Vol. 55 ,No. 2
Feb. 2021
第55卷第2期2021年2月原子能科学技术
Atomic  Energy  Science  and  Technology 钠冷快堆六角形组件换热特性分析
师泰，张东「刘一酋
(中国原子能科学研究院，北京102413)
reactor technology 文章翻译摘要：钠冷快堆乏燃料组件在转运过程中，会暴露在传热性能较差的氮气环境中。为保证燃料组件温度
在转运过程中低于安全限值，本研究基于37棒燃料组件开展了在氮气环境下的实验研究及数值模拟计
算。研究结果表明：可采用等效导热法对组件内绕丝模型进行简化，简化模型能满足计算精度要求。将
计算结果与实验研究结果进行对比分析，结果表明数值模拟方法能较好模拟组件在氮气环境下的换热。 六角形燃料组件在氮气中的换热分析中，辐射换热具有重要的影响，实验工况下辐射换热占总换热量的
36%〜57%。
关键词：钠冷快堆；六角形组件；数值模拟；乏燃料
中图分类号:TL33 文献标志码：A  文章编号：1000-6931(2021)02-0211-08
doi ：10. 7538/yzk. 2020. youxian. 0149
Analysis  of  Heat  Transfer  Characteristic  of  Hexagonal  Assembly
in  Sodium-cooled  Fast  Reactor
SHI  Tai, ZHANG  Donghui *
* , LIU  Yizhe 收稿日期：2020-03-16；修回日期：2020-07-10
作者简介：师 泰(1988-)，男，山西榆次人，助理研究员，博士，核能科学与工程专业* 通彳言作者：张东辉,E-mail ： zhangdh@ ciae. ac. cn
(.China  Institute  of  Atomic  Energy  , Beijing  102413 , China)
Abstract : Spent  fuel  assemblies  of  the  sodium-cooled  fast  reactors  are  exposed  to  an
argon  atmosphere  with  poor  heat  transfer  performance  during  the  transfer  process. In
order  to  ensure  that  the  temperature  of  the  fuel  assembly  is  lower  than  the  safety  limit  value  during  the  transfer  process , the  experimental  research  and  numerical  simulation
calculation  were  carried  out  under  the  argon  atmosphere  based  on  the  37 rods  bundle  fuel
assembly  in  the  paper. The  research  results  show  that  the  equivalent  heat  conduction  method  can  be  used  to  simply  the  wire-wrapped  assembly, which  can  meet  the  calcula ­
tion  accuracy  requirements. The  calculation  results  were  compared  with  the  experimen ­
tal  research  results , which  proves  that  the  numerical  simulation  method  can  simulate  the  fuel  assembly  heat  transfer  well. In  the  heat  transfer  analysis  of  hexagonal  fuel  assembly
in  argon  atmosphere, the  radiative  heat  transfer  has  an  important  influence. Under  the
experimental  conditions, the  radiative  heat  transfer  accounts  for  36% to  57% of  the
total  heat  transfer.
Key wnrtls:sodii.iTn（'Ge:lecl hisL叶迫：匚知口iwxHgcnhl.f\S：5eiiibly:i）utj^rictil situu Jiiiun: spem lael
示范快堆是我国Lf1设计建楚阿-味池式衲冷決中f!＜血堆.反I.V：嫌眾用六用把鋼评作：为燃料•琥料在反应堆认彳j过禅屮屋泡亦牙燕性能校订旳液态伽荊中：胆按料过-E中金迪过换热件德較垄的価工空IH1.闵此-保；ll'.燃料组件伍胡气环境中安命I土是痣应址安伞设计旳巫史组成部卿「快堆燃料爼井初蛤释懸较k，—殷東川乏燃料汨泮装A申内捺存阱屮取47牛换料尚期的方式降低具糕变以功率，麼料卄炉不-爼17-由换料乐统提升到反应堆外部笊转国窣中■转运窣为毎辽环境：归討冋袒停在转运主nJ诜啓垃乩仲謔沿，萇至破损•爼忙破就：堆化会亍致放则性物质世人坏境"-、阖此*撕究熾料焙件在鼠"环境卜的换热特件■探汕反皿护换料丁魅中牛件的安全蔗捷屯要”
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*:“祺捌水平运输过稈快准幻了棹乏燃料爼讣的-快热持件U#*迂仃了低如热功率范需在不同/侑界厭中的捧邈试噓-待刊r红件山咅湍忌分弔吓拟件T体亍率豹验关系式'■■... A1yvkhin;i為:「、」心賣靑.劭个快堆乏曲；料il I.申i-的福1?桶的二维棧讯曲究环垃制卫娈化竟贮存桶H温庄■＞柑的韓响，汕冥表明外邨还境汩度妾化対贮打佃川温克介布尢明显蠢响•冋H4洱决了反向其嵌件热问琵.
