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第四代核电堆型：钠冷快堆设计的CFD仿真技术挑战与解决方案

积鼎科技

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1、第四代核电堆型

第四代核反应堆是目前核能技术发展的前沿方向，具有更高的安全性、经济性、可持续性以及防扩散能力等特点。第四代核能系统国际论坛（GIF）从众多概念设计中选定了六种系统作为第四代核技术系统，分别是：

气冷快堆（GFR）：使用氦气作为冷却剂，具有高出口温度和闭式燃料循环的特点，可以实现更高的热电转换效率。

铅冷快堆（LFR）：采用铅或铅铋合金作为冷却剂，具有高热电转换效率和良好的核废物嬗变能力，同时铅基材料的化学稳定性高，可避免起火或爆炸等安全问题。

熔盐堆（MSR）：使用熔融状态的盐作为冷却剂和燃料载体，具有固有安全性高、热转换效率高以及燃料利用率高等优点。例如，钍基熔盐堆就是一种典型的熔盐堆，其核反应燃料处于液态，具有良好的导热性和较低蒸气压。

钠冷快堆（SFR）：以钠作为冷却剂，具有高热电转换效率和良好的核燃料增殖能力，是目前相对比较成熟的技术之一。

超临界水冷堆（SCWR）：采用超临界水作为冷却剂和慢化剂，能够实现更高的热电转换效率和燃料利用率，同时具有较好的安全性和经济性。

超高温气冷堆（VHTR）：使用氦气作为冷却剂，在高温下运行，允许在反应堆运行期间进行高温电解，从而有效地生产氢气以及合成碳中性燃料。

2、钠冷快堆结构

图 1 钠冷快堆结构示意图

钠冷快堆（Sodium-Cooled Fast Reactor, SFR）是第四代核能系统中的一种重要堆型，具有高热电转换效率和良好的核燃料增殖能力。是一种以液态钠为冷却剂，由快中子引起核裂变并维持链式反应的反应堆。采用池式设计：池式钠冷快堆将堆芯、钠泵、中间热交换器等设备都放置在一个大型的钠池中，这种设计可以提高安全性，减少钠泄漏的风险。

其结构主要包括以下几个部分，部分参数为中国实验快堆设计及运行参数：

1. 堆芯

燃料组件：通常采用氧化物燃料（如MOX）或金属燃料（如U-Pu-Zr）。燃料组件由包壳、外套管、燃料区、上下端塞等组成，包壳材料如C-68-450等，能够承受高温和中子辐照。

控制棒组件：包括安全棒、调整棒和赔偿棒等，材料为C-6808X16H11M等，用于控制反应堆的功率和停堆操作。

中子源组件：提供初始中子源以启动链式反应，材料与控制棒组件类似。

不锈钢屏蔽组件：用于屏蔽中子和γ射线，材料为316Ti等。

图 2 钠冷快堆堆容器及堆内构件结构示意图

2. 堆容器

主容器：通常采用奥氏体钢，如316SS或俄罗斯产08X16H11M3，内径约7960mm，壁厚50mm/25mm，重量约105吨，用于容纳堆芯和液态钠，环境温度可达420℃，寿期最大中子注量为1x10^18n/cm^2。

