球床反应堆燃料球填充床共轭传热研究的新途径

核燃料球填充体与冷却剂间的共轭传热机理是球床反应堆传热设计和安全性评估的基础，其研究具有重要的理论意义和应用背景。分析燃料球间的接触导热及其与冷却剂间对流换热的耦合则是认识球床内共轭传热机理和建立整床尺度传热模型的前提。本项目基于申请者前期进行的随机填充床单球尺度流动和传热分析方法的研究积累，进一步引入浸没边界方法（Immersed boundary method），通过对基于浸没边界方法的球床内多尺度共轭传热的分析方法的研究，结合模型球床的实验验证，建立适用于球床反应堆燃料球填充床的多尺度共轭传热研究的精确、快速分析方法和精确的宏观传热模型，旨在解决现有填充床传热模型精度差、填充球接触导热求解困难、球床局部传热求解计算方法复杂及运算量过大、对填充床内局部热点形成及传热分岔机制分析困难等问题，从而进一步完善球床共轭传热分析方法，为其工程应用奠定坚实的基础。

球床反应堆内部的共轭传热过程是一个涉及复杂几何通道内湍流流动及对流传热、含体热源的非定常热传导、固体表面及气体内部热辐射以及上述过程相互耦合的复杂的多尺度传热过程。对这个复杂过程的了解是球床反应堆的热力设计和安全性评估的基础。本课题建立了快速、精确的共轭传热数学模型，并应用该模型对典型球床的非稳态共轭传热特性进行了多尺度研究；另一方面，通过固定床化学链燃烧的化学反应模拟了球床核反应放热，对球床的共轭传热进行了实验研究；基于以上两方面研究结果，建立了简化的基于有效参数方法的球床传热模型。研究表明，在整床尺度，由于反应堆壁面附近空隙率分布于核心部位的巨大差异，球床的径向存在较大的温度不均匀性；在单球尺度上，由于球间流道内局部流动和对流传热的复杂性，燃料球表面存在较明显的温度不均匀性。基于数值模拟和化学反应模拟实验结果，发现考虑球床空隙率分布是修正有效参数模型的关键之一。