研究亮点

　　Innovation

　　本文总结了近二十年来液态金属传热模型、堆芯、熔池和系统热工水力学的研究成果，讨论了在验证、确认和不确定度量化(UQ)领域取得的进展，并展望了未来几年的发展前景。

　　1 中文摘要

　　未来无碳核能生产将聚焦于快速反应堆，主要是使用液态金属作为冷却剂。本文总结了近20年来欧盟委员会在液态金属传热模型、燃料组件和堆芯热工水力学、水池和系统热工水力学、最佳实践指南的制定以及验证、确认和不确定量化(UQ)等领域发起的合作项目中所做的努力。介绍了这些领域的成就，并展望未来几年将在欧洲合作研究的主题。这些前景包括：进一步开发应用计算流体力学(CFD)的传热模型，进一步分析燃料组件堵塞对冷却剂流动和温度的影响，分析变形燃料组件中的热工水力效应，扩展三维池热水力CFD模型的验证，以及进一步开发和验证多尺度系统热工水力方法。

　　2 研究背景及意义

　　近期的重大研究都表明，为解决气候变化问题，核能必须继续在未来的无碳能源生产中发挥重要作用，因为核能的二氧化碳生命周期排放量是电力供应技术中最低的。尽管核能在总能源组合中的相对贡献可能会减少，但不断上升的全球能源需求要求增加核能生产的绝对值。

　　目前的铀储量可以供应全球核反应堆一个或两个世纪。这表明，提高核燃料循环的可持续性非常有必要，这可以通过将目前用于热中子谱的水冷反应堆的一次通过式燃料循环改为使用快谱反应堆的闭式燃料循环来实现。在世界各地的快堆设计中，液态金属冷却设计是最成熟的。事实上，自核能诞生以来，许多这样的反应堆已经投入运行。

　　在每个核反应堆中，堆芯冷却无论是在运行条件下还是在事故条件下都是至关重要的。因此，对这类反应堆进行热工水力评价是非常重要的。在这方面，实验和数值模拟必须齐头并进。

　　3 研究内容及主要结论

　　在欧洲，许多开发都是在欧盟委员会赞助的各种框架计划内的合作项目中进行的。欧盟委员会通过持续多年的框架计划促进协调的泛欧洲研究，在这些计划中，欧盟委员会的资金得到国家或机构/公司资金的补充。图1显示了与液态金属热工水力研究有关的过去和现在的欧洲合作项目。

图1 欧洲委员会赞助的液态金属(热工水力)相关项目

　　本文首先分析了液态金属传热建模的挑战：与最初开发传热模型的传统流体（如水和空气）相比，这些流体通常对传热的传导贡献大得多。这导致需要开发新的传热关联式以应用于粗略计算和系统热水力程序中，还需要开发新的用于 CFD 应用的湍流传热模型。图2概述了在发展湍流热传输模型时必须考虑的各个方面。

图2 湍流热传输模型

　　堆芯热工水力学的范围从单个子通道分析到整个堆芯及其旁路，包括包层间流动。图3总结了需要研究的各种主题。燃料组件热工液压领域可分为正常工况和非正常工况。随着燃料组件冷却分析的进展，对包层间流动的知识增加以及对其进行适当建模，最终形成了一个虚拟堆芯设计的演示练习，该设计灵感来自FFTF堆芯以及类似于Superphenix设计的子组件。

图3 燃料组件热工水力学概述

　　然后本文提出了设计过程中的一个关键问题：对液态金属冷却反应堆上、下气室中发生的热工水力现象的理解。设计过程中必须了解操作和意外条件下的对流模式、热混合和分层。因此，实验和模拟越来越多地以互补的方式开展。由于液态金属使精确的流量测量变得复杂，设计者通常从水作为液态金属的模拟流体开始。利用一系列实验设施建模方面获得的经验，已经开发出完整的CFD模型，并将其应用于全尺寸Alfred设计和MYRRHA反应堆设计，见图4。

图4 液态金属池热水力学CFD模拟从小规模实验走向大范围应用

　　对于任何类型反应堆的安全分析，描述整个反应堆系统行为的数值方法都是必不可少的。传统意义上来说，系统分析是用所谓的集总参数或系统代码进行的。它们可以分析整个反应堆冷却系统(一次、二次和/或能量转换回路)，还可以考虑堆芯中的中子学行为。系统代码的验证是十分重要的，近年来，液态金属冷却反应堆验证基地的开发一直是欧洲合作项目的重点。在所有情况下，实验和模拟都是并行和相互支持的，这对实现项目中设定的目标至关重要。

原文信息

Liquid metal thermal hydraulics R&D at European scale: achievements and prospects

Ferry ROELOFS*, Antoine GERSCHENFELD*, Katrien Van TICHELEN* 

　　Author information:

　　1.Nuclear Research and Consultancy Group (NRG), Westerduinweg 3, 1755 LE, Petten, The Netherlands

　　2.CEA DES, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France

　　3.SCK CEN, Boeretang 200, 2400 Mol, Belgium

　　Abstract: A significant role for a future nuclear carbon-free energy production is attributed to fast reactors, mostly employing a liquid metal as a coolant. This paper summarizes the efforts that have been undertaken in collaborative projects sponsored by the European Commission in the past 20 years in the fields of liquid-metal heat transfer modeling, fuel assembly and core thermal hydraulics, pool and system thermal hydraulics, and establishment of best practice guidelines and verification, validation, and uncertainty quantification (UQ). The achievements in these fields will be presented along with the prospects on topics which will be studied collaboratively in Europe in the years to come. These prospects include further development of heat transfer models for applied computational fluid dynamics (CFD), further analysis of the consequences of fuel assembly blockages on coolant flow and temperature, analysis of the thermal hydraulic effects in deformed fuel assemblies, extended validation of three-dimensional pool thermal hydraulic CFD models, and further development and validation of multi-scale system thermal hydraulic methods.

　　Keywords: liquid metal, thermal hydraulics, Europe

　　Cite this article: Ferry ROELOFS, Antoine GERSCHENFELD, Katrien Van TICHELEN. Liquid metal thermal hydraulics R&D at European scale: achievements and prospects. Front. Energy, 2021, 15(4): 842‒853 https://doi.org/10.1007/s11708-021-0743-2  

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