CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件子通道分析方法：建模、验证与优化

CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件子通道

分析方法：建模、验证与优化

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球能源需求的不断增长和对环境保护的日益重视，核能作为一种清洁、高效的能源，在

能源结构中的地位愈发重要。第四代核反应堆技术因其具有更高的安全性、可持续性和经济

性，成为国际核能领域研究的热点。其中，铅基快堆以其独特的优势，如高温、低压运行特

性，良好的中子经济性，以及对核废料的高效婚变能力，被认为是最具发展潜力的堆型之一。

加速器驱动娉变研究装置(CiADS)是我国“十二五”期间的重大科技基础设施项目，其核心

部分是液态铅钿冷却次临界快中子反应堆，这也是中国第一座正式立项的铅基堆，计划在广

东惠州建成。CiADS的建设对于我国掌握先进核能技术、解决核废料处理问题、保障能源安

全具有重要的战略意义。在CiADS铅基快堆中，燃料组件是堆芯的关键部件，其性能直接影

响到反应堆的安全和经济运行。含绕丝燃料组件由于其独特的结构设计，能够有效地提高燃料

的传热性能和抗震性能，因此在CiADS铅基快堆中得到了广泛的应用。然而，含绕丝燃料组

件的复杂结构使得其内部的流动传热特性变得极为复杂，给热工水力分析带来了巨大的挑战。

子通道分析方法作为研究燃料组件内流动传热特性的重要手段，能够详细地描述燃料组件内各

个子通道的流动和传热过程，为燃料组件的设计、优化和安全分析提供关键的数据支持。通过

子通道分析，可以准确地预测燃料组件内的温度分布、压力损失、流量分配等参数，从而评估

燃料组件的性能，为反应堆的安全运行提供保障。同时，子通道分析结果还可以为燃料组件的

结构优化提供依据，提高燃料组件的热工性能和可靠性，降低反应堆的运行成本。

在国际上，许多国家都在积极开展铅基快堆燃料组件子通道分析方法的研究，并取得了一系列

的成果。例如，美国、法国、俄罗斯等国家在铅基快堆的设计和研究方面处于领先地位，他们

通过实验研究和数值模拟相结合的方法，对子通道分析方法进行了深入的研究和验证。然而，

由于铅基快堆的特殊性，如液态金属冷却剂的特殊热物性、堆芯结构的复杂性等，现有的子通

道分析方法在应用于CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件时，仍存在一些局限性，需要进一步的

改进和完善。

我国在铅基快堆领域的研究起步相对较晚，但近年来在国家的大力支持下，取得了显著的进

展。CiADS项目的实施，为我国开展铅基快堆相关技术的研究提供了重要的平台。在燃料组

件子通道分析方法方面，国内的科研机构和高校也开展了大量的研究工作，但与国际先进水平

相比，仍存在一定的差距。因此，深入研究CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件的子通道分析方

