摘要

摘要

液态铅铋共晶合金（Lead-BismuthEutectic,LBE）因其熔沸点之间温差大、化

学性质稳定和自然循环能力强等特性常作为铅冷快堆的冷却剂。由于材料组成元

素可能会被液态LBE腐蚀，常向液态LBE中通入一定量的氧使材料表面形成保护

性的氧化物膜，但氧含量过高时可能导致铅合金自身被氧化为氧化物。氧化物随着

液态LBE一起流动，在堆芯迁移沉积，可能会造成通道堵塞，严重危害反应堆运

行安全。为此，本课题通过数值模拟方法，探究氧化铅颗粒在含有液态LBE的绕

丝燃料组件中的形成及溶解，分析颗粒物在通道内的沉积，以期得出氧化物的沉积

规律，明确氧化铅颗粒在绕丝燃料组件内的分布。

绕丝组件中的流场及温度场对氧化物颗粒的形成及溶解和沉积分布具有很大

影响。首先建立了带绕丝的七棒束燃料组件几何模型，采用不同的湍流模型及湍流

普朗特数模型Pr模拟了液态LBE在其内的流动换热过程，将模拟结果与实验数

t

据对比，选取SSTk-ω模型和Cheng湍流普朗特数模型作为本课题使用的模型。

然后，使用群体平衡模型（PopulationBalanceModel,PBM）计算了二维负温

度梯度流动管道中氧化铅颗粒的成核生长，验证了成核生长模型。接着，综合考虑

湍流流动的影响与颗粒溶解，分析了氧化铅颗粒在绕丝燃料组件内的形成及溶解。

研究结果表明：氧气浓度在中心通道会最先达到消耗与释放的转折点，生成颗粒的

粒径与占主导的小粒径颗粒数密度最小。增加雷诺数会使通道内液态LBE温度降

低，氧气消耗速率变小，氧气消耗与释放的转折点延后，颗粒质量与占主导的小粒

径颗粒数密度更大。增加热流密度会使颗粒形成与溶解的转折点提前，生成颗粒的

粒径、颗粒质量和占主导的小粒径颗粒数密度更小。

最后，基于研究颗粒形成及溶解得到的粒径范围，分析了雷诺数、绕丝螺距与

节径比对不同粒径的颗粒在绕丝通道内沉积的影响。结果表明：颗粒物在入口附近

沉积最多，沿着流动方向逐渐减小。增大雷诺数和节径比，会促进颗粒在壁面的沉

积，增大绕丝螺距，会抑制颗粒在壁面的沉积。加热棒壁面颗粒物单位面积沉积量

分布为：中心通道边通道角通道。绕丝壁面的颗粒单位面积沉积量最大，加热棒

壁面和六边形外壁面的单位面积沉积量相差不大。

关键词：液固两相流；铅铋合金；氧化物颗粒；绕丝燃料组件；颗粒沉积

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Abstract

Abstract

Liquidlead-bismutheutectic(LBE)isoftenusedasacoolantforlead-cooledfast

reactorsduetoitslargetemperaturedifferencebetweenmeltingandboilingpoints,stable

chemicalproperties,andstrongnaturalcirculationability.Duetothepotentialcorrosion

ofmaterialcomponentsbyLBE,acertainamountofoxygenisoftenintroducedintothe

LBEtoformaprotectiveoxidefilmonthesurfaceofthematerial.However,whenthe

oxygencontentistoohigh,itmayleadtotheoxidationoftheleaditselfintooxides.The

oxidesflowtogetherwiththeLBEandmigrateanddepositinthecore,whichmaycause

channelblockageandseriouslyendangerthesafetyofr