第四代核反應(yīng)堆是目前核能技術(shù)發(fā)展的前沿方向，具有更高的安全性、經(jīng)濟性、可持續(xù)性以及防擴散能力等特點。第四代核能系統(tǒng)國際論壇（GIF）從眾多概念設(shè)計中選定了六種系統(tǒng)作為第四代核技術(shù)系統(tǒng)，分別是：
氣冷快堆（GFR）：使用氦氣作為冷卻劑，具有高出口溫度和閉式燃料循環(huán)的特點，可以實現(xiàn)更高的熱電轉(zhuǎn)換效率.
鉛冷快堆（LFR）：采用鉛或鉛鉍合金作為冷卻劑，具有高熱電轉(zhuǎn)換效率和良好的核廢物嬗變能力，同時鉛基材料的化學(xué)穩(wěn)定性高，可避免起火或爆炸等安全問題。
熔鹽堆（MSR）：使用熔融狀態(tài)的鹽作為冷卻劑和燃料載體，具有固有安全性高、熱轉(zhuǎn)換效率高以及燃料利用率高等優(yōu)點。例如，釷基熔鹽堆就是一種典型的熔鹽堆，其核反應(yīng)燃料處于液態(tài)，具有良好的導(dǎo)熱性和較低蒸氣壓。
鈉冷快堆（SFR）：以鈉作為冷卻劑，具有高熱電轉(zhuǎn)換效率和良好的核燃料增殖能力，是目前相對比較成熟的技術(shù)之一。
超臨界水冷堆（SCWR）：采用超臨界水作為冷卻劑和慢化劑，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的熱電轉(zhuǎn)換效率和燃料利用率，同時具有較好的安全性和經(jīng)濟性。
超高溫氣冷堆（VHTR）：使用氦氣作為冷卻劑，在高溫下運行，允許在反應(yīng)堆運行期間進行高溫電解，從而有效地生產(chǎn)氫氣以及合成碳中性燃料。
圖 1 鈉冷快堆結(jié)構(gòu)示意圖
鈉冷快堆（Sodium-Cooled Fast Reactor, SFR）是第四代核能系統(tǒng)中的一種重要堆型，具有高熱電轉(zhuǎn)換效率和良好的核燃料增殖能力。是一種以液態(tài)鈉為冷卻劑，由快中子引起核裂變并維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)堆。采用池式設(shè)計：池式鈉冷快堆將堆芯、鈉泵、中間熱交換器等設(shè)備都放置在一個大型的鈉池中，這種設(shè)計可以提高安全性，減少鈉泄漏的風(fēng)險。
其結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個部分，部分參數(shù)為中國實驗快堆設(shè)計及運行參數(shù)：
燃料組件：通常采用氧化物燃料（如MOX）或金屬燃料（如U-Pu-Zr）。燃料組件由包殼、外套管、燃料區(qū)、上下端塞等組成，包殼材料如C-68-450等，能夠承受高溫和中子輻照。
控制棒組件：包括安全棒、調(diào)整棒和賠償棒等，材料為C-6808X16H11M等，用于控制反應(yīng)堆的功率和停堆操作。
中子源組件：提供初始中子源以啟動鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，材料與控制棒組件類似。
不銹鋼屏蔽組件：用于屏蔽中子和γ射線，材料為316Ti等。
圖 2 鈉冷快堆堆容器及堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖
主容器：通常采用奧氏體鋼，如316SS或俄羅斯產(chǎn)08X16H11M3，內(nèi)徑約7960mm，壁厚50mm/25mm，重量約105噸，用于容納堆芯和液態(tài)鈉，環(huán)境溫度可達420℃，壽期最大中子注量為1x10^18n/cm^2。
堆內(nèi)支承：用于固定堆芯組件，材料為304SS，重量約7.4噸，環(huán)境溫度360℃，壽期最大中子注量為4.4x10^20n/cm^2。
柵板聯(lián)箱：保持堆芯組件的結(jié)構(gòu)完整性，材料為08X16H11M3，重量約6噸，環(huán)境溫度360-530℃，壽期最大中子注量為4x10^23n/cm^2。
堆芯圍桶：將高溫液態(tài)鈉導(dǎo)入堆芯和中間熱交換器，材料為08X16H11M3，環(huán)境溫度360℃，壽期最大中子注量為1x10^18n/cm^2。
鈉泵：用于驅(qū)動液態(tài)鈉在回路中循環(huán)，材料為08X16H11M3，環(huán)境溫度400℃，壽期最大中子注量為1x10^18n/cm^2。
中間熱交換器：將堆芯產(chǎn)生的熱量傳遞給二回路，材料為10X2M，鈉側(cè)溫度495℃，水側(cè)溫度370℃，壓力14MPa。
二回路管道：材料為304不銹鋼，管徑325x12mm或219x10mm，鈉在熱腿溫度495℃，在冷腿溫度310℃，流量274kg/s。
旋塞：用于在緊急情況下快速停堆和隔離堆芯，材料為08X16H11M3，環(huán)境溫度400℃，壽期最大中子注量為1x10^18n/cm^2。
凈化系統(tǒng)：用于去除液態(tài)鈉中的雜質(zhì)和氣體，保持鈉的純凈度。
監(jiān)測和控制系統(tǒng)：包括各種傳感器和儀表，用于監(jiān)測堆芯溫度、壓力、中子通量等參數(shù)，以及控制反應(yīng)堆的運行狀態(tài)。
