通过套管和叶片状栅格间隔件增强沸水反应堆（BWR）燃料组件中的液滴沉积效果

《Nuclear Engineering and Design》：Droplet deposition enhancement by ferrule and vaned grid spacers in BWR fuel assemblies

　　•燃料组件中的间隔物对液滴动力学的影响已经得到可视化。•间隔物改变了液滴在燃料表面的轴向分布。•已经应用了带有旋流叶片的套管式间隔物和网格式间隔物。•针对每种间隔物，都提出了液滴沉积增强的建模方法。

引言
自从商用核反应堆中的BWR燃料组件最初采用7×7排列的燃料棒以来，燃料棒的数量逐步增加，以提高燃耗并降低每个燃料棒的热功率。虽然全球普遍采用了11×11排列的燃料棒，但日本正在推进采用10×10排列的燃料棒作为目前使用的9×9排列的替代方案。间隔物是支撑BWR燃料组件中多个燃料棒的部件之一，其目的之一是通过在燃料棒通道中诱导湍流来增强热传递。在日本的一个核电站（NPP）中，为了提高临界热流（CHF），采用了套管式间隔物。而在其他国家，正在引入的10×10排列的燃料棒以及之前的11×11排列的燃料棒都采用了带叶片的网格式间隔物。

由于间隔物在燃料棒通道中的存在，从而影响冷却剂流动，从而增强了燃料棒表面的热传递性能的机制如下：当核反应堆进入异常过渡状态时，由于冷却剂质量增加，冷却剂流动模式变为环形分散流。由于通道中的间隔物扰乱了负责输送液滴的气相流动，因此动量较小的液滴更容易沉积在燃料棒表面。间隔物增强液滴沉积的能力取决于其结构类型，并影响燃料棒表面临界热流（CHF）的提高。Groeneveld和Yousef（1980年）总结了27项关于间隔物对燃料棒表面CHF影响的调查，这些调查涵盖了各种通道几何形状（如管形、环形、矩形、正方形格子和三角形格子），各种间隔物结构（包括网格式、套管式和带叶片的网格式），以及各种工作流体（如水和氟利昂），以及各种进出口边界条件（如流量、温度和压力）。这些研究显示，间隔物对CHF提高的影响幅度从几个百分点到80%不等。Kraemer等人（1995年）使用网格式、套管式和带叶片的网格式间隔物对BWR燃料组件进行了临界功率实验，结果显示套管式间隔物的效果比网格式间隔物高约10%，而带叶片的网格式间隔物的效果则高约16%。从上述情况可以看出，通常情况下套管式间隔物优于网格式间隔物，而带叶片的网格式间隔物又优于套管式间隔物。

如上所述，阐明燃料棒表面的液滴沉积如何提高CHF的机制非常重要。在本文中，重点关注由于核电站中冷却剂泵故障导致堆芯流量暂时降低而引起的燃料完整性受损的情况（如图1所示），并基于冷却剂流中的液滴来源，将这种影响定义为两种机制：一种称为“湍流促进效应”。当原本存在于环形分散流中的液滴穿过间隔物时，它们会被间隔物产生的气相湍流驱动向下游移动，从而更容易沉积在燃料棒表面。另一种称为“溢流效应”。间隔物结构表面形成的液膜会上升，被气相流携带，并从间隔物顶部脱落成为液滴，这些液滴是在间隔物引起的湍流过程中产生的，因此也更容易沉积在燃料棒表面。有研究致力于开发基于上述效应的分析代码（Ninokata等人，2000年）。在日本开发了一种名为“NASCA”的子通道分析代码，该代码实现了套管式间隔物在BWR燃料组件中通过湍流促进效应和溢流效应增强液滴沉积的建模。还有类似的研究（Naitoh等人，2002年；Adamsson和Le Corre，2008年；Chandraker等人，2015年）通过分析显示了套管式间隔物和网格式间隔物随距离间隔物变化的液滴沉积增强情况。此外，美国核管理委员会（USNRC，2024年）开发的系统分析代码“TRACE”包括一个功能，该功能计算加热壁上的热传递率（或努塞尔数），而不是间隔物引起的液滴沉积。Yao等人（1982年）使用网格式和带叶片的网格式间隔物进行了相关实验。还有其他类似的研究（Dhurandhar等人，2024年）通过分析展示了带叶片的网格式间隔物随距离间隔物变化的液滴沉积增强情况。上述研究都基于使用指数函数作为乘数来表示间隔物效应的现象学建模。

已经有许多研究致力于阐明间隔物如何增强燃料棒表面的液滴沉积机制。关于主要在日本9×9排列的BWR燃料组件中应用的套管式间隔物，日本的研究尤为突出，例如：Yano等人（2000年）通过模拟位于矩形通道中的间隔物的结构进行了实验，研究了水滴在气流中的速度分布，并比较了气相流经过间隔物后恢复的“漂移流效应”的测量结果和建模。此外，Yano等人（2001年）使用空气-水液滴在环形管道中模拟了环形间隔物的结构进行了实验，提出了“溢流效应”的模型，即间隔物表面形成的液膜在顶部破裂成液滴并沉积在下游燃料棒表面上。Okawa等人（2011年）采用带有相当于套管式间隔物的障碍物的垂直环形通道进行了实验，以开发和研究干涸沸腾两相流，并从实验结果中推导出液滴沉积率。Pham等人（2015年）使用光学系统同时测量了3×3排列流道中的液膜和液滴，比较了间隔物上下游的液膜厚度和液滴浓度差异。在连续的研究中，Kunugi（2018年）使用相同的光学系统进行了气液界面相关性的视觉观察，并分析了基于液波不稳定性和卷吸的液滴生成过程。

