紧凑型高功率密度反应堆底部再淹没流动换热机理研究

High nuclear power density reactors have the characteristics of small volume, light weight to make them applicable for power supply for nuclear marine. America and Russia choose plate fuel and tight lattice as the fuel design for high nuclear power density reactors respectively. Compared with standard PWRs, these two fuel designs have samaller water to uranium ratio. While, deep study is needed to ensure these high power reactors' safety under accidential conditions especially for LOCA accidents because of the higher pressure drop through the core. Sufficient cooling should be avaliable in these conditions to remove decay heat of the core. Our studies are on the basis of expremental results, aiming to find the physical mechanism of flow and heat transfer in the reflooding phases of the high power density reactors to find out the difference between them and standard reactors. It is hoped that the peak caldding temperatures will be better predicted and nuclear safety analysis can be better accomplished. This work is very meaningful because it can sustain the high power density reactors' design from the theoretical aspect.

高功率密度核反应堆体积小、重量轻，是核动力舰船的主要选择之一。以美国和俄罗斯为首的大国在高功率密度反应堆上分别采用了板型燃料元件元件堆芯和稠密栅堆芯两种，由于紧凑的堆芯空间，上述两种反应堆的水铀比都较小，堆芯压降较普通压水堆更大，事故情况下的堆芯安全特性值得深入研究以确保反应堆安全，失水事故是压水堆必须考虑的最严重的设计基准事故，而持续有效的水源是压水堆保证余热导出的唯一有效手段，因此本文将基于宏观试验现象，针对上述两种高功率密度反应堆特殊的几何结构，研究高功率密度反应堆在发生失水事故后堆芯再淹没过程中的微观流动和传热机理，探索其再淹没过程不同于普通压水堆的深层次原因，为高功率密度反应堆失水事故情况下包壳和燃料峰值温度的预测，进一步认识上述高功率密度反应堆在极限事故工况下的安全性打下基础。并为高功率密度反应堆系统设计提供重要的理论基础。

NEPTUN-LWHCR和FLORESTAN实验研究表明，稠密栅堆芯再淹没过程相比普通压水堆包壳峰值温度更高、包壳表面经历的温度上升期更长、骤冷更加缓慢、堆芯出口处蒸汽所占份额更高。而已有的系统程序不能直接应用于稠密栅堆芯再淹没过程的模拟，本文针对稠密栅堆芯开发了新的先驱冷却计算模型：在计算壁面蒸汽对流换热时考虑了稠密棒束通道几何形状以及蒸汽流动状态的影响；在计算壁面液体换热时考虑了流型的影响。骤冷前沿附近的壁面放热是影响再湿温度以及骤冷前沿推进速率的主要因素。以往的计算骤冷前沿附近壁面放热的模型不能合理的模拟稠密栅堆芯的骤冷过程。为了计算稠密栅堆芯骤冷前沿附近的壁面放热，开发了“液体半月板延伸区域瞬态蒸发”模型，模型中假设液体层的瞬态蒸发是带走壁面热量的主要形式。在模型研究的基础上，本文在RELAP5程序的基础上，开发了改进版本。选取了瑞士NEPTUN-LWHCR实验和德国FLORESTAN实验作为验证基础，通过单一效应验证、组合效应验证以及和他人研究成果的对比，验证了新模型的合理性。.本文采用RELAP5对A.K.Saxena窄缝再淹没实验装置进行了模拟，模拟计算发现，该程序明显高估了骤冷前沿推进速率，对壁面温度的预测也存在较大的偏差。本文从相间拖曳模型出发，结合汽液两相动量守恒方程建立了矩形窄缝通道泡-弹状流相间拖曳模型，同时建立了基于窄缝宽度、空泡份额和当地毛细管数等特征量的矩形窄缝通道下游流型转换模型。新模型使得现有程序对骤冷前沿推进速率的预测更准。在再淹没传热特性方面，本文针对窄缝通道临界后传热特性，开发了基于液滴沉积和碰撞机理的弥散流传热模型，同时采用Sudo公式取代再淹没计算过程中临界热流密度的计算，从而改变了过渡沸腾传热模型中的临界热流密度因子，并根据现有的以矩形窄缝通道为对象获得过验证的Petukhov单相蒸汽传热模型等为基础，对RELAP5再淹没模型中临界后传热模型进行了修改。本文通过对上述模型的建立，窄缝通道再淹没计算程序对Saxena实验壁面温度和骤冷前沿推进速率的预测能力大为提高。