板型燃料元件反应堆瞬态热工水力分析程序的开发与验证

针对核动力系统瞬态分析的需求,建立板型燃料反应堆的热工水力数学物理模型,开发了具有自主知识产权的核动力系统瞬态热工水力分析程序SYSTRAN,并采用中国先进研究堆（CARR堆）的设计工况和国际原子能机构（IAEA）基准题的堵流瞬态数据对程序进行了验证。计算结果表明,堆芯流量分配、出口温度等关键参数与验证数据吻合良好,初步证明了本程序适用于板型燃料反应堆系统瞬态热工水力分析。      

钠冷快堆分析程序ATHAS-LMR的子通道模型

以子通道模型和绕丝分布式阻力模型为基础,研发了液态金属快中子增殖堆热工水力子通道分析程序ATHAS-LMR,以对液态金属快中子增殖堆燃料组件中的热工水力现象进行分析。与国外知名实验和类似子通道分析程序比较,结果表明：ATHAS-LMR与实验结果及其他子通道分析程序的结果相近,能够完成包括堵流工况的各种工况下液态金属快中子增殖堆组件的热工水力性能分析。     

板型燃料元件入口堵流条件下堆芯热工水力特性研究

应用多维堆芯物理与热工水力耦合程序PORSTA,充分考虑堆芯局部热工水力与中子动力学间的反馈效应,更贴近实际地模拟板型燃料元件堆芯的堵流状态,研究局部堵塞对堆芯热工水力特性的影响。结果表明:局部堵塞会引起强烈的堆芯局部热工水力和中子物理间的反馈效应,堵塞通道内将引入显著负反应性,功率下降;同时由于冷却剂流量减小,冷却条件恶化,通道内燃料中心温度、包壳表面温度以及冷却剂平均温度显著上升。堵塞局部亦将对全堆芯的热工水力特性产生影响。     

超临界水冷堆堆芯简化模型流量分配研究

选取超临界水冷堆(SCWR)燃料组件作为研究对象,在平均孔口尺寸条件下,对堆芯功率分布进行模拟,建立了热工水力计算模型并进行了程序的开发,计算出了各个并联通道内的冷却剂流量以及相关参数分布.结果表明,平均孔口尺寸条件得到的各组群燃料通道轴向密度分布、堆芯功率分布存在较大的不均匀性,致使流量分配存在较大的差异;通过增大高功率组群的孔板尺寸即可得到较为合理的热工水力参数分布.     

数值反应堆堆芯通道级三维热工水力程序CorTAF开发及初步验证

堆芯是核动力系统的核心部件,其完整性是反应堆安全运行的重要前提。传统核反应堆堆芯热工水力分析方法无法满足未来先进核动力系统的高精度模拟需求。本文依托开源CFD平台OpenFOAM,针对压水堆堆芯棒束结构特点建立了冷却剂流动换热模型、燃料棒导热模型和耦合换热模型,开发了一套基于有限体积法的压水堆全堆芯通道级热工水力特性分析程序CorTAF。选取GE3×3、Weiss和PNL2×6燃料组件流动换热实验开展模型验证,计算结果与实验数据基本符合,表明该程序适用于棒束燃料组件内冷却剂流动换热特性预测。本工作对压水堆堆芯安全分析工具开发具有参考和借鉴意义。     

超临界水冷堆双排燃料组件子通道分析

研究基于Cobra-IV程序,开发了适用于超临界水冷堆燃料组件分析的子通道程序.针对超临界水冷堆慢谱双排组件,进行了稳态计算,获取了相关组件热工水力参数.在此基础上,针对单一通道进行了瞬态计算,分析了燃料棒线功率变化和冷却剂流量变化条件下,超临界水冷堆燃料组件的流动和传热的动态响应,为超临界水冷堆组件的优化设计提供了参考.     

堵流工况下棒束子通道流场实验与模拟研究

为探究堵流状态下的棒束子通道流场和流量分布特征，本文使用激光粒子测速(PIV)方法对5×5棒束子通道在堵流情况下的流场和子通道流量进行了实验测量，同时使用数值模拟方法进行模拟分析，得到子通道最大堵流比例72%情况下的子通道下游流场以及子通道流量分布数据，结果表明：子通道堵塞会导致对应子通道流速和流量出现明显降低，非堵塞通道的明显加强。对于实验测试的最大72%堵流比例，堵塞物对下游约0.5D范围影响最大，其子通道流速仅有平均流速的约30%,中心堵流子通道流量仅为平均流量的25%左右。使用浸入界面方法模拟了堵流工况，结果表明：该方法能快速有效地模拟子通道堵流情况，堵塞物带来的局部回流是导致堵流件下游0.5D范围内流速过低的主要原因。     

