铅水反应中铅铋合金固化的动力学机理研究

为获得铅水反应过程中铅铋凝固的动力学机制，了解微观枝晶生长过程，通过分析铅铋熔液的自然对流及其对凝固前沿的影响，建立了枝晶间铅铋合金平均流动速度方程；采用通过相场法模拟了枝晶生长过程。结果表明，在2个方向的流场共同作用下，枝晶的快速生长区明显向来流方向倾斜。本研究可为铅铋凝固提供动力学机理分析，为铅基堆的安全运行提供理论基础。     

铅铋与水自然循环流动传热比较分析

铅铋合金和水一样具有一定的自然循环能力,被选为加速器驱动的次临界堆中最有前景的冷却剂之一。对两者自然循环流动传热的比较分析研究,可以优化铅铋回路的设计。建立回路模型,计算铅铋及水的自然循环流量,验证了回路进行自然循环的可行性。通过比较不同温差下相关参数如流速、雷诺数、努塞尔数,得出两者流动传热差异。根据热流体理论,铅铋和水自然循环中,两者的热阻力机制都起到主导作用,水流热阻力和热绕流机制作用强于铅铋流体,因此铅铋自然循环流动传热效果不如单相水。     

铅铋快堆SGTR事故下高压过冷水注入高温铅铋合金流动传热数值模拟研究

铅铋快堆内蒸汽发生器传热管两侧为高压过冷水和高温铅铋冷却剂，传热管两侧较大的压差和温差以及液态铅铋合金（LBE）的腐蚀效应可能造成蒸汽发生器传热管破裂（SGTR）事故。深入研究事故后高压过冷水冲击高温液态LBE的射流沸腾和相变产物蒸汽扩散的特征，具有十分重要的学术意义和工程应用价值。为揭示事故工况下液态LBE与水相互作用的传热传质机理，基于流体体积（VOF）方法，结合LES湍流模型和Lee相变模型，建立了水/蒸汽-液态铅铋多相流动与传热的三维数值计算模型，系统研究了高压过冷水注入高温LBE内发生的相变传热过程。结合注入压力及过冷水温度等因素，分析了射流沸腾过程中不同工况对射流形态、迁移深度以及沸腾行为的影响，研究结果可为SGTR事故工况下堆芯安全性预测提供指导。     

液态铅铋合金管内流动传热特性研究

为研究液态铅铋合金的流动传热特性,建立了相应的实验台架,并开展了传热特性试验,获得了1组针对液态铅铋合金的传热关系式。同时使用Fluent程序对圆管内铅铋合金的流动换热进行了模拟计算,以研究不同湍流普朗特数模型和不同湍流模型的选取对计算结果的影响。根据计算结果,探讨了不同湍流普朗特数模型对计算结果的影响,并得到了不同Peclet数下推荐使用的物理模型。     

不同湍流模型对铅-铋凝固模拟的影响研究

为了研究不同湍流模型及湍流普朗特数(Pr_t)模型对模拟铅-铋凝固行为的影响，利用FLUENT对铅-铋管内流动凝固行为进行模拟研究。研究结果表明，尽管剪切应力传输(k-ω SST)模型、k-ε模型与雷诺应力(RSM)模型在模拟铅-铋传热时的差异可以忽略，但在相变过程中对温度场与压力场的模拟存在显著差异，应慎重选取湍流模型。另外对不同Pr_t模型对铅-铋的凝固行为模拟的研究表明，不同Pr_t模型对铅-铋的凝固行为模拟无明显差异。     

基于铅铋快堆的直流蒸汽发生器稳态与瞬态特性分析

铅铋快堆的安全稳定运行与换热器一二次侧间的散热性能密切相关。本研究通过建立基于铅铋快堆的直流蒸汽发生器（OTSG）稳态与瞬态耦合分布参数模型,分析对比了不同负荷条件下OTSG内部热工水力特性的分布差异,并进一步揭示了铅铋快堆一次侧焓值及流量扰动对换热器动态散热性能的影响。结果表明：稳态传热时铅铋快堆一次侧温降主要集中在过冷沸腾及核态沸腾区,二次侧负荷减小将导致管壁面温度飞升前移;动态调节显示在设计工况下一次侧入口焓值仅下降5%,就可能导致铅铋快堆循环在90 s后进入事故工况。研究结果为铅铋快堆的OTSG动态流动换热特性研究及结构设计优化提供了有价值的建议。     