至于带叶片的网格式间隔物，它较早应用于PWR燃料组件中，通过增强冷却剂旋流来提高CHF（即脱离核沸点（DNB））。尽管有关这方面的研究很多，但具体的实验例子如下：Koszela（1998年）使用3×3排列的测试通道测量了冷却剂丧失事故（LOCA）期间再灌流过程中的加热棒表面热传递率，并评估了是否在网格式间隔物上附加旋流叶片对热传递增强效果的影响。Park等人（1998年）使用带有带叶片的网格式间隔物的5×5排列测试通道进行了CHF测试，发现在工作流体的过冷或气泡流状态下具有增强效果。Ikeda（2014年）使用激光多普勒测速（LDV）方法测量了带有带叶片的网格式间隔物的5×5排列测试通道的子通道间的横向流速，并发现由旋流叶片引起的横向流速与主流速度的垂直分量成正比。此外，还使用实验结果进行了CHF分析作为基准；结果表明，改变旋流叶片的几何形状可以改善DNB。Qu等人（2019年）使用粒子图像测速（PIV）观察了带有带叶片的网格式间隔物的5×5排列测试通道，测量了子通道间的横向流速，并评估了旋流叶片的效果。此外，还进行了CHF分析以再现实验中的现象。

在BWR燃料组件中，附着在间隔物上的叶片与PWR燃料组件中的叶片具有相同的作用，即增强对燃料棒表面的热传递。然而，带叶片的网格式间隔物对BWR中的两相流的影响与对PWR中的液相流的影响不同，预计可以增加燃料棒表面分散流中的液滴沉积率。Kawahara等人（2016年）使用模拟带叶片的网格式间隔物的垂直环形通道中的障碍物，测量了空气-水两相流中液滴的沉积率，并制定了旋流叶片对液滴沉积的增强效应。Satou等人（2019年）在带有障碍物的加热环形通道中进行了沸腾实验，模拟了套管式间隔物和带叶片的网格式间隔物，测量了沸腾后（BT）的CHF、热传递率和再湿润速度，并评估了每种间隔物的特性。

如上所述，已经获得了许多关于各种间隔物类型对其液滴沉积影响的发现。然而，描述这种行为的模型仅宏观地通过一个乘数来表示液滴浓度，该乘数仍然需要根据距离间隔物的距离呈指数衰减函数的形式进行现象学建模。对于新的BWR燃料设计及其安全评估，有必要基于潜在的物理现象开发一个基于机制的模型。在这项研究中，为了直接观察受间隔物影响的液滴动力学，并阐明“湍流促进效应”和“溢流效应”等机制，进行了两种类型的测量：一种在本文中称为“液滴动力学测量”。该测量使用激光作为背光的阴影成像方法的粒子跟踪测速（PTV）来观察间隔物下游的液滴行为，并测量每个液滴的直径和速度矢量。另一种在本文中称为“液滴沉积测量”。开发了一种高度集成的电极基板，用于检测间隔物下游的液滴在燃料棒表面的沉积位置，并测量液滴沉积的分布和频率。在我们之前的工作中（Okawa等人，2021年），对套管式间隔物和网格式间隔物进行了液滴动力学测量，包括无间隔物的参考情况，制定了液滴直径和速度之间的相关性，并阐明了每种间隔物的特性。我们当前的工作针对的是目前主要应用于日本BWR电厂的套管式间隔物以及将来将引入的带叶片的网格式间隔物（虽然其他国家已经在使用），进行液滴动力学测量和液滴沉积测量，并旨在根据实验结果提出每种间隔物类型的液滴沉积增强效应的数学模型。

实验部分
本章描述了本研究中的实验设备、测量方法和条件。实验在大气压和室温下进行，以水作为液滴相，空气作为气相流，以便可视化并直接观察液滴行为。

结果与讨论
首先，本章描述了非间隔物类型的实验结果，作为参考案例，用于理解不受间隔物影响的液滴行为。随后，介绍了带有套管式和带叶片的网格式间隔物的实验结果。最终，针对每种间隔物类型，讨论了用于提高液滴沉积效果的机械模型公式。结论：进行了一项实验，以评估间隔物对压水反应堆燃料棒通道中液滴行为以及液滴在燃料棒表面沉积的影响。所研究的间隔物包括一种套管型间隔物和一种带有混合叶片的网格型间隔物（即能够使冷却剂流动产生涡流的网格）。研究重点关注基于间隔物结构扰动导致的湍流促进效应，以及基于间隔物结构上液膜破裂的“溢出效应”。作为CRediT作者的贡献声明：冈川隆一郎：撰写原始草案、验证、软件开发、方法学设计、概念构思；古谷雅弘：方法学设计、概念构思；荒井隆宏：实验研究；飯山司：数据可视化与整理。利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢：本研究的部分工作是在日本核规制机构（NRA）的支持下完成的。作者感谢NRA的金子淳一博士、塚本直文博士和益原康弘先生的诸多建设性建议。同时感谢Techno Service有限公司的池田龙美先生、坂本勉先生和梶幸平先生在实验过程中提供的帮助。作者：冈川隆一郎、古谷雅弘、荒井隆宏、飯山司