关于钠冷快堆堆芯燃料组件热工水力研究方法探究

赵文升 郭洋洋 张 岩

华北电力大学 河北 保定 071000

钠冷快堆(SFR)是利用液态金属钠作为反应堆冷却剂的快中子反应堆，其能够实现核燃料的闭式循环，嬗变热中子反应堆产生的长寿命放射性废料，能够高效利用铀资源并培育核燃料实现核能的长久利用，也是目前六种第四代核反应堆中最有前途和最成熟的堆型。钠冷快堆的反应堆堆芯是由若干个燃料组件组成的，燃料组件之间没有流动交换，燃料组件内燃料棒所产生的热量几乎全部由冷却剂液态钠吸收带出，因此对快堆堆芯燃料组件进行热工水力分析，对快堆堆芯的设计和快堆堆芯的安全性验证有着极其重要的意义。

1 堆芯组件结构简介

图一为某37棒燃料组件的结构示意图，图中可见燃料棒周围使用螺旋绕丝缠绕，燃料棒呈现六边形阵列，紧密封装在六边形燃料组件盒内。螺旋绕丝起始位置相同，且所有绕丝呈同一方向相同螺距紧密缠绕燃料棒，其能够保持棒与棒之间的间距，同时还能加强冷却剂之间的混合。组件内的平行通道根据所在位置不同可分为中间子通道、边子通道和角子通道。

图1 燃料组件结构示意图

2 堆芯燃料组件水力特性分析方法

2.1 实验研究 国内外学者对燃料组件的实验研究多数在1990年之前完成，不同的学者通过实验研究得到了一些不同的经验关联式。在2001年Chun和Seo[1]对不同参数绕丝棒束燃料组件进行了一系列的水实验，对燃料组件的各种参数进行了实验测量。我国的李勇[2]等人利用自主研制实验回路利用水介质对61棒绕丝棒束燃料组件进行阻力测量实验，并将得到的结果与Reh me公式和Novendstern公式进行了对比研究，发现Novendstern公式的相关性更好。

对比上述我们发现，不同的研究小组得到了完全不同的结果，这些相互矛盾的结果是可以存在的，因为不同研究小组使用的不同数据集和不同的评估方法可能导致不同的结论。此外，不同作者根据一组特定的实验数据，得到特定是绕丝棒束的摩擦阻力系数关联式，这些关联式通常可以很好的预测基于某些流体和某些参数范围内的燃料棒束的摩擦阻力系数，但是当把这些关联式应用到其他流体或者其他参数燃料棒束时，得到的结果可能就不再与实验结果相关。

2.2 子通道分析法与CFD方法 子通道分析法是将棒束之间的通道划分为一个个互相联通、互相作用着的平行流道即子通道，假想流体在流道内与燃料棒以及相邻通道进行质量、能量和动量交换，然后利用合适的初始条件和迭代程序求解方程组，进而计算出整个燃料组件内的参数分布的方法[3]。

CFD即计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)方法，近年来由于计算机技术的发展，计算能力的不断增强使得CFD方法得到越来越多的应用。

子通道分析法与CFD方法均需要借助计算机进行计算，都需要用到相关守恒方程进行迭代计算，但这两种方法并不相同，各有利弊。其中子通道分析法由于采用集总参数法，所以会忽略子通道内的速度与温度的精细分布，但是其计算量相对较小，可以实现对整个堆芯乃至整个反应堆的热工水力分析。CFD计算一般采用有限体积法配合相关的湍流模型能够计算模拟出内部详细具体的流动传热过程，但是由于需要划分计算网格，复杂的燃料组件结构，无疑增加了计算难度，此外更重要是的，一般计算网格单元较小，CFD计算需要极大的计算工作量，对计算机的计算能力要求较高，而且很难实现对整个堆芯模拟计算。

3 结语

综上所述，目前对于快堆堆芯组件热工水力研究方法主要有实验研究、子通道分析法研究和CFD方法研究三种，其中实验研究测量得到的数据准确可信度高，但是每次只能得到一种特定的组件数据参数，研究成本较高工作量大。子通道分析法与CFD方法相对来说研究较低，但是一般需要依托实验数据的支撑。而且三种方法相辅相成各有利弊。因此对今后堆芯组件的热工水力研究中可以多应用子通道分析法与CFD方法，来完善实验研究并减少实验成本。