基于实验的钠冷快堆堆芯熔融材料－液态钠相互作用研究

Severe core disruptive accidents in sodium-cooled fast reactor and core molten materials and the coolant liquid sodium interaction (Fuel-Coolant Interaction, FCI), are one of the international key and difficult problem on the core safety studies of reactor. Especially for FCI process, dramatic changes of the multiphase flow and heat transfer between cold and hot molten fluid interface, and molten material forms,deformation and fragmentation and so on, are not systematically studied at present and have not yet formed complete theory. On the improvement of the design of heating element in experimental system for FCI, this research will be conducted on FCI under the conditions of continuous droplets and low temperature eutectic by utilizing different systems. Besides the effect of superheating and penetrating rate, process of FCI will be focused on as well as its fragmentation, flow and heat transfer characteristics. FCI connection among different forms will be established quantitatively with accumulated data of single droplet with small mass and jet with large mass.The multiphase flow, phase change and heat transfer during FCI process would be simulated by trying to use the meshless moving particle semi-implicit method (MPS) and artificial neural network method to determine the fragmentation and fine granular mechanism of the molten core, consequently forming a relatively complete theory on FCI, which is helpful to the melt materials cooling in reactor, re-criticality evaluation, reactor core design and so on.

钠冷快堆金属燃料堆芯破损事故及其导致的熔融物与冷却钠的相互作用（FCI），是国际上堆芯安全研究的重点和难点问题。尤其对FCI过程中，冷热熔融物质交界面变化剧烈的多相流动和传热问题，及熔融物质的形态和破碎等，目前还没有系统的研究，没有形成比较完整的理论体系。本项目通过改进以往FCI实验系统中加热部的设计，分别设计系统对连续滴和金属低温共熔物两种工况下的FCI现象进行研究。除了研究过热度和穿透速度等热力和水力因素的影响外，着重对FCI发生过程、流动、传热和破碎特性进行研究；并结合已经积累的单一液滴和射流FCI实验数据，研究各种形态熔融物FCI之间的关联特性；并尝试采用移动粒子半隐式法（MPS）和人工神经网络法对FCI过程气液固三相、传热和相变等进行模拟，确定金属燃料堆芯的破碎、细粒化机理,形成比较系统的钠冷快堆FCI的基础理论，对熔融物的可冷却性、再临界性评价、堆芯设计等都有借鉴作用。

金属燃料堆芯破损事故及其导致的熔融金属材料与冷却剂液态钠的相互作用（FCI），是国际上金属燃料钠冷快堆堆芯安全研究的一个难点问题。本课题针对FCI过程中，冷热熔融物质交界面变化剧烈的热力和水力工况，及熔融物质的变形和破碎等开展了实验和数值模拟研究。为了研究熔融堆芯结构材料及金属燃料和钠冷却剂的相互作用特性，本课题开展了熔融铜、不锈钢及低温共熔金属的连续液滴(20-50g)在大范围的水力及热力工况下与液态钠FCI的破碎实验研究。熔融铜、不锈钢连续液滴破碎实验表明，在较低的热力工况下，水力作用导致的破碎占据主导作用；在较高的热力工况下，水力作用对破碎的影响受到限制。连续液滴的破碎由于液滴间的相互碰撞及向上微射流的作用得到增强。在相近的热力及水力工况下，连续液滴破碎程度高于单个滴，且低于射流。在较高的水力工况下，不同质量、下落形态的熔融铜和不锈钢碎片尺寸和熔融金属燃料射流碎片尺寸有着相似的分布。铜和316SS共熔物连续液滴破碎研究表明，在相近的初始温度条件下，共熔物连续液滴破碎程度高于连续316SS液滴且低于连续铜滴。本课题针对无网格移动粒子半隐式法(MPS)进行了研究，并应用于不同形态熔融物-液态钠相互作用模拟研究。单个滴破碎的模拟结果表明碎片质量中间直径及最大直径均随着热力及水力工况的提高而减小。连续滴破碎的模拟表明当液滴时间间隔较短时，液滴之间会发生碰撞破碎。这些表明了MPS方法能够有效地对具有相变过程的复杂多相流动进行模拟。.本课题基于系统的热力和水力工况实验研究，定量分析热力和水力工况对不同形态熔融物FCI破碎的影响，对FCI机理及过程进行数值模拟，对各种熔融物的可冷却性，恶化堆芯的再淹没，再临界性评价等都具有重要的借鉴作用，这些研究也有利于安全堆芯设计和分析程序的开发，有利于社会对大功率快堆安全性的认识和信赖。