轴流铅铋泵流场分析及优化

铅铋泵作为铅铋冷却快堆一回路的关键输送设备,其安全运行对铅铋冷却快堆的安全至关重要。液态铅铋合金在泵内流动特性对泵的长期安全运行有重要影响,为了研究轴流铅铋泵泵内流场,通过Workbench/BladeGen软件建立了主泵叶轮模型,在ANSYS CFX软件中数值模拟泵内流场,并根据数值模拟结果改进了导叶片厚度,优化了动叶片翼型出口角,从而改善泵内流场。研究结果表明,铅铋泵叶片型线出口附近角度变化过快会导致叶片压力分布不均匀,产生局部高压的现象,进而可能造成更严重的冲蚀。优化导叶片厚度以及动叶片出口液流角后,泵内流场整体迹线较为平稳,导叶片出口处铅铋合金流速可以维持在1.8 m/s左右。      

U-Zr合金燃料与铅、铋及其合金静态相容性研究

U-Zr合金燃料与液态铅、铋及其合金静态相容性是铅铋冷却反应堆燃料论证及设计的重要依据。试验选取600oC,保温1 000 h范围内,开展了U-Zr合金燃料与铅、铋及其合金静态相容性的研究。采用扫描电镜(Scanning Electronic Microscopy,SEM)及X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)分析了U-Zr合金燃料与铅铋等合金的界面反应情况,试验结果表明:U-Zr合金样品在铅铋合金的长时间(1 000 h)作用下,产生了不同程度的侵蚀现象,侵蚀程度可达到mm级。纯铋、纯铅、铅铋、铅锡、铅铋锡等均对U-Zr芯块有一定程度的侵蚀,其侵蚀程度排序约为BiPb-BiPb-Bi-SnPb≈Pb-Sn。U-Zr芯块的腐蚀机理为溶解和共晶形成金属间化合物的综合过程,U和Pb、Bi分别能够形成金属间化合物UPb_3和UBi_2。U-Zr芯块的侵蚀程度取决于U和Zr在冷却剂成分中的固溶度和共晶反应速率。     

先进裂变堆用铅铋合金固态性能研究进展

铅基快堆由于其长换料周期、高固有安全性、高功率密度等特点在军事、民用领域具有巨大的应用潜力。文章从铅铋合金相图、合金密度和体积变化、固态力学性能三个方面阐述了铅铋合金组织及性能的研究进展。文献显示,合金中Pb、Bi元素配比,主要溶解元素Fe、Cr、Ni,外加元素（Cd、杂质）对LBE抗拉强度、体积变化等产生不同程度影响;凝固冷速影响样品微观组织以及达到最大膨胀量的时间;时效和应变速率影响合金的屈服强度,并提出了铅铋合金需要进一步研究的主要内容。     

基于CFD的铅铋快堆上腔室降阶热分层模型开发

在铅铋快堆紧急停堆后，上腔室发生热分层现象对堆内结构完整性和自然循环余热排出能力产生重要影响，需要重点关注。为克服传统热分层分析方法的缺陷，基于计算流体动力学（CFD）程序Fluent得到高精度的全阶快照，通过特征正交基分解（POD）与Galerkin投影结合的方法构建降阶热分层模型。通过与CFD全阶热分层模型对热分层现象进行对比分析，研究结果表明所开发的降阶热分层模型能很好地模拟上腔室温度分布，能快速地开展铅铋快堆事故下的热分层界面特性研究。本文研究对热分层现象产生机理、有效遏制热分层现象产生提供了重要分析工具。     