熔點低、沸點高：鈉的熔點為97.8℃，沸點高達883℃，這意味著在反應(yīng)堆運行的溫度范圍內(nèi)，鈉始終保持液態(tài)，不會像水那樣容易沸騰產(chǎn)生氣泡，從而避免了氣泡對傳熱性能的影響，保證了冷卻劑的穩(wěn)定性和傳熱效率。
熱導(dǎo)率高：液態(tài)鈉在100℃時的導(dǎo)熱系數(shù)為86.9W/m·K，比水的導(dǎo)熱系數(shù)高百倍以上。這使得鈉能夠快速地將堆芯產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出，有效防止堆芯過熱，提高了反應(yīng)堆的安全性和運行效率。
密度小：鈉的密度低于水，這使得冷卻劑消耗的泵功率只占輸出功率的很小一部分，與氦冷卻劑相比，鈉的這一特性使其在能量傳輸方面更具優(yōu)勢，降低了反應(yīng)堆的運行成本和能耗。
化學(xué)性質(zhì)活潑：鈉是一種活潑的金屬，在空氣中會被迅速氧化，在水中會發(fā)生劇烈燃燒。因此，鈉冷快堆的設(shè)計和運行需要特別注意防止鈉與空氣和水的接觸，以避免潛在的安全風(fēng)險。例如，所有鈉系統(tǒng)外圍都設(shè)置了保溫層，以防止噴霧爆燃。
與燃料包殼材料相容性好：鈉與燃料包殼材料——不銹鋼的相容性很好，雖然存在質(zhì)量遷移問題，但對包殼耗蝕量僅為數(shù)十微米，這有助于延長燃料組件的使用壽命，提高反應(yīng)堆的經(jīng)濟性和可靠性。
對中子的慢化能力弱：鈉的核子數(shù)為23，相對于水來講，對中子的慢化能力弱，吸收截面小。因此，鈉作為冷卻劑導(dǎo)致的快中子損失不多，能夠更有效地利用快中子進行核裂變反應(yīng)，提高反應(yīng)堆的增殖能力。
核反應(yīng)產(chǎn)物易于屏蔽：鈉與中子發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的23Ne、24Na和22Na的半衰期分別是38秒、15小時和2.6年，衰變速度快，易于被屏蔽，對保持環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展有利。
計算流體動力學(xué)（CFD）在鈉冷快堆的設(shè)計和分析中發(fā)揮著重要作用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
子通道分析：鈉冷快堆的燃料組件采用繞絲纏繞棒束的固定方式，冷卻劑通道較為復(fù)雜。CFD可以建立詳細(xì)的子通道模型，模擬冷卻劑在堆芯內(nèi)的流動和傳熱情況，分析繞絲引起的攪渾效應(yīng)。例如，通過上海積鼎自主研發(fā)的通用流體力學(xué)分析軟件VirtualFlow建立帶繞絲的燃料棒束模型，計算不同流量工況下的流場特性，獲得繞絲的湍流攪渾系數(shù)，并將其用于子通道計算程序中，得到各類子通道的溫度分布。
圖 3 采用VirtualFlow對帶繞絲棒束模型進行數(shù)值分析
冷卻劑流動特性：CFD能夠模擬鈉冷快堆中液態(tài)鈉的流動特性，包括流速分布、壓力降等。這對于優(yōu)化堆芯設(shè)計、降低流動阻力和提高冷卻效率具有重要意義。例如，在低雷諾數(shù)條件下，CFD可以用于研究鈉冷快堆燃料組件棒束的阻力特性，為自然循環(huán)冷卻過程中的換熱分析提供支持。
通風(fēng)系統(tǒng)分析：CFD能夠模擬鈉冷快堆中屏蔽氣體氬氣及空氣的流動特性，為優(yōu)化旋塞結(jié)構(gòu)、保護容器設(shè)計、屏蔽體通風(fēng)設(shè)計等提供支持。
事故工況模擬：CFD可以模擬鈉冷快堆在各種事故工況下的熱工水力行為，如冷卻劑泄漏、泵失效等，幫助評估反應(yīng)堆的安全性能。
反應(yīng)性反饋計算：CFD與中子動力學(xué)模塊耦合，可以實現(xiàn)鈉冷快堆的多維度耦合計算。通過CFD計算得到的熱工水力參數(shù)，作為中子動力學(xué)模塊的邊界條件，計算反應(yīng)性引入時堆芯的核物理反應(yīng)性。這種方法能夠更準(zhǔn)確地分析反應(yīng)堆在不同工況下的反應(yīng)性變化，提高安全分析的可靠性。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化：CFD可以用于鈉冷快堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，如燃料組件、控制棒組件等。通過模擬不同設(shè)計方案下的流動和傳熱特性，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布局，提高反應(yīng)堆的性能和安全性。
冷卻劑管理：CFD還可以用于研究鈉冷快堆冷卻劑的循環(huán)和分配問題，優(yōu)化冷卻劑的流動路徑和流量分配，確保堆芯各部分的冷卻效果均衡。
綜上所述，CFD在鈉冷快堆的研究和開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用前景，能夠為反應(yīng)堆的設(shè)計、分析和安全評估提供有力的技術(shù)支持。隨著計算機技術(shù)和CFD方法的不斷發(fā)展，CFD將在鈉冷快堆的技術(shù)進步中發(fā)揮越來越重要的作用.
