1、第四代核電堆型

第四代核反應堆是目前核能技術發展的前沿方向，具有更高的安全性、經濟性、可持續性以及防擴散能力等特點。第四代核能系統國際論壇（GIF）從眾多概念設計中選定了六種系統作為第四代核技術系統，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的特點，可以實現更高的熱電轉換效率.

鉛冷快堆（LFR）：采用鉛或鉛鉍合金作為冷卻劑，具有高熱電轉換效率和良好的核廢物嬗變能力，同時鉛基材料的化學穩定性高，可避免起火或爆炸等安全問題。

熔鹽堆（MSR）：使用熔融狀態的鹽作為冷卻劑和燃料載體，具有固有安全性高、熱轉換效率高以及燃料利用率高等優點。例如，釷基熔鹽堆就是一種典型的熔鹽堆，其核反應燃料處于液態，具有良好的導熱性和較低蒸氣壓。

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，能夠實現更高的熱電轉換效率和燃料利用率，同時具有較好的安全性和經濟性。

超高溫氣冷堆（VHTR）：使用氦氣作為冷卻劑，在高溫下運行，允許在反應堆運行期間進行高溫電解，從而有效地生產氫氣以及合成碳中性燃料。

2、鈉冷快堆結構

圖 1 鈉冷快堆結構示意圖

鈉冷快堆（Sodium-Cooled Fast Reactor, SFR）是第四代核能系統中的一種重要堆型，具有高熱電轉換效率和良好的核燃料增殖能力。是一種以液態鈉為冷卻劑，由快中子引起核裂變并維持鏈式反應的反應堆。采用池式設計：池式鈉冷快堆將堆芯、鈉泵、中間熱交換器等設備都放置在一個大型的鈉池中，這種設計可以提高安全性，減少鈉泄漏的風險。

其結構主要包括以下幾個部分，部分參數為中國實驗快堆設計及運行參數：

1. 堆芯

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、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、調整棒和賠償棒等，材料為C-6808X16H11M等，用于控制反應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式反應，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構件結構示意圖

2. 堆容器

主容器：通常采用奧氏體鋼，如316SS或俄羅斯產08X16H11M3，內徑約7960mm，壁厚50mm/25mm，重量約105噸，用于容納堆芯和液態鈉，環境溫度可達420℃，壽期最大中子注量為1x10^18n/cm^2。

堆內支承：用于固定堆芯組件，材料為304SS，重量約7.4噸，環境溫度360℃，壽期最大中子注量為4.4x10^20n/cm^2。

柵板聯箱：保持堆芯組件的結構完整性，材料為08X16H11M3，重量約6噸，環境溫度360-530℃，壽期最大中子注量為4x10^23n/cm^2。

堆芯圍桶：將高溫液態鈉導入堆芯和中間熱交換器，材料為08X16H11M3，環境溫度360℃，壽期最大中子注量為1x10^18n/cm^2。

3. 冷卻系統

鈉泵：用于驅動液態鈉在回路中循環，材料為08X16H11M3，環境溫度400℃，壽期最大中子注量為1x10^18n/cm^2。

中間熱交換器：將堆芯產生的熱量傳遞給二回路，材料為10X2M，鈉側溫度495℃，水側溫度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。

4. 安全系統

旋塞：用于在緊急情況下快速停堆和隔離堆芯，材料為08X16H11M3，環境溫度400℃，壽期最大中子注量為1x10^18n/cm^2。

5. 輔助系統

凈化系統：用于去除液態鈉中的雜質和氣體，保持鈉的純凈度。

監測和控制系統：包括各種傳感器和儀表，用于監測堆芯溫度、壓力、中子通量等參數，以及控制反應堆的運行狀態。

3、鈉冷快堆工質特點

1. 物理特性

熔點低、沸點高：鈉的熔點為97.8℃，沸點高達883℃，這意味著在反應堆運行的溫度范圍內，鈉始終保持液態，不會像水那樣容易沸騰產生氣泡，從而避免了氣泡對傳熱性能的影響，保證了冷卻劑的穩定性和傳熱效率。

熱導率高：液態鈉在100℃時的導熱系數為86.9W/m·K，比水的導熱系數高百倍以上。這使得鈉能夠快速地將堆芯產生的熱量導出，有效防止堆芯過熱，提高了反應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勢，降低了反應堆的運行成本和能耗。

2. 化學特性

化學性質活潑：鈉是一種活潑的金屬，在空氣中會被迅速氧化，在水中會發生劇烈燃燒。因此，鈉冷快堆的設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險。例如，所有鈉系統外圍都設置了保溫層，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，雖然存在質量遷移問題，但對包殼耗蝕量僅為數十微米，這有助于延長燃料組件的使用壽命，提高反應堆的經濟性和可靠性。

3. 核特性

對中子的慢化能力弱：鈉的核子數為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，提高反應堆的增殖能力。

