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钠冷快堆（Sodium Fast Reactor）中冷阱（Cold Trap）净化过程的建模研究
1. 研究作者与发表信息
本研究由以下作者合作完成：
- N. Khatcheressian（CEA Cadarache 和 Université de Toulouse 双机构参与）
- C. Latgé（法国原子能与替代能源委员会, CEA）
- X. Joulia（图卢兹大学-INPT-ENSIACET）
- T. Gilardi（CEA）
- X. Meyer（图卢兹大学）
研究发表于 2012年12月，收录于 《Computer Aided Chemical Engineering》 系列丛书，章节标题为 “Modelling of Cold Traps for Sodium Purification in Fast Reactor”，DOI编号为 10.1016/B978-0-444-59520-1.50065-8。
2. 学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于核反应堆工程与化学工程交叉领域，聚焦于钠冷快堆（SFR）冷却剂的杂质净化技术。
研究动机：
钠（Sodium）作为快堆冷却剂具有优异的导热性能，但运行中会积累氧（O₂）和氢（H₂）杂质，导致管道腐蚀或堵塞。传统净化系统（冷阱，Cold Trap）通过低温结晶去除杂质，但其设计依赖经验，缺乏对结晶动力学与流体耦合作用的量化模型。
研究目标：
- 建立钠氧化物（Na₂O）和钠氢化物（NaH）结晶过程的数学模型，预测杂质沉积位置（冷壁或金属丝网填料）。
- 通过耦合流体动力学、传热传质、结晶动力学，优化冷阱设计，延长其使用寿命（目标≥5年）。
3. 研究方法与流程
研究分为以下关键步骤：
（1）杂质溶解度与结晶动力学建模
- 溶解度模型：基于历史实验数据，采用Noden（1972）和Wittingham（1976）的公式计算氧和氢在钠中的溶解度（式1-2），温度范围分别为383–823 K（O₂）和383–673 K（H₂）。
- 结晶动力学方程（式3）：
引入成核（Nucleation）与生长（Growth）速率公式，参数包括活化能（Eₓ）、反应级数（nₓ）、比表面积（Aₓ）等。实验表明，Na₂O生长受O²⁻扩散控制，而NaH生长受H⁻晶格整合步骤限制。
（2）两种沉积行为的差异化建模
- 金属丝网填料沉积（Na₂O）：
- 将冷阱视为多孔介质，孔隙率（φ）随沉积动态变化。
- 质量守恒方程（式4-6）耦合结晶速率（sₚₓ）、氧浓度（c）与流体速度（u），并考虑有效扩散系数（Dₑ）。
- 冷壁沉积（NaH）：
- 沉积层为NaH与静态钠的混合物，孔隙率固定为0.5。
- 边界通量模型（式7-10）描述沉积厚度（eₙₐₕ）随时间/空间的演变，通过COMSOL Multiphysics®软件求解。
（3）数值模拟与验证
- 软件工具：采用COMSOL Multiphysics®进行有限元离散化，时间步长1小时，模拟时长10天。
- 关键输出：
- Na₂O沉积集中于金属丝网区域（图3），导致压降变化并影响流线分布。
- NaH沉积于冷壁（图4），厚度可达厘米级（图5），可能引发流体再循环。
4. 主要研究结果
沉积位置预测：
- Na₂O优先在金属丝网表面结晶（图3），其沉积质量分布与温度梯度强相关。
- NaH选择性地附着于冷壁（图4），沉积厚度随时间线性增长（图5）。
多物理场耦合效应：
- 沉积导致孔隙率降低，显著改变冷阱内的流体动力学行为（如局部流速、压降）。
- 通过动态更新孔隙率，模型可量化沉积对传热/传质的反馈影响。
设计优化指导：
- 模型揭示了杂质沉积与温度场、流场的关联性，为冷阱的几何结构（如填料布局、冷却区长度）提供理论依据。
5. 研究结论与价值
科学价值：
- 首次提出针对Na₂O与NaH结晶的差异化建模方法，明确了扩散控制与晶格整合控制的动力学差异。
- 通过多物理场耦合，揭示了冷阱内沉积-流动-传热的相互作用机制。
应用价值：
- 模型可用于新一代冷阱设计，延长净化系统寿命（如优化金属丝网布置或冷却策略）。
- 为钠冷快堆的安全运行与维护提供量化工具，减少因杂质积累导致的停机风险。
6. 研究亮点
- 方法创新：结合结晶动力学与计算流体力学（CFD），建立高保真冷阱模型。
- 实验支持：模型参数基于CEA历史实验数据（如Latgé, 1981; Saint-Martin, 1988），具有工程可信度。
- 工业合作：研究由阿尔斯通核电（Alstom Power Nuclear）支持，直接面向工程需求。
7. 其他补充
- 局限性：模型未考虑杂质颗粒的脱落或再悬浮现象，未来需进一步实验验证。
- 扩展方向：可结合机器学习优化参数，或开展全尺寸冷阱试验。
（报告总字数：约1800字）