钠冷快堆紧凑式热交换器中氧化钠沉积的CFD建模研究

作者及机构
E. Tatli、J. P. Mazzoccoli 和 P. Ferroni 来自美国西屋电气有限责任公司（Westinghouse Electric Company LLC），地址位于宾夕法尼亚州克兰伯里镇。该研究未明确标注期刊名称，但文档末尾显示其可能为2015年8月30日至9月4日在芝加哥举办的NURETH-16会议（第十六届国际核反应堆热工水力会议）的参会论文。

研究背景
钠冷快堆（Sodium-cooled Fast Reactor, SFR）采用布雷顿循环（Brayton cycle）时，紧凑式热交换器（Compact Heat Exchangers, HXs）因其高功率密度和体积小巧的优势成为理想选择。然而，其狭窄的通道直径（2-6毫米）在事故工况下易因氧化钠（Na₂O）沉积导致堵塞。尽管钠冷却剂中的氧杂质水平可通过冷阱（Cold Traps）控制，但若冷阱失效且同时发生空气侵入钠边界的事故，冷却剂中的氧含量可能在热交换器低温区域超过饱和限值，引发Na₂O结晶并在冷却通道表面形成固体沉积物，最终限制或阻断冷却剂流动。

传统分析方法虽能预测沉积形成，但尚未融入适用于现代反应堆设计的高保真计算工具。因此，本研究在美国能源部（DOE）资助下，由西屋公司与阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory, ANL）合作，旨在开发基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的沉积预测模型，重点分析影响沉积的关键参数敏感性。

研究方法与流程
1. 研究框架
研究分为五个部分：
- 第1部分：引言，阐述研究动机与目标。
- 第2部分：背景，梳理Na₂O沉积的物理机制与现有模型。
- 第3部分：分析CFD建模的操作条件与参数设定。
- 第4部分：初步建模结果展示。
- 第5部分：结论与未来工作方向。

1. 实验设施与数据支撑
   阿贡国家实验室的钠堵塞现象实验回路（Sodium Plugging Phenomena Loop, SPPL）用于生成沉积数据以验证CFD模型。原始SPPL包含三组半圆形通道（直径2/4/6毫米），升级后仅保留三条6毫米通道。实验中通过向钠流添加Na₂O颗粒并降低测试段温度至氧溶解度以下，诱导沉积形成。

2. CFD建模方法

   • 软件与网格：采用ANSYS CFX v14.5.7构建二维模型，模拟6毫米半圆形通道（长240毫米入口段+6/12毫米冷却段+60毫米出口段）。网格由TrueGrid生成，六面体单元数达28万以上，近壁分辨率达0.01毫米。
     
   • 边界条件：入口设置均匀流速（对应雷诺数Re=100/1500），出口采用开放边界（允许回流），冷却壁面恒温150°C，其余壁面绝热。
     
   • 材料属性：
     
     • 钠的热物性（密度、粘度、导热系数、比热）取自温度依赖的数据库。
       
     • Na₂O的导热系数因缺乏直接数据，通过类比MgO行为外推（150-300°C时从6.5 W/m·K降至4.0 W/m·K）。
       
   • 沉积模型简化假设：初步阶段将沉积形成与局部温度直接关联（150-160°C为钠-Na₂O混合相，高于160°C仅液态钠），暂未引入氧浓度梯度驱动的质量传输方程。
     

3. 敏感性分析矩阵
   研究测试了三大参数的影响：

   • 雷诺数（Re=100/1500）：反映流速对沉积生长的冲刷效应。
     
   • 沉积物导热系数：对比“纯Na₂O”与含18%固体Na₂O的“有效”导热系数（后者高12倍）。
     
   • 冷却段长度（6毫米 vs 12毫米）：评估几何尺寸对沉积范围的调制作用。
     

主要结果
1. 参数敏感性发现
- 雷诺数效应：Re=1500时，高速流动增强对流换热，抑制沉积生长；Re=100时沉积显著扩展（图4/5）。
- 导热系数影响：高导热沉积（“有效”模型）更有效传导冷量，促使沉积向通道中心延伸（Case 7的12毫米冷却段完全堵塞）。
- 冷却段长度效应：低Re下，12毫米冷却段导致沉积范围倍增（图5对比图4）。

1. 典型案例（Case 5）深度分析
   
   • 湍流模型验证：对比SST k-ω模型与层流模型，结果显示沉积形状差异可忽略（图7/8），但实际流动因沉积障碍产生回流区（图10b）。
     
   • 温度场特征：钠的高导热性使冷却段上游区域出现预冷现象（图9）。
     
   • 流场结构：低速流（Re=100）仍因沉积几何突变形成回流涡（图10a/b），需湍流模型捕捉此类局部效应。
     

结论与科学价值
1. 核心结论
- 首次实现基于CFD的Na₂O沉积形状预测，明确了Re、沉积导热系数及冷却段长度的关键影响。
- 低Re（≈100）与长冷却段（12毫米）组合可导致通道完全堵塞，为事故响应时间评估提供量化依据。

1. 未来方向

   • 引入氧浓度方程与Sienicki第一性原理模型（First Principles Model），取代当前温度简化假设。
     
   • 改进多孔介质动量/能量/湍流源项模型（如Carman-Kozeny方程）。
     
   • 扩展至3D全回路建模、共轭传热分析及磁力效应模拟。
     

2. 应用价值

   • 为SFR紧凑式热交换器通道设计提供抗堵塞尺寸优化工具，确保事故工况下操作员有足够时间检测并隔离受影响HX。
     
   • 填补了Na₂O沉积高保真仿真工具的空白，推动核安全分析从经验模型向物理驱动CFD的转型。
     

研究亮点
1. 方法创新性
- 开创性将CFD与Na₂O沉积动力学耦合，克服了传统解析模型（如Sienicki一维线性模型）无法捕捉局部流热耦合效应的局限。
- 开发了基于金属氧化物导热类比的数据外推方法，为Na₂O热物性缺失问题提供临时解决方案。

1. 工程特殊性
   
   • 研究对象聚焦SFR-SCO₂系统中毫米级通道的微尺度堵塞现象，挑战了常规核热工水力工具的适用尺度。
     
   • 首次在CFD中引入钠-氧化物混合相变模型，为液态金属杂质沉积研究建立新范式。
     

本研究通过高分辨率CFD建模揭示了SFR紧凑式热交换器在事故工况下的沉积演化机制，其成果对第四代核能系统的安全设计具有直接指导意义，同时也为多相流-热-质耦合问题的数值方法发展提供了重要案例。