鈉冷快堆CFD分析具有以下特點：
鈉冷快堆結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是燃料組件通常采用金屬繞絲定位，繞絲在加強冷卻劑交混、促進對流換熱、減小機械振動等方面具有重要作用。繞絲的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要精確建模，包括燃料棒的直徑、間距、繞絲的直徑和螺距等參數(shù)。
鈉冷快堆通常采用池式結(jié)構(gòu)，各系統(tǒng)之間難以解耦，采用系統(tǒng)方法進行分析往往具有局限性，需要采用CFD對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行精細(xì)化建模，并選擇適當(dāng)?shù)鸟詈线吔?，實現(xiàn)模型簡化。
液態(tài)金屬鈉的特性：液態(tài)金屬鈉的普朗特數(shù)遠(yuǎn)小于1，表現(xiàn)為導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)大于對流擴散能力，溫度邊界層厚度遠(yuǎn)大于流動邊界層厚度。因此，一般CFD軟件默認(rèn)的湍流普朗特數(shù)Prt=0.85已不適用于液態(tài)金屬鈉。Jischa湍流普朗特數(shù)模型被驗證適用于液態(tài)金屬鈉，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測傳熱特性。
多相流模型：鈉冷快堆中可能存在多相流現(xiàn)象，如鈉的沸騰等。需要選擇合適的多相流模型來模擬這些現(xiàn)象，例如使用歐拉-歐拉模型或歐拉-拉格朗日模型，上海積鼎自主開發(fā)的通用流體力學(xué)分析軟件VirtualFlow具有豐富的多相流及相變模型，可用于求解鈉冷快堆中存在的多相流問題。
圖 4 VirtualFlow中多相流模型類型
圖 5 VirtualFlow中相變模型類型
高密度網(wǎng)格：在關(guān)鍵區(qū)域，如燃料棒束周圍和繞絲附近，需要進行高密度網(wǎng)格劃分，以捕捉流動和傳熱的細(xì)節(jié)。子通道內(nèi)的網(wǎng)格密度對結(jié)果的準(zhǔn)確性有顯著影響。
入口條件：冷卻劑的入口溫度和流量是重要的邊界條件。例如，中國實驗快堆的冷卻劑入口溫度為633.15 K，入口質(zhì)量流量為0.07 kg/s。
出口條件：出口處的壓力或溫度邊界條件也需要合理設(shè)置，以確保計算的收斂性和準(zhǔn)確性。
湍流模型：通常選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來模擬湍流流動，該模型能夠較好地預(yù)測鈉冷快堆中的湍流特性。
多尺度耦合：鈉冷快堆的計算涉及多尺度耦合，例如OTSG（直流蒸汽發(fā)生器）的跨尺度耦合分析方法，可以更好地模擬復(fù)雜的流動和傳熱現(xiàn)象。
實驗驗證：通過實驗數(shù)據(jù)驗證CFD計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，使用MICAS實驗設(shè)施的光學(xué)測量結(jié)果來驗證CFD模擬的流場。
多方法對比：使用不同的CFD軟件或計算方法進行對比，驗證結(jié)果的一致性和可靠性。例如，將CFD軟件的結(jié)果與自主研發(fā)的子通道計算程序的結(jié)果進行對比。
流致振動：鈉冷快堆的堆芯結(jié)構(gòu)在運行過程中可能會出現(xiàn)流致振動現(xiàn)象，需要在CFD計算中考慮這種現(xiàn)象對結(jié)構(gòu)的影響，采用頻譜分析或流固耦合處理。
自然循環(huán)：在完全喪失電源的情況下，鈉冷快堆依靠一回路的自然循環(huán)進行冷卻，需要模擬這種自然循環(huán)的流動特性，可采用Boussinesq假設(shè)或者變密度處理。VirtualFlow中具備Boussinesq假設(shè)模型，并提供了豐富的流體數(shù)據(jù)庫，用戶可以快速選擇所需要的流體種類，支持UDF接口對物性進行設(shè)置，并支持多種真實氣體模型（Peng-Robinson狀態(tài)方程），支持NIST物性庫，滿足自然循環(huán)CFD分析需求。
圖 6 不同物性及狀態(tài)方程設(shè)置
鈉冷快堆作為新堆型，需要更豐富的設(shè)計手段，CFD分析能夠為反應(yīng)堆的設(shè)計和安全評估提供有力支持，確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
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