基于双区域模型的钠冷快堆组件子通道分析程序的开发与验证

子通道分析程序是钠冷快堆堆芯热工水力设计和安全分析的重要工具。本文为计算和分析钠冷快堆组件在径向均匀与倾斜功率分布工况下的热工水力特性,利用双区域绕丝交混模型开发了一款适用于钠冷快堆组件分析的子通道程序SPLICA,并与FFM2A 19棒束实验数据与WARD 61棒束实验数据进行了对比验证。由于本文开发的子通道分析程序SPLICA使用了详细的绕丝交混模型,与经过二次开发后的COBRA程序的计算结果相比,对于FFM2A实验SPLICA程序计算得到的结果与实验结果符合得更好。这两个实验数据的验证结果证明了本文开发的子通道分析程序的准确性以及对高流量工况和低流量工况均具有良好的适用性。本程序能为钠冷快堆组件热工水力分析提供有效的设计和研究手段。     

高通量研究堆堆芯热工水力分析程序THAS-PC4

针对高通量研究堆的热工水力特点和设计准则开发了堆芯子通道分析微机程序ＴＨＡＳ－ＰＣ４。该程序能够计算稳态和瞬态工况下堆芯内冷却剂的流量、温度、密度和压力等参量的分布以及燃料元件的温度场。它还可以确定临界热流密度和偏离泡核沸腾比（ＤＮＢＲ），泡核沸腾开始时的壁面温度以及流动开始不稳定时的热流密度等，以评价反应堆的安全性。     

液态金属冷却快堆子通道分析软件SACOS-LMR研发与工程应用

子通道分析方法是反应堆堆芯设计和热工水力分析的重要手段之一,对于我国提出的压水堆-快堆-聚变堆三步走核能发展战略,开发适用于液态金属冷却快堆热工安全分析的子通道分析程序具有重要意义。本文基于西安交通大学热工水力研究室自主开发的压水堆子通道程序SACOS,通过添加液态金属快堆特有的模型,如绕丝模型、盒间流模型、液态金属对流换热模型等,扩展至适用于液态金属快堆的子通道分析程序SACOS-LMR,该程序具备对液态金属快堆组件开展稳态和瞬态热工水力分析的功能。结合卡尔斯鲁厄开展的37棒钠冷瞬态实验,完成了SACOS-LMR程序的瞬态功能验证。基于验证后的SACOS-LMR程序,对欧洲铅冷快堆(ALFRED)堆芯开展了稳态工况和瞬态事故工况下的热工安全特性分析,计算结果合理,且与同类程序保持一致,表明SACOS-LMR程序可用于液态金属快堆的堆芯设计和热工水力分析研究。     

脉动流下棒束通道内相位差及瞬态流场研究

事故条件及海洋条件下反应堆处于非稳态工况,堆芯燃料组件内热工水力行为具有瞬变及多因素耦合特性,对反应堆的安全提出更高挑战,因此有必要对燃料组件内瞬态特性进行研究。本文通过测量棒状燃料组件内压降和流量之间延迟时间开展棒束通道脉动流条件下相位差研究,对比了相位差在不同振幅、不同流动状态下的变化特性,并分析了定位格架对脉动流相位差的作用特点。另外,基于粒子图像测速（PIV）技术开展了脉动流条件下棒束通道内流场分布特性研究,对比了相同流量条件下稳态工况与瞬态工况下流场分布差异,分析了主流具备不同加速度时棒束通道内流场分布特征。实验结果表明：定位格架可减小脉动流下棒束通道内相位差;棒束通道内流场演化滞后于主流量变化。实验结果有助于揭示燃料组件在非稳态条件下瞬态特性,并为燃料组件的设计和优化奠定基础。     

二维瞬态熔融池传热特性分析程序开发与验证

针对高瑞利数熔融池自然对流传热特性实验(COPRA),建立了熔融池自然对流传热模型,并基于SIMPLE算法开发了二维瞬态熔融池传热特性分析程序。熔融池模型采用近壁修正的低雷诺数(Re)k-ε湍流模型模拟全区域的自然对流,同时考虑了熔融物硬壳凝固熔化的相变传热过程,以及硬壳与下封头壁面的导热温度场计算。采用瞬态分析程序针对COPRA实验工况进行模拟,计算得到的熔融池温度、圆弧壁面热流密度和硬壳厚度结果与COPRA实验数据符合得较好,验证了本文模型和二维瞬态熔融池传热特性分析程序的可靠性。     

