1、国内外研究现状
1.1 国外研究现状
俄罗斯：从上世纪50年代起苏联就开展相关研究，最初用于核潜艇，如Alfa级铅铋核潜艇，积累了丰富的运行经验。90年代苏联解体后，俄罗斯继续发展铅/铅冷快堆，提出了SVBR-100小型铅冷快堆和BREST-0D-300中型铅冷快堆等项目，并计划后续发展BREST-1200。美国：20世纪50年代开始研究铅冷快堆，用于先进核潜艇反应堆，但60年代因腐蚀问题停止研究。本世纪初重启研究计划，针对核废料变处理和小型模块化铅冷快堆分别设立了ABR项目和SSTAR项目。西屋公司也提出了热功率为500 MWth(210 MWe)的示范铅冷快堆概念。欧盟：自1997年第五共同研究框架(FP5)开始，先后设立ELSY/ELFR、ALFRED、MYRRHA和ELECTRA等研究项目。其中MYRRHA是一座加速器驱动的铅铋冷却实验快堆;ALFRED设计功 率300 MWth(120 MWe)，采用纯铅冷却剂，被视为ELFR工业示范堆的先驱，计划2025年在罗马尼亚建成运行。韩国和日本：韩国从上世纪末开始研究，首尔大学提出了PASCAR和URANUS设计方案等。日本提出了LSPR、PBWFR和CANDLE等概念堆型，但福岛核事故后主要转向相关基础研究。中国铅/铅铋快堆研究始于2009年中科院开始研究基于铅/铅铋冷却的加速器驱动次临界系统。2011年，中科院启动“未来先进核裂变能-ADS嬗变系统"先导专项，将中国铅基反应堆(CLEAR)列为候选堆型，分三期实现商用:10 MWth实验堆CLEAR-1、100 MWth工程演示堆CLEAR-11、1000 MWth商用原型堆CLEAR-II。中科院合肥物质科学研究院和工程热物理研究所分别搭建了KYLIN铅铋冷却实验回路和LELA高温高压液态铅铋合金-氨气流动换热综合实验平台，并开展相关实验研究。此外，国内相关高校、研究单位和企业也在推进铅冷实验平台的搭建和实验，与俄罗斯、欧盟等国家和地区在铅冷快堆技术方面开展了广泛的合作与交流。铅冷快堆的燃料组件是堆芯的核心部件，通常由多个燃料棒组成。燃料棒内部填充有核燃料，外部包裹着包壳材料，以防止燃料与冷却剂直接接触。燃料组件的几何形状和尺寸对堆芯的热工水力特性有重要影响。堆芯包含多个燃料组件，排列成一定的几何形状，如六边形或正方形。堆芯的设计需要考虑中子物理特性、热工水力特性和结构完整性等多个因素。铅冷快堆通常配备有换热器，用于将堆芯产生的热量传递给二回路系统。换热器的设计需要考虑传热效率、流动阻力和热应力等因素。主回路包括堆芯、换热器和主泵等部件，负责冷却剂的循环。主回路的设计需要考虑冷却剂的流动特性和热力学特性。铅冷快堆配备了多种安全系统，如紧急停堆系统、余热排出系统和气体控制系统等，以确保反应堆的安全运行。由于铅铋合金的熔点较纯铅的熔点低，这意味着反应堆可以在相对较低的温度下运行，降低了对堆内设备材料的耐高温要求，故在铅冷快堆中往往采用铅铋合金作为冷却剂。液体铅铋合金具有以下工质特点：
1. 熔点和沸点：铅铋合金的熔点低，约为125°C，而沸点高，约为1670°C，这使得它可以在较低的温度条件下运行，同时也能够在高温下保持液态，适用于多种核反应堆设计。2. 密度和热物理性质：铅铋合金的密度约为10.15 g/cm³，具有较高的热导率（14.2 W/(m·K)）和较低的运动粘度系数，这使得它在传热和减少热应力方面表现优异。这些特性有助于在核反应堆中高效地传递热量。3. 化学稳定性：铅铋合金化学性质较为稳定，不与空气和水发生剧烈化学反应，减少了火灾和爆炸等安全风险。然而，铅和铅铋介质对不锈钢等结构材料具有较强的环境退化作用，包括液态金属腐蚀和液态金属脆化。4. 中子特性：铅的中子吸收截面小，慢化能力低，使得铅冷快堆的中子能谱较硬，有利于实现核燃料增殖和核废料嬗变。5. 自然循环能力：铅铋合金的高密度和高热导率使其在核反应堆中具有良好的自然循环能力，能够在不依赖外部电力的情况下带走堆芯余热，增强了反应堆的安全性。6. 腐蚀和材料相容性：尽管铅铋合金在化学上相对稳定，但它对某些结构材料具有腐蚀性。研究显示，通过优化材料设计、表面处理和氧控技术，可以显著提高结构材料的抗腐蚀性能。1. 热工水力特性分析：CFD可以模拟铅铋堆中的冷却剂流动和传热过程，帮助研究人员理解堆芯内的热工水力特性。例如，通过CFD模拟可以获得堆芯完整流场分布特性和热工水力参数，验证堆芯参数设计的合理性，为反应堆优化设计和安全运行提供参考。
2. 几何结构优化：CFD有助于铅铋堆几何结构的优化，以提高反应堆的性能。例如，研究不同燃料组件几何方案（如棒束型、环型和蜂窝煤型）的特性，优化堆芯设计，以实现更小的堆芯尺寸和燃料装载量，同时保持良好的热工水力特性和中子学特性。3.液态金属腐蚀仿真：铅和铅铋介质对不锈钢等结构材料具有较强的环境退化作用，包括液态金属腐蚀和液态金属脆化。CFD模拟可以评估这些腐蚀和脆化效应对堆芯结构的影响，例如，基于三维的对流-传质扩散方程建立腐蚀模型，可以精确地模拟腐蚀产物的浓度分布和沉积速率。总的来讲，CFD在铅冷快堆的设计与分析中提供了强大的数值模拟工具，有助于提高反应堆的安全性、优化堆芯设计、改善燃料组件性能以及验证设计的合理性。铅冷快堆的CFD分析需要精确建模。由于其几何形状复杂且流动和传热特性差异大，需要采用合适的网格划分策略。通常，可以使用多面体非结构化网格或混合网格，以适应复杂的几何形状和流动特性。同时，需要注意网格的密度和质量，以确保计算结果的可靠性。考虑到铅冷快堆为池式结构，部件之间边界条件难以确定，需要充分验证CFD分析方案，并根据实际情况设置入口边界条件（如入口速度、温度和压力）和出口边界条件（如出口压力或流量）。
选择合适的物理模型对CFD模拟至关重要。铅冷快堆的流动和传热过程涉及复杂的物理现象，如湍流、层流和自然对流等。在液体铅铋合金湍流模型选择中SST k-ω模型或许是比较好的选择，此外，考虑到液态铅铋合金是一种低普朗特数流体，其热扩散率与动量扩散率的比值较小，影响湍流中的热传递过程。因此，需要选择适合低普朗特数流体的湍流普朗特数模型，一般可采用Cheng湍流普朗特数模型，该模型能够根据不同的佩克莱数（Pe）来调整湍流普朗特数，从而更好地描述液态铅铋合金在不同流动状态下的传热特性。其表达式为：其中，
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