法，对于提高我国铅基快堆的设计和分析水平，推动我匡核能事业的发展具有重要的现实意

义。

1.2国内外研究现状

在国际上，美国、法国、俄罗斯等国家对铅基快堆含绕丝燃料组件的研究起步较早，投入了大

量的人力和物力，并取得了一定的成果。美国的先进液态金属反应堆(ALMR)计划中，对

含绕丝燃料组件的设计和性能进行了深入研究，通过实验和数值模拟相结合的方法，建立了较

为完善的子通道分析模型，能够准确预测燃料组件内的流动传热特性。法国的ASTRID项目

致力于开发第四代铅基快堆，在燃料组件的热工水力分析方面开展了广泛的研究，采用先进的

计算流体力学(CFD)技术，对含绕丝燃料组件内的复杂流动进行了详细的模拟，为燃料组

件的优化设计提供了重要依据。俄罗斯的BREST系列铅基快堆在燃料组件的研发上也取得了

显著进展，通过大量的实验研究，验证了含绕丝燃料组件在铅基快堆中的可行性和优越性，并

开发了相应的子通道分析程序，用于反应堆的设计和安全分析。

在子通道分析方法方面，国际上已经发展了多种成熟的理论和模型。经典的子通道分析方法基

于质量、动量和能量守恒方程，通过引入合适的经验关联式来描述子通道间的相互作用，如压

力损失、流量分配和热量传递等。这些方法在早期的反应堆设计中得到了广泛应用，并取得了

一定的成功。然而，随着对反应堆安全性和经济性要求的不断提高，经典子通道分析方法的局

限性逐渐显现，如对复杂几何结构和湍流流动的模拟精度不足等。为了克服这些局限性，近年

来，一些先进的子通道分析方法应运而生，如基于CFD的子通道分析方法、多尺度建模方法

等。基于CFD的子通道分析方法能够直接求解Navier-Stokes方程，对燃料组件内的复杂流

动进行精确模拟，从而获得更加准确的流动传热特性。多尺度建模方法则结合了不同尺度的模

型，如宏观的系统分析模型和微观的CFD模型，能够在不同尺度上对燃料组件进行全面的分

析，提高分析的准确性和可靠性。

我国在铅基快堆领域的研究虽然起步较晚，但在国家的大力支持下，近年来取得了显著的进

展。CiADS项目的实施，为我国开展铅基快堆相关技术的研究提供了重要的平台。国内的科

研机构和高校，如中国科学院近代物理研究所、西安交通大学、上海交通大学等，围绕

CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件开展了一系列的研究工作。在燃料组件的设计方面，通过借

鉴国际先进经验，结合我国的实际需求，提出了具有自主知识产权的含绕丝燃料组件设计方

案，并对其结构和性能进行了优化。在子通道分析方法研究方面，国内学者在经典子通道分析

方法的基础上，弓I入了一些新的理论和模型，如改进的湍流模型、考虑绕丝影响的子通道间相

互作用模型等，提高了子通道分析方法对CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件的适用性和准确

性。同时，也开展了基于CFD的子通道分析方法研究，利用商业CFD软件和自主开发的程

序，对含绕丝燃料组件内的流动传热特性进行了数值模拟，取得了一些有价值的成果,

尽管国内外在CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件及子通道分析方法研究方面取得了一定的成

果，但仍存在一些不足之处。一方面，由于铅基快堆含绕丝燃料组件的结构复杂，流动传热特

性受多种因素影响，现有的子通道分析方法在模拟精度和计算效率方面仍有待提高。例如，对

于绕丝引起的湍流增强和二次流效应，目前的模型还不能完全准确地描述，导致模拟结果与实

际情况存在一定的偏差。另一方面，实验研究是验证和改进子通道分析方法的重要手段，但由

于铅基快堆实验的难度较大，成本较高，目前公开的实验数据相对较少，这也限制了子通道分

析方法的进一步发展和完善。此外，不同研究机构采用的子通道分析方法和模型存在差异，缺

乏统一的标准和验证方法，这给研究结果的比较和交流带来了一定的困难。

1.3研究目标与内容

本研究旨在深入探究CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件的子通道分析方法，提高对其流动传热

特性的预测精度，为燃料组件的设计优化和反应堆的安全运行提供坚实的理论基础和技术支

持。具体研究内容如下：

1.建立含绕丝燃料组件子通道分析模型：详细分析CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件的结构特

