钠冷快堆燃料组件流道优化设计数值模拟

李思远 张爱民

【摘 要】本文采用计算流体力学（CFD）方法针对不同流通横截面的7根棒束组成的快堆燃料组件进行数值模拟，分析绕丝直径与六角管内对边距设置对组件热工水力性能的影响。结果表明，绕丝对冷却剂具有强烈的搅混作用，在起到定位作用的同时，为热平衡提供驱动力。通过改变燃料组件流道结构，即采用外圈小直径绕丝并缩小内对边距的设置，可以对冷却剂在不同子通道中的流量进行重新分配，具有更好的热工水力性能。

【关键词】快堆;绕丝;六角管对边距;热工水力;CFD

中图分类号： TL352 文献标识码： A 文章编号： 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-内子通道;2-边子通道;3-角子通道

快堆组件为提高燃料燃耗深度与增加燃料-冷却剂比，一般采用三角形棒束排列方式，由于快堆组件内部流动情况复杂，利用CFD方法对快堆组件内部冷却剂流动情况的研究在国内外得到认可[1-5]。燃料棒表面缠绕的绕丝作为定位结构的同时对冷却剂进行横向搅混，产生横向流动以带走组件中部堆积的热量。根据冷却剂在流道中的位置一般可以分为三种通道类型--内子通道、边子通道与角子通道，如图1所示为7根棒束组成的快堆组件几何模型与子通道划分示意图。普通快堆组件中绕丝直径保持一致，各个子通道在一个绕丝螺距长度所受绕丝搅混的数目和子通道截面形式不同导致冷却剂受搅混的强度不同，内子通道中阻力系数大，冷却剂流量低于横截面平均流量。通过改变燃料棒最外圈绕丝直径，减小六角管内对边距以增加冷却剂在角子通道与边子通道中的流动阻力，可以驱动冷却剂向组件中部转移，能更好的匹配中心棒束对热量导出的需求。本文研究就基于此。

1 计算前处理

1.1 几何模型与边界条件设置

基本模型采用图2所示由7根棒束组成的快堆组件模型，模型基本几何参数如下：1）燃料棒直径6.6mm;2）绕丝直径1.4mm;3）绕丝螺距100mm;4）组件活性段长度450mm。在实际的快堆组件中，燃料棒与绕丝为点接触，在几何建模与后续网格划分的过程无法有效的进行，参照文献[6，7]，将绕丝嵌入燃料棒表面0.05mm，如图3所示，可以保证在不影响模拟结果的条件下进行有效的建模与网格划分。另外，由于在快堆组件中，活性段区域热流量占整组件全部热流量的95%以上，故本文针对该区域进行热工水力数值模拟分析。数值模拟中边界条件设置参照表1所示。冷却剂钠的物性参数参照文献[8]所示进行设置。

1.2 计算控制方程

CFD（Computational Fluid Dynamic）基本思想为通过三大守恒方程建立控制方程组与设定边界条件进行计算域中场函数（如温度、压力、速度）的空间分布与随时间的变化。三大守恒方程为如下：

式中，？籽为流体密度;t为时间;u、v、w分别为流速在X、Y、Z坐标轴上的分量;p为作用在流体微元上的压力;？子ii为微元表面不同方向的切应力;Fi为作用在微元上不同方向的体积力分量;T为温度;k为玻尔兹曼常数;cp为流体定压比热容;ST为粘性耗散项。

1.3 模型对比方案设计

快堆组件中冷却剂流动阻力除沿棒束的沿程阻力外，还受到由绕丝对冷却剂的搅混作用产生的搅混阻力，另外，绕丝部件作为棒束间的定位装置决定了棒束外围的六角管的结构。在燃料棒束基本参数不变的条件下，通过改变棒束最外围绕丝直径可以改变六角管内对边距大小，从而改变边子通道與角子通道流通面积，影响冷却剂在不同子通道中的阻力系数，达到流量再分配并改善组件内部热工水力性能的目的。

综上，如图4所示，本文将原始组件模型设定为对照组，即模型A;单改变最外圈绕丝直径大小模型研究组件整体性能随绕丝直径的影响，即模型B;同时改变最外圈绕丝直径与六角管内对边距的新型组件模型为模型C。