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1实验简介
股实临模拟37梃紺件在包气坏境下的疫换、试验装总如至I斯不、试•验民悬4::：庄.'Qj 吝器中，迪过对试脸段汀卄谨h电卽热複拟纠件耐发熱，纶件卩勺布宜有热¥隅車过豔电偶测M組丹内的韶度分：轨从血辐到r fi在不同功率下的局邮温度分札压力容端釆用：段式诰计.竄弋容器来川贞空呆牯贞空心汽入紘r，忒弓压为般定隹（I二丄■■： V MP^为瀚址密蛊壁I订稳址旳源度边界杀（V，在压力牡帝外壁焊故有控制M注度冷即管路.圧山容髀内M为t）00min:5t j H'-卜-啟高度为40j mm.111段高度为I Mu mm+上直|昏度.为沁门mtn,.
倒-试验装青示盒樹
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213
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2•热电偶测点位置
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2计算程序贬模型
2. 1计算程序
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亲几诃体-八、
2.2关铤模型分析
IJ 自然循环能』估斤
热徙怏遞妁方成冇3种；;M 传导、热农流札
魏辆!H ，乏撚料在孟/1环時T 设有從制对流-
组件內部靠自然矿坯建立恍乩將件■由T 组件
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▽縊餐的模型简比
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此.〔:【6楚媒屮采用尢绕丝fr-'J 根刑，绕丝对纭 tt 内部导热IT7彩响关川等效亍热的方法分析■
X 绕將的等蝕导热方牯泮」划」贞实朗件豹汁并
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艾中如対蛙效壮热矗数凡月入分别为気违和
214原子能科学技术 第55卷
钢的导热系数，W/(m  • K)；4和A s 分别为氮
气和钢的等效面积，廿。氮气的导热系数为
0. 036 W/(m  • K)，计算得到等效导热系数为 0. 051 W/ (m  • K)。
3)辐射模型
S2S( surface-to-surface)辐射模型适用于
计算封闭系统中各反射面之间的辐射传热，并
且模型主要参数运行在计算迭代步数开始前预 处理完成，因此计算具有较高的效率，故本文选
择S2S 模型丄」。
对空间两个微元面而言，其辐射换热如
图5所示，由dSi 面发射被dS 2面吸收的辐射 总功率为：
2 = i\dSi  cos  /?! (dS 2 cos  血 /L?)
(4)
其中：P 为功率期为辐射强度,W/(m 2 - sr)； S 为面积;L 为特征长度；仔为空间角度。
图5微元面辐射换热
Fig. 5 Micro-element  radiative  heat  transfer
两微元面之间的辐射角系数可由下式计算
获得：
dFi  2 = Pl  2 /TTZq  dSj  (5)
其中，F 为角系数。当两个黑体表面在相同温 度场中达到热平衡时，其相应的辐射角系数应
满足如下关系式：
dF,:)dS ; = dFj ; dS, (6)
据此拓展到空间有限大两平面之间时，有:
2.3边界条件设置及计算工况
乏燃料组件在转运室的换热是一个自然对
流冷却的过程，由于自然循环能力较弱，因此忽 略对流的影响，组件主要通过导热和辐射散热，
计算为稳态计算。边界条件主要包括热源边
界、固体边界和外壁面边界。
1) 热源边界，乏燃料组件在出堆后组件功
率轴向分布可近似为恒定值，因此元件棒功率
采用体积功率的输入参数，对30根元件棒轴向 0. 2〜1 m 段赋予相同的体积功率。实验中加
热棒为30根元件棒，因此400、800和1 000 W
功率下体功率分别为5. 89 X  10\1. 18 X  106 .
