熔盐和液态铅在内部热源作用下双流体反应堆中的耦合流动与传热特性

《Annals of Nuclear Energy》：Coupled flow and heat transfer characteristics of molten salt and liquid lead in the dual fluid reactor under internal heat source

　　

•针对DFR堆芯中的燃料盐和液态铅，建立了一种耦合CFD模型，考虑了内部热源。
•内部热源增强了浮力效应，导致与经典关联式的偏差。
•改进的摩擦系数和努塞尔数关联式引入了粘度比和热源修正项。
•改进的摩擦系数和努塞尔数关联式的最大预测误差分别为0.8%和3.82%。

引言

在第四代国际论坛（GIF）中，熔盐堆（MSR）因其独特的液态燃料设计而受到广泛关注。在第四代反应堆概念中，熔盐堆是唯一采用液态燃料的类型。与传统的固体燃料反应堆相比，它在固有安全性、经济性、核燃料资源利用和核不扩散方面具有潜在优势（Pioro和Rodriguez，2023）。双流体反应堆（DFR）被认为是一种有前途的先进反应堆概念。其设计基于燃料盐和冷却剂在物理上的分离。这种构型结合了熔盐堆和铅冷快堆的关键技术特征。基于初步概念设计研究（Wang，2017；Huke等，2015），DFR展现出在保持固有安全特性的同时实现高功率密度的潜力。仍需进一步研究其基本热工水力学行为，以支持工程设计。其系统结构示意图如图1所示（Wang，2017）。

图2展示了DFR堆芯结构示意。堆芯采用双回路设计，燃料盐和铅冷却剂在物理上相互分离（Wang，2017）。燃料盐经外部加热熔化后，由熔盐泵加压，进入盐的输运管道。它经横向管道流入堆芯下部分布区，然后进入外套管通道。液态铅从下方入口垂直向上流入分布区中的管道。在该区域，铅与熔盐之间进行初步热交换。两种流体随后进入堆芯主体区域。在堆芯中，燃料盐在管内流动，铅在管外流动。两种流体通过管壁进行热交换。离开堆芯后，两种流体在上部分布区重新分配（Huke等，2015）。燃料盐进入在线燃料处理系统进行裂变产物去除和燃料补充，然后返回堆芯。铅离开堆芯后将热量传递给三回路工作流体，冷却后返回堆芯冷端循环。堆芯周向布置了基于铅的反射体，以增强中子反射并提高中子经济性。它还提供辐射屏蔽并有助于硬化中子谱（Wang和Macian-Juan，2018）。回路的运行条件如表1所示。

堆芯采用了多种措施来防止和控制燃料盐泄漏，包括常压运行、通过包壳实现物理隔离，以及熔盐与铅之间的密度差导致的自然分层。参照橡树岭熔盐堆设计（Haubenreich和Engel，1970），实施了一种重力驱动的被动排空通道，使得在异常条件下燃料盐能够排放到具有独立冷却功能的次临界排空罐中，从而实现裂变产物的长期滞留。同时，该系统依靠足够的过热度、微量加热保温和衰变热来维持流体的可排空性。排空罐的冷却设计确保了固化过程的可控性以及衰变热量的安全移除（Huke等，2015）。

近年来，国际上对双流体快堆开展了大量研究，涵盖中子特性（He等，2019；Wang，2017；Daydas和Tiftikci，2026）、流动与传热优化（Wang等，2019；Liu等，2020；Elgendy和Czerski，2023）以及系统动态响应特性（Wang等，2021；Liu等，2021）。这些研究证明了DFR概念的临界可行性、热工水力性能和固有自稳定能力。尽管DFR概念的可行性已在不同尺度上得到验证，但其独特的双流体构型导致堆芯内存在强耦合的流动与传热过程，这仍然是系统设计的主要挑战。在堆芯中，燃料盐中产生的裂变热主要由铅冷却剂带走。同时，部分热量残留在熔盐中并由循环燃料盐带出堆芯。这导致了一个复杂的、空间上非均匀的耦合传热过程。此外，温度场的变化会引起工作流体热物性的变化。因此，流动阻力和传热性能不再遵循经典关联式，表现出由内部热源和温度依赖的热物性耦合作用所支配的显著非线性行为。然而，关于双流体系统中燃料盐与铅之间耦合流动与传热机制的研究仍然有限。因此，需要进行专门的研究以支持DFR系统的精细化设计和安全评估。

在无内部热源的熔盐对流传热方面，已开展了大量的实验和计算研究（Hoffman，1960；Cooke和Cox，1973；Silverman等，1976；Bin等，2009；Wu等，2012；Wu等，2015；Tian等，2024；Chen等，2016；Du等，2017；Srivastava，2026；Dong等，2025；Zhang等，2022）。早期研究主要集中在光滑圆形管道中的氟盐和硝酸盐系统（Hoffman，1960；Cooke和Cox，1973；Silverman等，1976）。对经典对流传热关联式，包括Dittus-Boelter（Bin等，2009；Wu等，2012）、Sieder-Tate（Cooke和Cox，1973；Silverman等，1976）和Gnielinski（Bin等，2009；Wu等，2015）关联式进行了评估。实验数据与理论预测之间通常获得良好的一致性（Hoffman，1960；Cooke和Cox，1973；Silverman等，1976；Bin等，2009；Wu等，2012；Wu等，2015）。随着进一步发展，通过实验和数值相结合的方法，对熔盐通道中的传热（Tian等，2024；Chen等，2016；Srivastava，2026）和换热设备（Du等，2017；Srivastava，2026；Dong等，2025）进行了研究。还提出了改进的关联式来考虑二次流效应（Tian等，2024）和几何因素的影响（Chen等，2016；Du等，2017）。这些研究为MSR的热设计提供了重要基础。

