横摇条件下紧凑型花瓣形燃料棒束通道的自然循环特性

《Annals of Nuclear Energy》：Natural circulation characteristics of compact petal-shaped fuel rod bundle channel under rolling conditions

　　

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  分析了滚动运动下系统流量、驱动力和流动阻力之间的耦合振荡。
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  识别出由于重力投影和科里奥利力因滚动引起的变化而导致中心对称性的周期性破坏。
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  揭示了花瓣根部和花瓣尖端区域之间不同的局部传热特性。

引言

海上资源开采和远程海洋作业对大功率能源供应的需求不断增加，传统化石燃料已无法满足这一需求。随着小型模块化反应堆和海洋核动力技术的发展，海上浮动核反应堆（OFNRs）已成为未来海上能源供应和海洋资源开发的重要技术路线（Cheng等，2019）。OFNRs具有高功率密度、长运行寿命和可靠的连续供电能力。近年来，多个国家推动了与小型核反应堆和海洋核动力系统相关的研究和工程应用（Alam等，2019）。然而，OFNRs在复杂的海洋环境中运行，长期受波浪、洋流、风载荷和平台运动的影响。与陆地部署的反应堆不同，它们受到复杂的平台运动影响，包括倾斜、升沉、纵摇和横摇。这些动态条件改变了反应堆系统相对于重力的方向，并产生额外的惯性效应。因此，反应堆堆芯和一回路中的关键热工水力参数可能表现出周期性变化（Qi等，2019）。

在事故工况或全站失电工况下，被动安全能力对于反应堆安全至关重要。由于天然高安全性、相对简单的结构和良好的运行经济性，自然循环系统在OFNRs设计中得到了广泛采用（Sipeng等，2018）。然而，该系统由密度差驱动，而这一驱动力相对较小，因此更容易受到海洋环境的影响（Gong等，2015）。此外，浮动平台倾斜会改变加热段和冷却段之间的有效高度差，环路流量和温度场可能会发生变化。因此，应明确滚动运动下自然循环系统的热工水力特性。这对OFNRs的安全性分析、热设计和运行优化非常重要。

许多研究已对海洋运动条件下的反应堆热工水力行为进行了研究。Li等（2025）建立了小型一体化压水反应堆的计算模型，并提出了横摇条件下的振荡特性因子。结果表明，当角加速度增大时，热工水力参数的振荡加剧。Liu等（2024）对热管冷却熔盐反应堆进行了数值研究。研究发现，横摇运动改善了燃料温度分布的均匀性，同时整体系统稳定性也得以维持。Ren等（2023）研究了横摇条件下棒束通道的流动特性。结果表明，摩擦压降主要受附加压降的影响，径向二次流结构也随横摇强度的变化而变化。Yan等（2020）研究了海洋条件对OFNRs安全的影响。基于改进的RELAP5/MOD3.3程序开发了分析模型。结果表明，升沉运动加速了反应堆压力的下降，促进了余热排出。横摇运动导致冷却剂温度迅速下降，并在管道中引起流动振荡。Li等（2020）在RELAP5基础上建立了一体化压水反应堆堆芯的中子和热工水力耦合模型。在此基础上，他们研究了横摇运动下板型燃料通道的自然循环特性。结果表明，时变重力压降是导致流量波动的支配因素。此外，Li等（2014）提出了基于FLUENT和RELAP5的多尺度耦合方法，将一维系统行为和三维局部热工水力分布进行了耦合。这种方法为复杂反应堆系统的多尺度分析提供了一种有效途径。

随着OFNRs向小型化、一体化和高功率密度设计发展，先进燃料元件引起了越来越多的关注，它们对于提高堆芯紧凑性和热性能至关重要。近年来，提出了一种螺旋花瓣型燃料棒（HPSF），它结合了棒型燃料和板型燃料的优点。与传统圆柱形燃料棒相比，其特点是花瓣形截面和轴向自扭转的螺旋结构（Du等，2024）。由于这种特殊几何形状，它提供了更高的表面面积与体积之比，并减少了径向导热距离。因此，它可以有效地增加传热面积，降低表面热流密度，并降低燃料最高温度（Conboy和Hejzlar，2006；Conboy，2010）。此外，螺旋结构可以在棒束通道中诱导径向扫掠流和横向混合，从而增强流体扰动并改善对流换热。在自扭转过程中，相邻燃料棒的凸花瓣边缘可以形成周期性点接触，从而实现自支撑定位，避免使用支撑格架（Conboy等，2013）。这种结构有利于紧凑的燃料组件布置和堆芯功率密度的提高（Ageenkov等，2002；Malone等，2012），还可以降低高流量条件下格架磨损导致的燃料棒损坏风险（He等，2026b）。

