基于多尺度方法的固态燃料熔盐堆中复杂传递过程研究

Molten Salt Reactor nuclear energy system (referred to as MSR) is one of the fourth generation nuclear energy system, in which MSR with solid fuel is the research hotspot on the international stage. The core of solid fuel molten salt reactor is constructed of the randomly packed graphite balls, which the key scientific issues is the complex flow and heat-mass coupled transfering processes of the FLiBe molten salt in fixed pebble bed reactor. Focusing on the problems of physical multiscale structures and thus multiscale flow,temperature,and species fields distribution and their coupling between each other, the simulation method and models are to be established. The relationship between microscale structure, meso scale and macroscale transfering parameters is to be constructed,and the influece of porous structure, operation conditions and so on. The mechanisms of flow and heat transfering of molten salt FLiBe between porous media are explored intensively to help understanding the hydrodynamic characteristic and heat transmission under different conditions in order. The results would help mlten salt reactor-solid fuel designs and nuclear safety analysis.

熔盐堆是国际公认的六种“第四代”核反应堆之一，而固态燃料熔盐堆则是现阶段国际上研究的热点。鉴于固态燃料熔盐堆的堆芯是由石墨球随机堆积而成，FLiBe熔盐在固定球床堆内的复杂流动和传热传质耦合问题是需要解决的关键问题。本项目针对球床堆中存在的多尺度流动与传热的强非线性耦合等问题，通过对球床堆结构的多尺度描述，建立合理可行的计算方法及多物理场耦合的多尺度传递计算模型，揭示从单个燃料球的微观结构特征到介尺度空间及三维宏观尺度输运特性之间关系，充分考虑多孔介质结构、运行参数等不同因素的影响，深入分析FLiBe熔盐在多孔介质间的流动和换热机理，掌握其在多种条件下的流动和传热行为，为固态燃料熔盐堆的设计和安全分析提供支持。

熔盐堆是国际公认的六种“第四代”核反应堆之一，而固态燃料熔盐堆则是现阶段国际上研究的热点。鉴于固态燃料熔盐堆的堆芯是由石墨球随机堆积而成，FLiBe熔盐在固定球床堆内的复杂流动和传热传质耦合问题是需要解决的关键问题。本项目针对球床堆中存在的多尺度流动与传热的强非线性耦合等问题，通过对球床堆结构的多尺度描述，建立合理可行的计算方法及多物理场耦合的多尺度传递计算模型。.微尺度模型下，不同截面下燃料球最高温度为1072.3K，远低于燃料球温度设计限值的1250℃，进出口流速分布满足周期性边界条件，在与进出口垂直的方向上，熔盐流速最快分布在两球交界区域；沿流动方向上，由于两个燃料球之间的空间突然增大，熔盐流速最小，并沿着圆球周向流速逐渐增大。建立了面心立方（FCC）和体心立方（BCC）两种排布结构的介尺度模型，采用BCC排布所需要的循环泵功率要远小于FCC排布。基于多孔介质方法建立了固态燃料熔盐堆堆芯的宏尺度模型，经热工水力计算分析表明，出口温度增加了27K，熔盐密度从1987kg/m3下降到1964kg/m3，流动压降约为3.5kPa，以上参数变化满足设计值的要求。同时，选取了入口温度、进口速度和多孔介质孔隙率三个因素开展进一步分析，堆芯进出口的温差、压降、Pr数都随着熔盐入口温度的增加而减小；进出口的温差和Pr数随着进口速度的增加而减小，压降随着进口速度的增加而增大；孔隙率的改变对熔盐的物性、Pr数影响不大，孔隙率的改变对压降的影响非常显著，孔隙率越大压降越小。.通过从单个燃料球的微观结构特征到介尺度空间及三维宏观尺度输运特性之间关系的研究，结合对入口温度、进口速度和多孔介质孔隙率三个因素的影响分析，深入揭示了FLiBe熔盐在多孔介质间的流动和换热机理，掌握了其在多种条件下的流动和传热行为，为固态燃料熔盐堆的设计和安全分析提供了支持。