核反應產物易于屏蔽：鈉與中子發生反應產生的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，對保持環境的可持續發展有利。

4、CFD在鈉冷快堆設計與分析中的作用

計算流體動力學（CFD）在鈉冷快堆的設計和分析中發揮著重要作用，主要體現在以下幾個方面：

1.熱工水力分析

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，冷卻劑通道較為復雜。CFD可以建立詳細的子通道模型，模擬冷卻劑在堆芯內的流動和傳熱情況，分析繞絲引起的攪渾效應。例如，通過上海積鼎自主研發的通用流體力學分析軟件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，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值分析

冷卻劑流動特性：CFD能夠模擬鈉冷快堆中液態鈉的流動特性，包括流速分布、壓力降等。這對于優化堆芯設計、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，為自然循環冷卻過程中的換熱分析提供支持。

通風系統分析：CFD能夠模擬鈉冷快堆中屏蔽氣體氬氣及空氣的流動特性，為優化旋塞結構、保護容器設計、屏蔽體通風設計等提供支持。

2.安全分析

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，幫助評估反應堆的安全性能。

反應性反饋計算：CFD與中子動力學模塊耦合，可以實現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，作為中子動力學模塊的邊界條件，計算反應性引入時堆芯的核物理反應性。這種方法能夠更準確地分析反應堆在不同工況下的反應性變化，提高安全分析的可靠性。

3.設計優化

結構優化：CFD可以用于鈉冷快堆內部結構的優化設計，如燃料組件、控制棒組件等。通過模擬不同設計方案下的流動和傳熱特性，選擇最優的結構布局，提高反應堆的性能和安全性。

冷卻劑管理：CFD還可以用于研究鈉冷快堆冷卻劑的循環和分配問題，優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中具有廣泛的應用前景，能夠為反應堆的設計、分析和安全評估提供有力的技術支持。隨著計算機技術和CFD方法的不斷發展，CFD將在鈉冷快堆的技術進步中發揮越來越重要的作用.

5、鈉冷快堆中CFD分析的特點

鈉冷快堆CFD分析具有以下特點：

1. 復雜的幾何結構

鈉冷快堆結構復雜，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。繞絲的幾何結構復雜，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。

鈉冷快堆通常采用池式結構，各系統之間難以解耦，采用系統方法進行分析往往具有局限性，需要采用CFD對復雜結構進行精細化建模，并選擇適當的耦合邊界，實現模型簡化。

2. 特殊的物理模型

液態金屬鈉的特性：液態金屬鈉的普朗特數遠小于1，表現為導熱能力遠大于對流擴散能力，溫度邊界層厚度遠大于流動邊界層厚度。因此，一般CFD軟件默認的湍流普朗特數Prt=0.85已不適用于液態金屬鈉。Jischa湍流普朗特數模型被驗證適用于液態金屬鈉，可以更準確地預測傳熱特性。

多相流模型：鈉冷快堆中可能存在多相流現象，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，上海積鼎自主開發的通用流體力學分析軟件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

3. 詳細的網格劃分

高密度網格：在關鍵區域，如燃料棒束周圍和繞絲附近，需要進行高密度網格劃分，以捕捉流動和傳熱的細節。子通道內的網格密度對結果的準確性有顯著影響。

4. 精確的邊界條件

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置，以確保計算的收斂性和準確性。

5. 高效的計算方法

湍流模型：通常選擇標準k-ε模型來模擬湍流流動，該模型能夠較好地預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（直流蒸汽發生器）的跨尺度耦合分析方法，可以更好地模擬復雜的流動和傳熱現象。

6. 詳細的驗證和校準

實驗驗證：通過實驗數據驗證CFD計算結果的準確性。例如，使用MICAS實驗設施的光學測量結果來驗證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，驗證結果的一致性和可靠性。例如，將CFD軟件的結果與自主研發的子通道計算程序的結果進行對比。

7. 特殊現象的處理

流致振動：鈉冷快堆的堆芯結構在運行過程中可能會出現流致振動現象，需要在CFD計算中考慮這種現象對結構的影響，采用頻譜分析或流固耦合處理。

自然循環：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進行冷卻，需要模擬這種自然循環的流動特性，可采用Boussinesq假設或者變密度處理。VirtualFlow中具備Boussinesq假設模型，并提供了豐富的流體數據庫，用戶可以快速選擇所需要的流體種類，支持UDF接口對物性進行設置，并支持多種真實氣體模型（Peng-Robinson狀態方程），支持NIST物性庫，滿足自然循環CFD分析需求。

圖 6 不同物性及狀態方程設置

鈉冷快堆作為新堆型，需要更豐富的設計手段，CFD分析能夠為反應堆的設計和安全評估提供有力支持，確保計算結果的準確性和可靠性。

審核編輯 黃宇