现有的花瓣形燃料棒研究主要通过计算流体动力学（CFD）模拟来研究其热工水力行为、机械性能和中子特性。Zhao等（2022）使用数值方法研究了花瓣形燃料棒束通道的流动行为。据报告，螺旋棒几何形状在燃料棒周围产生了横向冷却剂运动，混合强度受局部间隙大小的影响并表现出周期性变化。Cong等（2023）进行了模拟并获得了棒束通道的局部流场。结果表明，子通道之间的横向混合主要是由叶片状结构引起的流动扫掠混合造成的，其强度与子通道位置和间隙大小密切相关。基于有限元方法建立了热-力学耦合模型，分析了燃料棒的辐照行为。结果表明，热蠕变导致棒体的径向变形，通过优化包壳结构和棒间距可以提高工程适用性。Qin等（2025）使用ABAQUS-STARCCM+建立了多物理场耦合模型，并研究了花瓣形燃料棒在热-流-固耦合下的响应。研究发现，辐照使最大Mises应力向外部凸弧区域转移。虽然自支撑接触区域可以限制燃料棒膨胀，但也会引起局部应力集中（Cai等，2025）。Du等（2025）基于OpenMC分析了凹凸比、水铀比和螺旋角对燃料棒中子特性的影响。四花瓣燃料棒比三花瓣燃料棒具有更高的共振吸收和增殖能力。

综上所述，螺旋花瓣型燃料棒在增强传热、提高堆芯紧凑性和增强功率密度方面具有巨大潜力。然而，现有研究主要集中在静态条件下棒束通道的热工水力特性、多物理场行为或中子性能。滚动力场下这种燃料棒束的自然循环特性尚未得到充分理解。本研究采用结合三维（3-D）CFD软件和一维（1-D）系统程序的多尺度数值模拟方法，构建了一个紧凑排列的七棒螺旋花瓣型燃料棒束通道的自然循环系统。本研究重点关注滚动条件下流量振荡行为、压降特性以及驱动压头与流动阻力之间的动态耦合机制。此外，还研究了滚动运动对棒束温度分布、温度对称性和传热特性的影响，以及螺旋花瓣几何形状、相邻棒之间的相互作用和通道壁约束对局部热工水力行为的影响。这些系统分析揭示了滚动诱导力场、系统全局自然循环响应和紧凑棒束局部传热特性之间的内在联系。这些结果可能为海上小型核反应堆的堆芯热设计、自然循环系统优化和安全评估提供理论支持。

分节摘要

数值方法

基于区域分解方法开发的自然循环系统配置如图1所示。环路被分为棒束通道、下连接段、上升管、热水平段、冷却器和下降管。这些段的长度和内径总结在表1中。棒束通道几何形状复杂，局部流动特性强，因此使用三维CFD程序STAR-CCM+进行模拟。管道和其他组件

结果与讨论

基于上述多尺度耦合模型，对滚动条件下紧凑排列的螺旋花瓣型燃料棒束通道自然循环系统进行了瞬态数值模拟。为了提供一致的比较基准，采用单一参考条件，如表5所示。初始稳态质量流量是在施加滚动运动之前从收敛的稳态计算中获得的。

结论

基于滚动条件下多尺度耦合模拟方法，研究了紧凑排列的螺旋花瓣型燃料棒束通道中单相自然循环系统。在本研究范围内，得出以下主要结论：

• 1)
  重力分量提供自然循环的主要驱动力。附加惯性力主要由滚动运动的切向分量决定。总驱动力

CRediT作者贡献声明

曹金义：数据整理、验证、可视化、撰写—初稿。孙建创：概念化、方法学、撰写—审查与编辑。李学龙：软件。张文超：方法学。王金辰：调查。蔡卫华：资金获取、监督、撰写—审查与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的竞争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工作的独立性。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：52306227）、江西省创新领军人才项目（项目编号：jxsq2023102132）和吉林省教育厅科研项目（项目编号：JJKH20261151KJ）的资助。

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