1. 47 X  106 W/m 3。
2) 固体边界，乏燃料组件内部元件棒与氮
气和氮气与组件盒之间为接触界面边界条件。
固体导热系数依据指定的导热系数进行计算，
固体之间无接触热阻。辐射传输采用氫气内部
辐射传输。
3) 外壁面边界，外壁面边界条件主要包括
组件盒外壁和上下端面。该边界条件采用壁面 边界条件，由于实验过程中组件出现部分氧化
现象，组件盒外壁的发射率如图6所示，表面对 流换热系数均采用5 W/(m 2 - K)，环境温度为 常数50 °C O 上下端面对组件换热影响较小，故
采用绝热壁面边界条件。
图6归一化发射率分布
Fig. 6 Normalized  emissivity  distribution
F 2-
Fi  2
Trz'i  COS  血 cos
同理可知:
7TZ2 cos  血 COS 他/(TrLbdSi  dS 2
(7)
j 82/(7rL 2)dS-1dS 2
CFD 计算与实验的工况相同，计算输入参
数为：氮气导热系数，0. 051 W/(m  • K)；组件
盒和元件棒导热系数，16 W/(m  • K)；表面换
热系数，5 W/(m 2 • K)；环境温度，50 °C ；功率， 400,800. 1 000 W 。气体的等效导热率为 0. 051 W /(m  • K)。
(8)
第2期 师泰等：钠冷快堆六角形组件换热特性分析215
2.4网格划分及收敛性
多面体网格相对于四面体网格能在复杂几何
体及边界层、长通道或小间隙的区域可在较少的 控制体的基础上达到较高的精度。同时，由于多 面体网格有很多邻居单元，所以能精确计算控制 体的梯度。但多面体网格可能造成较大的计算量
和内存需求。由于组件尺寸跨度大、结构复杂，采
用多面体网格可提高计算精度。整体网格如图7
所示，网格质量列于表1。表1中.网格在拓扑上
有效.并且没有负体积，总网格数为5 035 336。
图7 37棒组件网格图
Fig. 7 37 rods  assembly  mesh
表1网格质量
Table  1 Mesh  quality
僧有效性最低值0 999 705 4面有效性最高值：1. 000
最小体变化值：o. 007 945 281
最大体变化值：1
面质量网格数量分比/%
体变化网格数量仃分比/%
]().5,(). 95]()0
[(). ()00 ()1 ,0. 01]
8(.)
[0.95,1]
2
[0. 01 ,0. 1]
381 257
7. 57
1
5 035 336
100[0. 1,1]
4 654 07392. 43
本文分别采用200万、400万、500万、900万
和2 200万网格进行了测试计算冲心棒600 mm
位置温度如图8所示。结果表明，500万网格与
2 200万网格对应的组件中心棒600 mm 位置温
度的相对误差为0. 29%，能满足要求，故采用
500万网格进行分析。
由于乏燃料组件仅考虑导热和辐射，组件盒
内氟气采用固体模型，计算收敛性主要参考能量
残差和局部温度恒定。图9示出计算迭代过程中
的残差和中心棒800 mm 处的温度随迭代步数的
变化，图中可看到迭代步数4 500步之后组件温度
基本不变.能量残差小于10 ♦故判断计算收敛。
图8网格数与测量值的关系
Fig. 8 Relationship  bet w een  number
of  grid  and  measured  value
IO -5
10_60
2 000 4 000迭代步数
6 000
糊猱*-
图9能量残差和温度随迭代步数的变化
Fig. 9 Variation  of  energy  residual  and  temperature  with  number  of  iteration
step

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