球床式高温气冷堆三维热工水力学程序的开发与应用

《Annals of Nuclear Energy》：Development and application of three-dimensional thermal–hydraulic code for pebble bed high-temperature gas-cooled reactor

　　

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  开发了一种三维热工水力程序用于球床高温气冷堆堆芯分析。
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  通过亚网格模型耦合了球级和 TRISO 颗粒级的温度。
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  利用 SANA 和 THERMIX 对比来评估所开发的程序。
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  局部功率不均匀性显著影响 HN-750 的温度分布。
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  PARDISO 求解器提高了压力场求解效率。

引言

球床高温气冷堆（HTGR）是第四代反应堆概念之一，使用球形燃料元件和氦气冷却剂（Zhang et al., 2019）。燃料球的随机堆积在堆芯形成复杂的流道，功率、冷却剂流量和固体温度的分布本质上是三维的。在非均匀功率或流量条件下，可能会出现局部高温区域，这需要在堆芯热安全分析中予以解决（Sun et al., 2021）。

在当前的工程设计和安全分析中，高温气冷堆最广泛使用的热工水力分析程序代表是德国开发的 THERMIX 和 TINTE。这些程序基于二维轴对称几何和多孔介质模型，为稳态和事故工况分析提供了良好的工程成熟度和数值稳定性，并已在 AVR、HTR-10 和 HTR-PM 等项目中得到验证（Cleveland and Greene, 1986）。在此基础上，清华大学核能与新技术研究所对德国程序进行了修改和扩展，重点关注高温气冷堆的多物理场耦合问题，并逐步发展了基于直接同时求解和 JFNK 方法的完全耦合分析框架（Fu et al., 2014）。然而，二维程序依赖于均质化和轴对称假设，这在解决由功率分布环向不均匀性、横向旁路流和复杂内部结构引起的三维效应时存在固有局限性。因此，它们预测局部热点和非对称运行工况的能力受到限制（Zhang et al., 2024）。

随着对高温气冷堆精细化安全分析需求的增加，国内外球床高温气冷堆的三维热工水力研究已逐步推进。一方面，基于 CFD 的精细化模拟用于分析旁路流、泄漏和局部流结构等问题，有效地捕捉了局部三维效应（Ximing, 2016）。然而，其高昂的计算成本使其难以满足工程多工况和快速瞬态分析的需求。另一方面，基于多孔介质模型的三维热工水力分析程序已相继开发，如德国 HCP 程序包中的 MGT-3D 系列（Tantillo et al., 2025）、ATTICA3D（Seubert et al., 2012）以及基于 MOOSE 平台开发的 Pronghorn（Novak et al., 2021）。虽然增强了物理描述能力，但这些程序也引入了更强的非线性耦合和更大的计算自由度，使得三维计算在稳态和瞬态分析中更容易面临收敛、稳定性和计算效率方面的挑战。最近，清华大学核能与新技术研究所（INET）开发了 DAYU3D 程序，一种用于 HTGR 设计和事故分析的现代三维热工水力分析软件（Zhang et al., 2026）。为了提高强耦合条件下的数值性能，Liu et al., (2023) 提出了基于 JFNK 和多层消除方法的非线性同时求解策略。现有研究主要关注三维程序物理模型和计算结果的验证。然而，在工程应用层面上，关于三维程序相对于成熟的二维程序在计算稳定性、收敛特性和效率优势方面的系统性对比评估仍然缺乏。

在本工作中，基于多孔介质方法开发了一种用于球床 HTGR 的三维热工水力程序。该程序以耦合方式求解氦气流场、固体温度场和燃料颗粒温度响应。引入亚网格模型来估计球级场和 TRISO 颗粒级之间的温度差。首先利用 SANA 实验数据对程序进行验证，然后使用 HTR-PM 模型与 THERMIX 进行对比。最后，将其应用于 HN-750 反应堆，分析环向功率不均匀性下的温度再分布，并评估压力求解器的计算性能。

章节摘要

三维多孔介质

考虑到多孔介质模型中存在流固混合物，三维多孔介质中固体相的导热方程需要根据孔隙率 $\epsilon$ 和导热系数进行修改，得出以下关系：$$(1-\epsilon ){\rho }_{s}C\frac{?T}{?t}=\mathrm{?}·({\lambda }_{\mathit{eff}}\mathrm{?}T)+q$$其中 $\epsilon$—孔隙率；${\rho }_s$—多孔介质密度 / kg·m^?3；C—多孔介质比热容 / J·kg^?1·K^?1；${\lambda }_{\mathit{eff}}$—有效导热系数 / W·m^?1·K^?1；$q$—功率密度 / W·m^?3。

在公式 (1) 中

模型验证

为验证所开发的三维程序的准确性和适用性，采用 SANA 实验基准和 HTR-PM 工程规模堆芯模型进行多级验证。

模块化球床高温气冷堆 HN-750 的三维热工水力分析

为评估所开发的工程规模堆芯三维热工水力程序的适用性，选择 HN-750 模块化球床高温气冷堆（HTGR）作为研究对象（Liu et al., 2026）。

结论与展望

本研究基于多孔介质方法开发了一种用于球床 HTGR 分析的三维热工水力程序。主要结论如下：

• 1.
  该程序耦合了氦气流场、固体温度场和亚网格燃料颗粒温度计算。TRISO 颗粒温度是利用基于局部球级热工水力条件的热源分解方法估计的。
• 2.
  针对 SANA 对称和不对称加热实验的验证

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

作者们衷心感谢中国华能集团技术支持项目提供的资金支持（资助号：HNKJ22-H07 HN-750）。

刘明|宋庆康|吴攀|李盛|刘伟|冯兴|吴钊|山建强