铅铋冷却快堆含绕丝燃料组件子通道程序开发与验证

由于铅铋冷却剂流动传热现象的复杂性,准确计算铅铋冷却含绕丝燃料组件的冷却剂和包壳温度是液态金属冷却快堆燃料组件热工分析的重点。本文基于集总参数法对守恒方程进行求解,开发了适用于铅铋冷却快堆的子通道分析程序,对液态铅铋在棒束燃料组件中的摩擦阻力模型、湍流交混模型和对流换热模型进行了适用性分析,并对7棒束大涡模拟和19棒束含绕丝传热实验进行了对比验证。结果表明：包壳和冷却剂温度的最大相对误差低于5%。程序能较好完成铅铋冷却含绕丝燃料组件的热工水力计算,可为铅铋冷却快堆设计提供支持。     

基于OpenFOAM的液态金属铅铋三维流动换热特性数值模拟研究

铅铋快堆是第4代核能系统的主要堆型之一,但由于液态金属铅铋的热物性与传统工质如水、空气等有很大不同,假设流动边界层与热边界层相似的雷诺比拟原理已不再适用。本文在开源程序OpenFOAM中开发了基于k-ε-k_θ-ε_θ四因子模型的自定义求解器,考虑热边界层与流动边界层的差异性,对带绕丝棒束通道中液态金属铅铋的流动换热现象进行数值模拟,得到了速度、温度等重要热工水力参数的三维分布,揭示了绕丝对冷却剂流动传热过程的影响规律,并将计算结果与经典实验关联式进行对比,结果符合良好,证明了所用模型和程序的正确性。本研究可为在OpenFOAM中添加新模型、开发自定义求解器以及开展针对液态金属流动换热问题的计算流体动力学（CFD）模拟提供参考。     

类四边形堆芯子通道内超临界水传热特性研究

基于类四边形堆芯子通道超临界水的传热试验,建立棒径为8 mm、栅距比为1.2的超临界水冷反应堆（SCWR）类四边形堆芯子通道物理模型,采用SSG湍流模型,在p=23～28 MPa超临界压力范围,研究了子通道内超临界水的传热特性,分析了压力、质量流速和热流密度等热工参数对类四边形子通道内超临界水传热特性的影响。研究结果表明：采用SSG湍流模型数值研究计算得到的内壁温度与试验结果变化趋势一致。在拟临界区,随压力的增大,相应的换热系数峰值逐渐降低。质量流速的增加,在整个焓区均能明显加强子通道内传热现象。随热流密度的增加,内壁温度逐渐升高,对应的换热系数峰值降低,同时逐渐向低焓区方向移动。     

The re-crystallization issue in lead-bismuth technology

Numerical and experimental studies were performed to investigate the behaviour of lead-bismuth eutectic (LBE) after solidification. Re-crystallization of LBE is the main phenomenon to consider; it may lead to serious over-stressing of structural materials. The conditions for the target vessel of MEGAwatt PIlot Experiment (MEGAPIE) were especially considered. Some general recommendations were deduced in order to help avoiding dangerous events.     

超临界水冷堆类三角形子通道传热不均匀性研究

基于类三角形堆芯子通道超临界水传热不均匀性试验,建立棒径为8 mm、栅距比为1.2~1.4的超临界水冷堆（SCWR）类三角形堆芯子通道物理模型,研究通道内超临界水传热不均匀性,分析超临界压力区子通道传热轴向与周向不均匀性。试验研究表明类三角形子通道轴向传热强度不均,沿轴向传热强度存在峰值区,大比热区传热强度大,而远离大比热区传热强度低;试验与数值模拟对比表明 (Spezlale, Sarkar and Gatski Model) 湍流模型可准确预测SCWR类三角形子通道超临界水传热特性;子通道周向传热严重不均,在垂直于主流方向横截面,流体和管壁之间的局部传热系数随着周向角的增大先升高后降低,其值在中心主流区处最大,在窄缝区位置最小,并且在不同的主流焓值区内周向传热不均程度不同;栅距比对子通道传热有影响,随着栅距比的增大,在整个主流焓值区内,平均壁温升高,换热系数降低,周向传热不均匀性显著减小。      

