多区域传质条件下铅基能源系统中多物理场腐蚀-沉积耦合特性

《Energy》：Multiphysics corrosion-deposition coupled characteristics in lead-based energy systems under multi-regions mass transfer conditions

　　

• •
  提出了一种多物理场腐蚀-沉积耦合分析方法。
• •
  分析了四肋燃料组件中的热工水力特性。
• •
  分析了腐蚀-沉积耦合特性的时空演化。
• •
  展示了铅基能源系统中沉积引起的双重效应。

引言

在全球碳中和背景下，核能因其稳定性和可靠性而受到越来越多的关注1, 2。面对能量转换效率日益增长的需求和灵活部署的要求，铅基能源系统是下一代核技术中最有前景的系统之一3, 4, 5。通常，液态铅或铅铋共晶合金（LBE）被用作冷却剂，其兼具低工作压力和高化学稳定性的特点^[6]。由于系统结构简单和快中子能量，铅基能源系统具有高功率密度、高安全性和长寿命的优点。此外，由于铅基冷却剂（LBC）的高热导率、优异的热膨胀性能和强自然循环能力，铅基能源系统在反应堆小型化方面具有广阔前景7, 8。燃料包壳（15-15Ti、T91等）在铅基能源系统的堆芯中容易受到LBC腐蚀，如果其减薄率超过安全限值，将对反应堆安全造成危害。包壳峰值温度也受到表面形成的氧化物和沉积层的影响^[9]。目前的研究发现，活性氧控制是管理铅基能源系统中腐蚀行为的有效方法。通过将LBC中的氧浓度维持在最佳范围内，该方法促进包壳表面形成稳定的氧化层以减轻腐蚀，同时防止冷却剂本身过度氧化而产生杂质^[10]。然而，由于堆芯内固有的非均匀多物理场环境和颗粒沉积，氧控条件下铅基能源系统中的燃料包壳性能仍然高度复杂。准确预测该行为不仅是氧控策略精确设计的关键前提，也是燃料包壳性能分析的重要基础^[11]。

以往的研究主要集中在腐蚀和沉积的各自特性上。然而，堆芯实际环境中腐蚀与沉积之间的相互作用机制尚未被讨论。实验研究表明，T91在液态LBE中的氧化腐蚀导致形成包含内层Fe-Cr尖晶石层和外层磁铁矿层的双层氧化膜12, 13。由于还原腐蚀和侵蚀作用，磁铁矿层在长期运行后容易在流动LBE中被去除14, 15。基于“可用空间模型”过程，Martinelli等人提出了双层氧化膜和单层氧化膜生长动力学的氧化腐蚀模型16, 17, 18。此外，氧质量传输在整个氧控过程中也起着重要作用。基于氧化铅（PbO）溶解和钢的氧化，Marino等人开发了LBE中氧质量传输的计算流体动力学（CFD）模型^[19]。堆芯中的颗粒沉积是铅基能源系统的另一个显著现象。通常，颗粒运动受多种机制控制，包括布朗扩散、阻力、重力、升力、热泳力和湍流扩散20, 21。颗粒沉积速率可通过经验模型估算^[22]。采用欧拉-拉格朗日方法，Marino等人研究了正常运行条件下反应堆主系统中腐蚀产物形成的氧化铁颗粒的生成和输运^[23]。基于连续性方程和动量方程，Guha开发了一种用于湍流沉积的统一的欧拉方法24, 25。主体铁浓度是计算传质控制腐蚀速率的关键变量。在以往的研究中，主体流中颗粒的输运未被考虑，主体铁浓度通常假设为零。该假设仅在欠饱和区域有效，在大多数条件下不再成立，特别是在过饱和区域。

