快堆钠池自由液面卷吸现象机理及其缓解措施研究

Gas entrainment phenomenon occurs at the free surface of the sodium pool in sodium-cooled fast reactors, the entrained bubbles might get into the reactor core and would have a negative effect on the reactor power control and the heat transfer ability. Therefore, it is in urgent need to conduct the research on the mechanism and the mitigation measures of gas entrainment in the development of sodium-cooled fast reactors. Aiming to satisfy the great research demand of safety technologies for the national demonstration sodium-cooled fast reactor, theoretical and experimental investigations will be performed for gas entrainment phenomenon at the free surface of sodium pool. Based on the moving particle semi-implicit (MPS) method, a numerical simulation method will be developed to simulate gas entrainment phenomenon in the sodium pool with a large scale plenum and complex structure. The experimental modeling methods and measuring technologies will be developed in the gas entrainment experiment, and the experiment data will be used to verify the effectiveness of the numerical method. The acting mechanisms, impact factors and influencing rules of gas entrainment will be studied in detail by numerical analysis and experimental research, and effective mitigation measures for gas entrainment at the free surface will be proposed. Besides, models will be established to assess the influence of gas entrainment on the system safety of sodium-cooled fast reactors. The project will provide a solid theoretical foundation and the database for the optimal design and safety analysis of pool-type sodium-cooled fast reactor system, which is of significance to enhance the safety of pool-type sodium-cooled fast reactors.

气体卷吸现象存在于具有自由液面的快堆钠池中，卷吸的气泡随冷却剂进入堆芯将对反应堆功率控制及热量传输能力产生不利影响，开展对其机理及缓解措施的研究是发展钠冷快堆亟待解决的难点问题之一。本项目面向国家发展钠冷示范快堆的重大需求，围绕快堆钠池自由液面卷吸现象开展基础理论与实验研究，基于移动粒子半隐式（MPS）方法，建立适用于钠池大尺度比、复杂腔室结构特点的自由液面卷吸数值模拟方法；研制实验模化方法和测量技术，开展自由液面卷吸实验并验证数值模拟结果；通过理论分析和实验研究，探明卷吸现象产生机理、影响因素及作用规律，在此基础上提出能够有效缓解自由液面卷吸的措施；综合相关研究结果，建立适用于分析卷吸现象对钠冷快堆系统安全影响的模型，评估卷吸气体对钠冷快堆系统安全特性的影响。本项目的实施可为我国钠冷快堆相关系统优化设计和安全分析提供重要的理论依据和数据支持，对提升我国钠冷快堆安全水平具有重要意义。

由于钠冷快堆冷却剂具有高热流密度的紧凑堆芯及较高的热工转化效率，其紧凑的结构设计会增大冷却剂流速进而提高将覆盖在液面处的氩气卷吸进液钠中的概率。这种快堆钠池自由液面卷吸现象会影响反应堆的安全运行，需要进行针对性的研究。我国对快堆钠池自由液面卷吸现象的研究还处于起步阶段，基础理论研究有待深入，也缺乏相关的实验数据支持。本项目面向国家大型钠冷快堆安全技术研发的需求，从原理、设计、实验、计算、安全分析等方面对快堆钠池自由液面卷吸现象进行了基础性研究。基于流体力学及实验研究基础设计并搭建了自由液面卷吸现象缩比实验台架，以去离子水代替液钠进行了卷吸机理实验，验证了液体回落式卷吸数值模拟模型的适用性和正确性，开展了大量实验工况对入口速度、出口速度和初始液位进行敏感性分析，明确了卷吸现象的发生规律，为建立钠池大尺寸跨度下自由液面卷吸现象数值模拟方法提供指导方向。针对热池内容易发生的自由液面液体回落式卷吸现象进行了数值模拟研究，获得了卷吸关键参数的定量关系，开发了一套对计算量要求较低的堆内液体回落式卷吸现象自由液面处最大速度的估算及卷吸发生情况判断方法，可用于钠冷快堆变负荷运行时回落式卷吸情况预测并为钠冷快堆设计提供参考。通过对钠堆热池的三维两相数值模拟，验证了水平环形挡板缓解措施的效果，提供了一种抑制自由液面卷吸现象的方法。对针对水堆开发并广泛应用于核动力系统安全评审的系统程序RELAP5进行了钠物性拓展改造，开发了适用于钠冷快堆的系统安全分析程序RELAP5-NA；通过IAEA的EBR-II基准题计算对程序进行了验证，并与RELAP5-3D结果进行对比，验证了本研究嵌入的气液两相钠物性的合理性，证明该分析程序可用于研究分析卷吸气泡对钠冷快堆系统的影响。通过本项目研究结果可对钠冷快堆自由液面卷吸现象的产生机理有了基本认识，根据发生规律提出了几种堆内卷吸情况预测方法并验证了水平环形挡板抑制效果，最后利用二次开发的RELAP5-NA程序分析卷吸气泡对钠冷快堆系统安全特性的影响，为钠冷快堆自由液面卷吸现象提供数据支持，为今后的相关钠冷快堆系统设计及运行提供参考。本项目执行期间发表SCI学术论文12篇，申请国家发明专利3项。