横向功率分布对板型燃料温度场特性影响研究

采用CFX-Fluent对国际原子能机构(IAEA)提出的10 MW材料测试堆(MTR)典型栅元建模分析,研究板型燃料元件横向上均匀分布、中心高分布和中心低分布3种不同功率分布下的燃料及冷却剂温度分布特征。研究结果表明,由于燃料端部结构材料不发热和横向导热的存在,流道的端部存在冷芯;在核设计、热工水力设计和安全分析中应考虑燃料功率分布的横向分区及导热效应。     

三维模型次临界能源包层热工-水力数值研究

针对国际热核聚变实验堆(ITER)级别聚变堆芯驱动的三维模型次临界能源包层,轻水冷却燃料及氦气冷却第一壁、轻水冷却燃料的2个热工-水力方案,采用RNG k-ε湍流模型结合流-固耦合传热方法进行数值模拟,并考虑了燃料栅元功率密度及功率展平三维分布。研究发现:氦气冷却第一壁能显著降低各固体材料的最高温度;燃料栅元最高温度大小与功率密度分布一致;功率展平利于轻水在冷却通道中等流量分配。本研究获得了足够热工裕量的热工-水力方案。     

摇摆条件下热工水力程序的研制与验证

在RELAP5/MOD3.3程序的基础上,通过添加计算摇摆因素的模块和引入新的流动传热模型以对原程序进行修正,从而建立了摇摆条件下的热工水力分析程序。利用实验结果对理论模型和程序计算结果进行了校核和验证。结果表明：本文采用的流动传热模型可准确计算出摇摆条件下的摩擦阻力系数和传热系数,建立的热工水力分析程序也可对摇摆条件下的热工水力系统进行模拟。     

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。     

并联通道瞬态流量分配方法研究

应用多通道模型对闭式燃料栅格反应堆进行热工水力分析时,首先需要解决流量分配问题。本文提出了3种流量分配方法,编写了瞬态流量分配程序,求解了1个并联通道流量分配问题,并对这3种方法做了计算对比。结果表明,方法1只适合流量缓慢变化工况;而方法2和方法3适用于流量剧烈变化工况;但在计算同一工况时方法3比方法2更稳定;因此,方法3可作为板状燃料堆芯冷却剂通道流量分配的计算方法。     

中国先进研究堆稳态热工水力计算程序开发

针对中国先进研究堆(CARR)的具体特点开发了堆芯多通道热工水力计算程序ECARR。通过对全堆芯的数值模拟，得到了堆芯流量分配和非对称冷却条件下板状燃料元件的温度场，为进一步分析燃料元件的温差热应力等其它参数提供了所需数据。同时还对堆芯最热通道进行了热工水力计算及相应准则的判定。各参数符合CARR热工水力设计准则要求。     

脉冲反应堆脉冲运行瞬态的子通道分析

为获得脉冲运行瞬态的堆芯温度场变化情况,本文开发了适用于低温、常压工况的脉冲反应堆瞬态热工分析子通道程序PRC-STAC。利用TRIGA MARKⅡ反应堆的瞬态参数对程序进行了验证,验证结果表明,二者符合较好。利用PRC-STAC程序计算了西安脉冲堆燃料元件和堆芯冷却剂的瞬态热工参数,并讨论了脉冲运行对燃料元件的安全影响。     

加/减速流动下棒束通道内速度分布和湍流特性研究

事故工况及海洋条件下反应堆处于非稳态工况,堆芯燃料组件内热工水力行为复杂多变,对反应堆安全提出了更高挑战,因此有必要对非稳态下燃料组件内流动换热特性开展研究。基于粒子图像测速（PIV）技术,结合远心镜头和脉冲控制器,实现对燃料组件内复杂流场的高时空分辨率、长时间的连续测量,获得了流量波动下燃料组件内时空演变的流场结构,分析了棒束通道内速度分布、湍流强度、雷诺应力等瞬时流场信息的空间演变特性。以定常流动下流场分布特性为基准,对比分析了加速度对燃料组件内空间流场分布的贡献特点。实验结果表明：加速流动提高了棒束通道内流层之间的速度梯度,抑制了横向速度和湍流强度;减速流动减弱了棒束通道内流层之间的速度梯度,提高了横向速度和湍流强度。实验结果有助于揭示燃料组件在非稳态条件下的瞬态特性,并为燃料组件的设计和优化奠定基础。