堆内支承：用于固定堆芯组件，材料为304SS，重量约7.4吨，环境温度360℃，寿期最大中子注量为4.4x10^20n/cm^2。

栅板联箱：保持堆芯组件的结构完整性，材料为08X16H11M3，重量约6吨，环境温度360-530℃，寿期最大中子注量为4x10^23n/cm^2。

堆芯围桶：将高温液态钠导入堆芯和中间热交换器，材料为08X16H11M3，环境温度360℃，寿期最大中子注量为1x10^18n/cm^2。

3. 冷却系统

钠泵：用于驱动液态钠在回路中循环，材料为08X16H11M3，环境温度400℃，寿期最大中子注量为1x10^18n/cm^2。

中间热交换器：将堆芯产生的热量传递给二回路，材料为10X2M，钠侧温度495℃，水侧温度370℃，压力14MPa。

二回路管道：材料为304不锈钢，管径325x12mm或219x10mm，钠在热腿温度495℃，在冷腿温度310℃，流量274kg/s。

4. 安全系统

旋塞：用于在紧急情况下快速停堆和隔离堆芯，材料为08X16H11M3，环境温度400℃，寿期最大中子注量为1x10^18n/cm^2。

5. 辅助系统

净化系统：用于去除液态钠中的杂质和气体，保持钠的纯净度。

监测和控制系统：包括各种传感器和仪表，用于监测堆芯温度、压力、中子通量等参数，以及控制反应堆的运行状态。

3、钠冷快堆工质特点

1. 物理特性

熔点低、沸点高：钠的熔点为97.8℃，沸点高达883℃，这意味着在反应堆运行的温度范围内，钠始终保持液态，不会像水那样容易沸腾产生气泡，从而避免了气泡对传热性能的影响，保证了冷却剂的稳定性和传热效率。

热导率高：液态钠在100℃时的导热系数为86.9W/m·K，比水的导热系数高百倍以上。这使得钠能够快速地将堆芯产生的热量导出，有效防止堆芯过热，提高了反应堆的安全性和运行效率。

密度小：钠的密度低于水，这使得冷却剂消耗的泵功率只占输出功率的很小一部分，与氦冷却剂相比，钠的这一特性使其在能量传输方面更具优势，降低了反应堆的运行成本和能耗。

2. 化学特性

化学性质活泼：钠是一种活泼的金属，在空气中会被迅速氧化，在水中会发生剧烈燃烧。因此，钠冷快堆的设计和运行需要特别注意防止钠与空气和水的接触，以避免潜在的安全风险。例如，所有钠系统外围都设置了保温层，以防止喷雾爆燃。

与燃料包壳材料相容性好：钠与燃料包壳材料——不锈钢的相容性很好，虽然存在质量迁移问题，但对包壳耗蚀量仅为数十微米，这有助于延长燃料组件的使用寿命，提高反应堆的经济性和可靠性。

3. 核特性

对中子的慢化能力弱：钠的核子数为23，相对于水来讲，对中子的慢化能力弱，吸收截面小。因此，钠作为冷却剂导致的快中子损失不多，能够更有效地利用快中子进行核裂变反应，提高反应堆的增殖能力。

核反应产物易于屏蔽：钠与中子发生反应产生的23Ne、24Na和22Na的半衰期分别是38秒、15小时和2.6年，衰变速度快，易于被屏蔽，对保持环境的可持续发展有利。

4、CFD在钠冷快堆设计与分析中的作用

计算流体动力学（CFD）在钠冷快堆的设计和分析中发挥着重要作用，主要体现在以下几个方面：

1.热工水力分析

子通道分析：钠冷快堆的燃料组件采用绕丝缠绕棒束的固定方式，冷却剂通道较为复杂。CFD可以建立详细的子通道模型，模拟冷却剂在堆芯内的流动和传热情况，分析绕丝引起的搅浑效应。例如，通过上海积鼎自主研发的通用流体力学分析软件VirtualFlow建立带绕丝的燃料棒束模型，计算不同流量工况下的流场特性，获得绕丝的湍流搅浑系数，并将其用于子通道计算程序中，得到各类子通道的温度分布。

图 3 采用VirtualFlow对带绕丝棒束模型进行数值分析

冷却剂流动特性：CFD能够模拟钠冷快堆中液态钠的流动特性，包括流速分布、压力降等。这对于优化堆芯设计、降低流动阻力和提高冷却效率具有重要意义。例如，在低雷诺数条件下，CFD可以用于研究钠冷快堆燃料组件棒束的阻力特性，为自然循环冷却过程中的换热分析提供支持。

通风系统分析：CFD能够模拟钠冷快堆中屏蔽气体氩气及空气的流动特性，为优化旋塞结构、保护容器设计、屏蔽体通风设计等提供支持。

2.安全分析

事故工况模拟：CFD可以模拟钠冷快堆在各种事故工况下的热工水力行为，如冷却剂泄漏、泵失效等，帮助评估反应堆的安全性能。

反应性反馈计算：CFD与中子动力学模块耦合，可以实现钠冷快堆的多维度耦合计算。通过CFD计算得到的热工水力参数，作为中子动力学模块的边界条件，计算反应性引入时堆芯的核物理反应性。这种方法能够更准确地分析反应堆在不同工况下的反应性变化，提高安全分析的可靠性。