然而，在MSR运行条件下，裂变反应发生在堆芯内高温燃料盐中。因此，对流传热过程不可避免地涉及体积内部热源。针对这类传热问题也开展了相关研究。早期工作主要集中于理论建模和解析解。Poppendiek和Palmer（1955）提出了一种将壁面传热与内部热源叠加的解析方法。Sparrow和Siegel（1958）、Siegel和Sparrow（1959）以及Di Marcello等（2010）进一步开发了圆形管道中任意内部热源分布的解析解和通用框架。这些研究为努塞尔数的理论分析奠定了基础。

对于熔盐系统，Di Marcello等（2008）以及Fiorina等（2014，2019）的研究表明，体积内部热源会显著改变通道内的温度场结构和传热特性，因此经典经验关联式可能失效。峰值温度分布和系统安全裕度也可能受到影响。引入修正因子φ来表征内部热源效应，并将其表示为雷诺数和普朗特数的函数。在此基础上，Di Lecce等（2018）进一步提出了改进的努塞尔数关联式以考虑热源强度的影响。

此外，Park和Chung（2025a，2025b）以及Yang和Zou（2025a，2025b，2025c）的研究表明，体积内部热源可以增强温度分层并诱发出二次流结构。发展段层流区域内的速度和温度场也可能受到影响。影响程度由热源强度、浮力效应和边界条件共同决定。

尽管现有研究为熔盐流动与传热提供了有价值的见解，但仍存在若干局限性。首先，大多数现有研究集中在氟盐和硝酸盐系统上。相比之下，对氯化物熔盐的研究仍然有限，而氯化物熔盐是DFR的主要燃料。因此，经典传热关联式在氯化物盐系统中的适用性尚不明确。其次，大多数研究是在均匀壁面热流或均匀内部热源的假设下进行的。然而，DFR堆芯中的热源呈轴向余弦分布。这种分布与此前研究中通常采用的分布不同。在这种非均匀热源条件下，温度场分布和传热特性均可能受到影响。此外，大多数以前的研究假设了物性恒定的单相流，对变物性条件下燃料盐与铅之间的耦合流动和湍流传热研究仍然缺乏。

本研究对DFR堆芯单个代表性通道中氯化物燃料盐与铅冷却剂之间的耦合流动与传热进行了CFD研究。揭示了内部热源如何改变近壁面动量交换并加速主流流动的机理，分析了内部热源强度和轴向分布（均匀与余弦分布）对速度和温度场、摩擦系数及传热性能的影响。此外，通过引入粘度比和热源修正因子，建立了摩擦系数和平均努塞尔数的改进关联式。这些改进关联式为DFR堆芯热工水力设计和系统级分析代码提供了易于应用的工具，并可扩展到其他基于氯化物盐的MSR概念。

第2节介绍几何模型、控制方程、计算设置和材料物性。第3节展示模型与实验数据和经验关联式的对比验证。第4节讨论内部热源强度和轴向分布对燃料盐侧速度和温度场的影响，评估经典摩擦系数和努塞尔数关联式的适用性，并提出两者的改进关联式。最后，第5节总结了本研究的主要结论。

分节摘要

几何模型

本研究基于3 GW熔盐堆堆芯组件的单通道构型（Wang，2017）。堆芯活性区的径向截面构型如图3(a)所示。燃料管以密排等边三角形晶格排列。由内向外，通道依次由燃料盐区域、包壳区域和铅冷却剂区域组成。主要几何尺寸和热物性参数如表2所示。考虑到

网格无关性研究

为确保数值结果的可靠性，进行了网格无关性研究。在无内部热源条件下，选择了五个网格配置进行比较，单元数从1.76×10?到7.83×10?不等。选取燃料盐和铅的出口温度以及两侧的平均传热系数作为评估网格敏感性的指标。结果如表4所示。可以看出，

计算条件描述

在熔盐堆中，层流通常仅在瞬态运行条件下发生，如启动和停机阶段。在稳态条件下，燃料盐流动以湍流强制对流为主（Bettis和Robertson，1970；Hui和Chong，2026）。因此，本研究聚焦于湍流条件。燃料盐的雷诺数范围为5.4×10?至1.4×10?，铅的雷诺数范围为1.1×10?至2.7×10?。入口温度为

结论

本研究通过CFD模拟系统地研究了DFR堆芯通道中NaCl-UCl?燃料盐与铅冷却剂的稳态耦合流动与传热特性，重点考察了内部热生成、热物性变化和界面耦合的影响。

主要结论如下：(1) 内部热源显著改变了燃料盐侧的流场和热场，在径向上和轴向上呈现出明显的不同效应。

利益冲突声明：作者声明不存在任何已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢：作者感谢中国国家自然科学基金（批准号：12475183）提供的支持。

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