Numerical investigation on the heat transfer characteristics of a liquid-metal pool subjected to a partial solidification process

The main purpose of this paper is to investigate numerically the effects of solidification on the heat transfer characteristics of the liquid metal layer, for use in accident analyses. The situation is very similar to an overlying liquid melt pool that could be fooned in the reactor lower head during the late phase of a severe nuclear accident. Based on a computational model, MPCOOL, the numerical predictions were then assessed through a comparison with the experimental data that was obtained with various boundary temperature conditions and geometrical aspect ratios, especially for the Ra-Nu relationship. For the cases with solidification, the results of the comparison show that(a) the computational model does show a good agreement with heat transter rates inferred from the experimental data, with a few exceptions at the Ra numbers which suggest a turbulent transport; and also (b) the computational model underpredicts the heat transfer rates by about 6% than that inferred from the experimental data when it is integrally evaluated with the Ra-Nu correlation. The foregoing results are mainly due to the currently limited applicability of the computational model up to the laminar-to-turbulence transition flows and its application to the turbulence flows because it is always subjected to a model uncertainty between the laminar and turbulence. Next, an additional comparison for the cases with and without solidification was made to examine the effects of the solidification on the energy partition within the liquid metal layer and its effects on the directional heat transfer rates. The results of the comparison show that the computational model for the case without solidification predicts higher heat transfer rates by about 15% than when solidification is included, but there isn't any experimental data that directly supports this trend.     

液态金属螺旋管式直流蒸汽发生器数值模拟研究

螺旋管式直流蒸汽发生器(HCOTSG)是一种蒸汽发生器常用形式。得益于其特殊的优势,HCOTSG被广泛用于各类反应堆动力系统中。本文提出了利用计算流体力学软件（FLUENT）对液态金属HCOTSG的壳侧液态铅铋、管侧两相流体进行耦合流动传热计算的CFD方法,并通过与相关实验研究结果的对比验证了数值模拟方法的正确性。在此基础上,本文对HCOTSG在典型工况下开展了数值模拟计算,得到蒸汽发生器内部的热工水力参数分布情况,并对其内部的流动换热特性进行分析。本研究为液态金属HCOTSG流动换热特性研究及结构设计优化提供新的思路方法。     

Numerical study on the heat transfer characteristics of LIVE-L4 melt pool with a partial solidification process

Using the source-based SIMPLE algorithm based on a fixed grid method, a two-dimensional numerical model for a convection-diffusion controlled mushy region phase-change problem was developed to investigate the heat transfer characteristics of LIVE L4 melt pool subjected to a partial solidification process in a Pressurized Water Reactor (PWR) lower plenum during a hypothetical severe accident. For the binary non-eutectic mixtures of L4 melt, a linear liquid fraction temperature relationship was implemented on the calculations of the velocity and enthalpy in the mushy zone. The effect of fluid flow in the melt pool was analyzed, and numerical results for the cases with and without phase change model were calculated to investigate the effects of solidification on the heat transfer characteristics of L4 melt pool. Numerical results indicated that the phase-change model could well predict the main parameters of melt pool, e.g. the melt pool temperatures, heat flux through the melt pool, and the crust thickness. Results also indicated that the predicted Nu number without solidification was overestimated by about 12%, compared with that with solidification.     

The effect of thermal radiation on the solidification dynamics of metal oxide melt droplets

Cooling and solidification of metal oxide droplets in water are considered, using a single-particle model which takes into account heat conduction and thermal radiation transfer within the particle. It is shown that, for millimeter-size particles, near-infrared absorption of the particle's substance determines the solidification pattern and dynamics. For semi-transparent aluminum oxide particles, the rate of surface solidification is controlled by convective heat transfer. For opaque corium particles, thermal radiation from the particle surface leads to fast surface solidification. The impact of so-formed crust layer on subsequent particle fragmentation is discussed with respect to its influence on steam explosion.