学术研究报告：钠冷快堆冷阱模型的钠基准测试研究

一、研究团队与发表信息
本研究的作者团队来自俄罗斯联邦国家科学中心——莱普恩斯基物理与动力工程研究所（State Science Center of the Russian Federation – Leipunskii Institute for Physics and Power Engineering, SSC RF – IPPE），包括V. V. Alekseev、F. A. Kozlov、A. P. Sorokin等多名研究人员。研究成果发表于期刊《Atomic Energy》（Vol. 122, No. 1, 2017年5月），原文为俄文，后译为英文。

二、学术背景与研究目标
本研究属于核反应堆工程领域，聚焦钠冷快堆（sodium-cooled fast reactor）冷却剂净化系统的关键部件——冷阱（cold trap）。冷阱的作用是通过低温沉淀去除钠冷却剂中的杂质（如氧化钠），以维持反应堆的安全运行。过去，针对BR-5、BN-600等快堆的冷阱设计已积累了一定经验，但在有限反应堆容器空间内优化冷阱的净化效率、杂质容量及能耗仍需进一步研究。

本研究的目标是通过实验验证冷阱模型的杂质质量传递（mass transfer）特性，修正模型常数，并为内置式冷阱的标准设计提供优化依据。研究需解决的核心问题包括：
1. 冷阱内氧化钠沉淀的分布规律；
2. 质量传递模型常数的实验修正；
3. 冷却剂流速对冷阱性能的影响。

三、研究流程与方法
1. 冷阱模型设计与实验装置
- 研究采用1:20比例的冷阱缩小模型，模拟标准气冷冷阱的工作条件。模型分为三个功能区域：
- 过滤区（filtration zone）：用于捕获大颗粒杂质；
- 终冷区（final cooling zone）：通过自发冷却使杂质沉淀；
- 冷却沉降槽（cooled settling tank）：收集沉淀的氧化钠。
- 模型工作腔体外部采用钠-钾合金（NaK melt）冷却，冷却剂通过环形间隙循环。
- 实验在Protva-1实验台上进行，配备电磁泵、加热系统及钠-钾合金回路（见图1、图2）。

1. 实验步骤与数据采集

   • 温度与氧浓度控制：通过主回路加热器和杂质分配器维持钠中氧浓度，使用堵塞指示器（plug indicator）监测氧含量。
     
   • 氧化钠沉淀积累：持续37天向钠回路中注入过氧化钠（Na₂O₂），总量达10.43 kg（对应16.58 kg氧化钠沉淀）。
     
   • 热流测量：冷阱侧壁沿高度分为20个区段，每段安装表面热电偶，通过热移除量间接测定沉淀层厚度。
     

2. 计算方法与软件工具

   • 采用TurboFlow计算代码和OpenFOAM软件包进行热工水力（thermohydraulic）与质量传递模拟。
     
   • 通过修正扩散系数、氧饱和浓度等参数优化模型常数（见表2），边界层厚度调整为0.01 m以匹配实验数据。
     

四、主要研究结果
1. 氧化钠沉淀分布特性
- 实验发现冷阱高度方向上存在两个局部沉淀峰值，分别对应终冷区的起始段和结束段（图4）。这一分布与冷却剂温度梯度直接相关。
- 沉淀层厚度通过热传导方程计算，公式为：
[
\delta_i = \frac{d_2}{2} \left{1 - \frac{1}{\exp\left[2\pi\lambda_1\left(\frac{\delta t_i}{q_i} - a_i\right)\right]}\right}
]
其中，(\lambda_1)为沉淀层导热系数（假设为30 W/(m·K)）。

1. 质量传递模型优化

   • 修正后的模型常数显示，氧扩散系数与温度的关系为(0.014\exp(-50500/RT))，饱和浓度公式调整为(106.194 - 2348.5/T)。
     
   • 计算表明，冷却剂入口流速为2.5 m/s时，冷阱的杂质截留效率最优（图5）。流速过高（如5 m/s）会导致沉淀效率下降。
     

2. 标准冷阱设计验证

   • 基于实验结果，推荐的内置式冷阱参数包括：
     
     • 工作腔直径620 mm，容积1750 L；
       
     • 钠入口流速1.8 m/s，温度250°C降至150°C；
       
     • 杂质容量达485 kg。
       

五、研究结论与价值
1. 科学价值
- 首次通过实验揭示了冷阱内氧化钠沉淀的双峰分布规律，为质量传递模型提供了关键数据支持。
- 修正的模型常数提高了计算精度（误差控制在10–15%），可用于未来快堆冷阱的优化设计。

1. 应用价值
   
   • 研究验证了内置式冷阱的标准参数（如流速、温度梯度）的合理性，为BN-1200等快堆的工程化设计提供了直接依据。
     
   • 提出的过滤区优化方向（如填充密度调整）可进一步提升冷阱杂质容量。
     

六、研究亮点
1. 创新方法：结合缩比模型实验与OpenFOAM仿真，实现了多尺度验证；
2. 关键发现：双峰沉淀分布揭示了冷阱内部热工-化学耦合机制；
3. 工程指导：明确了冷却剂流速对冷阱性能的非线性影响，避免设计误区。

七、其他要点
- 研究未涉及过滤附件（如不同填充密度）的详细分析，建议后续工作补充此方向；
- 实验数据与计算结果的误差主要源于温度测量精度，需改进热电偶布置方案。

参考文献
文中引用了团队此前在《Atomic Energy》等期刊的9篇相关研究，涵盖冷阱设计、钠净化技术及数值模拟方法（如文献[1][7][9]）。