鈉冷快堆燃料組件流道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值模擬

李思遠(yuǎn) 張愛民

【摘 要】本文采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法針對(duì)不同流通橫截面的7根棒束組成的快堆燃料組件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析繞絲直徑與六角管內(nèi)對(duì)邊距設(shè)置對(duì)組件熱工水力性能的影響。結(jié)果表明，繞絲對(duì)冷卻劑具有強(qiáng)烈的攪混作用，在起到定位作用的同時(shí)，為熱平衡提供驅(qū)動(dòng)力。通過改變?nèi)剂辖M件流道結(jié)構(gòu)，即采用外圈小直徑繞絲并縮小內(nèi)對(duì)邊距的設(shè)置，可以對(duì)冷卻劑在不同子通道中的流量進(jìn)行重新分配，具有更好的熱工水力性能。

【關(guān)鍵詞】快堆;繞絲;六角管對(duì)邊距;熱工水力;CFD

中圖分類號(hào)： TL352 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）12-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.001

【Abstract】This paper uses computational fluid dynamics（CFD）method to simulate the fast reactor fuel assemblies composed of 7 bundles with different flow cross sections，and analyzes the influence of the diameter of the wire-wrap and the setting of the margin in the hexagonal tube on the thermal hydraulic performance of the assemblies.The results show that the wire-wrap has a strong mixing effect on the coolant，and provides a driving force for the heat balance while positioning.By changing the fuel assembly flow path structure，that is，the setting of small diameter wire-wrap with outer ring and narrowing inner-to-edge distance is adopted.，the flow rate of the coolant in different sub-channels can be redistributed，and the thermal hydraulic performance is better.

【Key words】Fast reactor;Wire wrap;Hexagonal pipe to margin;Thermal hydraulics;CFD

0 引言

1-內(nèi)子通道;2-邊子通道;3-角子通道

快堆組件為提高燃料燃耗深度與增加燃料-冷卻劑比，一般采用三角形棒束排列方式，由于快堆組件內(nèi)部流動(dòng)情況復(fù)雜，利用CFD方法對(duì)快堆組件內(nèi)部冷卻劑流動(dòng)情況的研究在國(guó)內(nèi)外得到認(rèn)可[1-5]。燃料棒表面纏繞的繞絲作為定位結(jié)構(gòu)的同時(shí)對(duì)冷卻劑進(jìn)行橫向攪混，產(chǎn)生橫向流動(dòng)以帶走組件中部堆積的熱量。根據(jù)冷卻劑在流道中的位置一般可以分為三種通道類型--內(nèi)子通道、邊子通道與角子通道，如圖1所示為7根棒束組成的快堆組件幾何模型與子通道劃分示意圖。普通快堆組件中繞絲直徑保持一致，各個(gè)子通道在一個(gè)繞絲螺距長(zhǎng)度所受繞絲攪混的數(shù)目和子通道截面形式不同導(dǎo)致冷卻劑受攪混的強(qiáng)度不同，內(nèi)子通道中阻力系數(shù)大，冷卻劑流量低于橫截面平均流量。通過改變?nèi)剂习糇钔馊@絲直徑，減小六角管內(nèi)對(duì)邊距以增加冷卻劑在角子通道與邊子通道中的流動(dòng)阻力，可以驅(qū)動(dòng)冷卻劑向組件中部轉(zhuǎn)移，能更好的匹配中心棒束對(duì)熱量導(dǎo)出的需求。本文研究就基于此。

1 計(jì)算前處理

1.1 幾何模型與邊界條件設(shè)置

基本模型采用圖2所示由7根棒束組成的快堆組件模型，模型基本幾何參數(shù)如下：1）燃料棒直徑6.6mm;2）繞絲直徑1.4mm;3）繞絲螺距100mm;4）組件活性段長(zhǎng)度450mm。在實(shí)際的快堆組件中，燃料棒與繞絲為點(diǎn)接觸，在幾何建模與后續(xù)網(wǎng)格劃分的過程無法有效的進(jìn)行，參照文獻(xiàn)[6，7]，將繞絲嵌入燃料棒表面0.05mm，如圖3所示，可以保證在不影響模擬結(jié)果的條件下進(jìn)行有效的建模與網(wǎng)格劃分。另外，由于在快堆組件中，活性段區(qū)域熱流量占整組件全部熱流量的95%以上，故本文針對(duì)該區(qū)域進(jìn)行熱工水力數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬中邊界條件設(shè)置參照表1所示。冷卻劑鈉的物性參數(shù)參照文獻(xiàn)[8]所示進(jìn)行設(shè)置。

1.2 計(jì)算控制方程

CFD（Computational Fluid Dynamic）基本思想為通過三大守恒方程建立控制方程組與設(shè)定邊界條件進(jìn)行計(jì)算域中場(chǎng)函數(shù)（如溫度、壓力、速度）的空間分布與隨時(shí)間的變化。三大守恒方程為如下：

式中，？籽為流體密度;t為時(shí)間;u、v、w分別為流速在X、Y、Z坐標(biāo)軸上的分量;p為作用在流體微元上的壓力;？子ii為微元表面不同方向的切應(yīng)力;Fi為作用在微元上不同方向的體積力分量;T為溫度;k為玻爾茲曼常數(shù);cp為流體定壓比熱容;ST為粘性耗散項(xiàng)。

1.3 模型對(duì)比方案設(shè)計(jì)

快堆組件中冷卻劑流動(dòng)阻力除沿棒束的沿程阻力外，還受到由繞絲對(duì)冷卻劑的攪混作用產(chǎn)生的攪混阻力，另外，繞絲部件作為棒束間的定位裝置決定了棒束外圍的六角管的結(jié)構(gòu)。在燃料棒束基本參數(shù)不變的條件下，通過改變棒束最外圍繞絲直徑可以改變六角管內(nèi)對(duì)邊距大小，從而改變邊子通道與角子通道流通面積，影響冷卻劑在不同子通道中的阻力系數(shù)，達(dá)到流量再分配并改善組件內(nèi)部熱工水力性能的目的。

綜上，如圖4所示，本文將原始組件模型設(shè)定為對(duì)照組，即模型A;單改變最外圈繞絲直徑大小模型研究組件整體性能隨繞絲直徑的影響，即模型B;同時(shí)改變最外圈繞絲直徑與六角管內(nèi)對(duì)邊距的新型組件模型為模型C。