3.设计优化

结构优化：CFD可以用于钠冷快堆内部结构的优化设计，如燃料组件、控制棒组件等。通过模拟不同设计方案下的流动和传热特性，选择最优的结构布局，提高反应堆的性能和安全性。

冷却剂管理：CFD还可以用于研究钠冷快堆冷却剂的循环和分配问题，优化冷却剂的流动路径和流量分配，确保堆芯各部分的冷却效果均衡。

综上所述，CFD在钠冷快堆的研究和开发中具有广泛的应用前景，能够为反应堆的设计、分析和安全评估提供有力的技术支持。随着计算机技术和CFD方法的不断发展，CFD将在钠冷快堆的技术进步中发挥越来越重要的作用.

5、钠冷快堆中CFD分析的特点

钠冷快堆CFD分析具有以下特点：

1. 复杂的几何结构

钠冷快堆结构复杂，尤其是燃料组件通常采用金属绕丝定位，绕丝在加强冷却剂交混、促进对流换热、减小机械振动等方面具有重要作用。绕丝的几何结构复杂，需要精确建模，包括燃料棒的直径、间距、绕丝的直径和螺距等参数。

钠冷快堆通常采用池式结构，各系统之间难以解耦，采用系统方法进行分析往往具有局限性，需要采用CFD对复杂结构进行精细化建模，并选择适当的耦合边界，实现模型简化。

2. 特殊的物理模型

液态金属钠的特性：液态金属钠的普朗特数远小于1，表现为导热能力远大于对流扩散能力，温度边界层厚度远大于流动边界层厚度。因此，一般CFD软件默认的湍流普朗特数Prt=0.85已不适用于液态金属钠。Jischa湍流普朗特数模型被验证适用于液态金属钠，可以更准确地预测传热特性。

多相流模型：钠冷快堆中可能存在多相流现象，如钠的沸腾等。需要选择合适的多相流模型来模拟这些现象，例如使用欧拉-欧拉模型或欧拉-拉格朗日模型，上海积鼎自主开发的通用流体力学分析软件VirtualFlow具有丰富的多相流及相变模型，可用于求解钠冷快堆中存在的多相流问题。

图 4 VirtualFlow中多相流模型类型

图 5 VirtualFlow中相变模型类型

3. 详细的网格划分

高密度网格：在关键区域，如燃料棒束周围和绕丝附近，需要进行高密度网格划分，以捕捉流动和传热的细节。子通道内的网格密度对结果的准确性有显著影响。

4. 精确的边界条件

入口条件：冷却剂的入口温度和流量是重要的边界条件。例如，中国实验快堆的冷却剂入口温度为633.15 K，入口质量流量为0.07 kg/s。

出口条件：出口处的压力或温度边界条件也需要合理设置，以确保计算的收敛性和准确性。

5. 高效的计算方法

湍流模型：通常选择标准k-ε模型来模拟湍流流动，该模型能够较好地预测钠冷快堆中的湍流特性。

多尺度耦合：钠冷快堆的计算涉及多尺度耦合，例如OTSG（直流蒸汽发生器）的跨尺度耦合分析方法，可以更好地模拟复杂的流动和传热现象。

6. 详细的验证和校准

实验验证：通过实验数据验证CFD计算结果的准确性。例如，使用MICAS实验设施的光学测量结果来验证CFD模拟的流场。

多方法对比：使用不同的CFD软件或计算方法进行对比，验证结果的一致性和可靠性。例如，将CFD软件的结果与自主研发的子通道计算程序的结果进行对比。

7. 特殊现象的处理

流致振动：钠冷快堆的堆芯结构在运行过程中可能会出现流致振动现象，需要在CFD计算中考虑这种现象对结构的影响，采用频谱分析或流固耦合处理。

自然循环：在完全丧失电源的情况下，钠冷快堆依靠一回路的自然循环进行冷却，需要模拟这种自然循环的流动特性，可采用Boussinesq假设或者变密度处理。VirtualFlow中具备Boussinesq假设模型，并提供了丰富的流体数据库，用户可以快速选择所需要的流体种类，支持UDF接口对物性进行设置，并支持多种真实气体模型（Peng-Robinson状态方程），支持NIST物性库，满足自然循环CFD分析需求。