據(jù)集和不同的評估方法可能導(dǎo)致不同的結(jié)論。此外，不同作者根據(jù)一組特定的實驗數(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，得到的結(jié)果可能就不再與實驗結(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個互相聯(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行質(zhì)量、能量和動量交換，然后利用合適的初始條件和迭代程序求解方程組，進而計算出整個燃料組件內(nèi)的參數(shù)分布的方法[3]。

CFD即計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)方法，近年來由于計算機技術(shù)的發(fā)展，計算能力的不斷增強使得CFD方法得到越來越多的應(yīng)用。

子通道分析法與CFD方法均需要借助計算機進行計算，都需要用到相關(guān)守恒方程進行迭代計算，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，所以會忽略子通道內(nèi)的速度與溫度的精細分布，但是其計算量相對較小，可以實現(xiàn)對整個堆芯乃至整個反應(yīng)堆的熱工水力分析。CFD計算一般采用有限體積法配合相關(guān)的湍流模型能夠計算模擬出內(nèi)部詳細具體的流動傳熱過程，但是由于需要劃分計算網(wǎng)格，復(fù)雜的燃料組件結(jié)構(gòu)，無疑增加了計算難度，此外更重要是的，一般計算網(wǎng)格單元較小，CFD計算需要極大的計算工作量，對計算機的計算能力要求較高，而且很難實現(xiàn)對整個堆芯模擬計算。

3 結(jié)語

綜上所述，目前對于快堆堆芯組件熱工水力研究方法主要有實驗研究、子通道分析法研究和CFD方法研究三種，其中實驗研究測量得到的數(shù)據(jù)準確可信度高，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方法相對來說研究較低，但是一般需要依托實驗數(shù)據(jù)的支撐。而且三種方法相輔相成各有利弊。因此對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，來完善實驗研究并減少實驗成本。