就铅基能源系统的燃料组件而言，带肋燃料组件是最先进的燃料设计之一。带肋燃料组件与绕丝燃料组件以及螺旋燃料组件之间的热工水力特性差异需要进一步研究。带肋燃料组件中的腐蚀和沉积特性也不清楚。带肋燃料组件的热工水力特性受其几何构型的显著影响，其构型介于绕丝燃料组件和螺旋燃料组件之间。在我们先前的研究中，已经对绕丝紧密栅格组件和螺旋燃料组件中的流动混合和周向非均匀传热特性进行了实验和数值研究26, 27, 28, 29, 30。这些研究为本工作奠定了坚实的基础。

本研究探讨了沉积对燃料包壳性能和包壳峰值温度的影响。为此，开发了一种新型的多物理场腐蚀-沉积耦合分析（MCD）方法。质量传输计算区域从欠饱和区扩展到过饱和区。提出了材料腐蚀与沉积之间的相互作用机制。在多区域质量传输条件下，研究了19根四肋燃料组件中流动、传热和腐蚀-沉积特性的时空演化。结果表明沉积对燃料包壳腐蚀和包壳峰值温度具有双重效应。一方面，包壳减薄将减缓，长期运行期间包壳性能将更好。另一方面，包壳峰值温度将升高，瞬态安全性将恶化。此外，这些效应的程度更依赖于颗粒尺寸而非颗粒浓度。这些结果提供了一个可重复使用的MCD框架、沉积双重效应的定量数据，以及用于包壳性能评估、氧控设计和全堆芯尺度模拟验证的高空间分辨率基准结果。

章节片段

耦合方法

如图1所示，本节描述了MCD方法的耦合框架。具体而言，实施了基于CFD的热工水力模型。此外，开发了多区域质量传输模型和通用的腐蚀-沉积耦合分析模型。在热工水力模型中，基于CFD方法求解流体区域的流动和传热以及固体区域的热传导。界面温度和冷却剂速度被传输到

几何与网格生成

本研究分析了四肋燃料组件中的腐蚀和沉积特性。组件构型如图6a所示，19根燃料棒按三角形阵列布置。肋的构型如图6b所示，每根棒材以90°间隔缠绕4根肋。沿流动方向观察，每根肋围绕棒材逆时针缠绕。以入口肋构型为参考，沿正X方向的肋被指定为肋1，

流动特性

图8和图9分别给出了0度和45度组件横截面上的计算速度分布。由于外围区域流动面积较大，流动阻力较低，外围区域的轴向速度高于内部区域。由于肋的逆时针旋转，每根棒材周围近壁区域可观察到相同方向的周向流动。因此，内部间隙处的横向流动是双向的，具有高对称性。这是

结论

本研究基于CFD方法开发了一种多物理场腐蚀-沉积耦合分析（MCD）方法。分析了LFR四肋燃料组件中的热工水力与腐蚀-沉积耦合特性。论证了沉积对燃料包壳腐蚀和包壳峰值温度的双重效应。主要结论如下：

• (1)
  开发了一种MCD方法。建立了多区域质量传输模型和通用的腐蚀-沉积耦合模型。一个

CRediT作者贡献声明

丁冠群：软件。 郭辉：经费获取。 王硕：方法学，调查研究。 傅俊森：可视化。 陈立新：项目管理。 肖遥：写作—审阅与编辑，监督，方法学，调查研究，经费获取，概念化。 田晓燕：写作—审阅与编辑。 蒋新彪：监督。 顾汉洋：资源，项目管理。 孙玉波：写作—初稿，可视化，验证，软件，方法学，调查研究，正式

利益冲突声明

? 作者声明，他们已知的没有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

本工作得到< span id="gs1">国家自然科学基金（12322510，12275174 和 12505199）、上海市科学技术委员会（24DZ3100300）、能源科学未来基金会（WLNY-ZD-2022-002）以及中国核工业集团有限公司领创研究项目的资助

孙玉波|王硕|傅俊森|丁冠群|郭辉|田晓燕|蒋新彪|陈立新|肖遥|顾汉洋