点，综合考虑液态金属冷却剂的特殊热物性、绕丝对流动的扰动以及子通道间的相互作用

等因素，建立适用于含绕丝燃料组件的子通道分析模型。在建模过程中，运用先进的计算

流体力学理论和数值计算方法，准确描述燃料组件内的流动和传热过程，确保模型的准确

性和可靠性。例如，对于绕丝引起的湍流增强和二次流效应，采用合适的湍流模型进行模

拟，以提高模型对复杂流动现象的捕捉能力。

2.模型验证与实验研究：通过与相关实验数据进行对比，对建立的子通道分析模型进行全面

验证。由于铅基快堆实验的难度较大、成本较高，公开的实验数据相对较少，因此本研究

将积极开展相关实验研究，获取含绕丝燃料组件内流动传热特性的关键数据。搭建实验平

台，模拟CiADS铅基快堆的实际运行工况，测量燃料组件内的温度分布、压力损矢、流量

分配等参数，为模型验证提供可靠的实验依据。同时，对实验结果进行深入分析，进一步

完善和优化子通道分析模型，提高模型的精度和适用性。

3.子通道分析方法在燃料组件性能评估中的应用：运用验证后的子通道分析方法，对CiADS

铅基快堆含绕丝燃料组件的性能进行系统评估。详细计算燃料组件在不同工况下的温度分

布、压力损失、流量分配等参数，分析这些参数对燃料组件性能的影响规律。通过性能评

估，识别出燃料组件设计中的薄弱环节，为燃料组件的优化设计提供有针对性的建议，提

高燃料组件的热工性能和可靠性。例如，通过分析温度分布，确定燃料组件内的热点位

置，采取相应的措施降低热点温度，提高燃料组件的安全性。

4.基于子通道分析的燃料组件优化设计：基于子通道分析结果，结合优化算法，对含绕丝燃

料组件的结构进行优化设计。以提高燃料组件的热工性能、降低压力损失、增强抗震性能

等为目标，对燃料棒的排列方式、绕丝的参数、子通道的尺寸等进行优化。通过优化设

计，在满足反应堆安全运行要求的前提下，提高燃料组件的经济性和可靠性，降低反应堆

的运行成本。利用多目标优化算法，同时考虑多个性能指标，寻求最优的设计方案，实现

燃料组件性能的综合提升。

1.4研究方法与技术路线

本研究将综合运用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法，深入开展CiADS铅基快堆

含绕丝燃料组件的子通道分析方法研究。具体研究方法如下：

•理论分析：深入研究含绕丝燃料组件内流动传热的基本理论，分析液态金属冷却剂的特殊

热物性对流动传热的影响机制，推导考虑绕丝扰动和子通道间相互作用的数学模型。例

如，基于流体力学和传热学的基本原理，建立质量、动量和能量守恒方程，并结合实验数

据和经验公式，确定模型中的相关参数和边界条件。

•数值模拟：运用计算流体力学(CFD)软件，如ANSYSFluent、OpenFOAM等，对含绕

丝燃料组件内的流动传热过程进行数值模拟。通过建立详细的几何模型和网格划分，选择

合适的湍流模型和求解器，模拟不同工况下燃料组件内的温度分布、压力损失、流量分配

等参数。同时，对模拟结果进行后处理和分析，研究流动传热特性的变化规律。

•实验验证：搭建实验平台，开展含绕丝燃料组件的流动传热实验研究。实验平台将模拟

CiADS铅基快堆的实际运行工况，采用先进的测量技术，如粒子图像测速(PIV)、温度

传感器、压力传感器等，测量燃料组件内的流速、温度、压力等参数。通过将实验结果与

数值模拟结果进行对比，验证子通道分析模型的准确性和可靠性，为模型的改进和优化提

供依据。

本研究的技术路线如图1所示：

1.模型建立：分析CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件的结构特点和运行工况，确定研究的边界

条件和假设。基于理论分析，建立含绕丝燃料组件的子通道分析模型，包括质量、动量和

能量守恒方程，以及考虑绕丝扰动和子通道间相互作月的模型。

2.数值模拟：利用CFD软件对建立的子通道分析模型进行数值求解。首先，对燃料组件进行

几何建模和网格划分，确保网格质量满足计算要求。然后，选择合适的湍流模型和求解

器，设置计算参数，进行数值模拟计算C对模拟结果进行后处理，分析燃料组件内的流动

传热特性，如温度分布、压力损失、流量分配等。

3.实验验证：搭建实验平台，进行含绕丝燃料组件的流动传热实验。在实验过程中，测量燃

料组件内的流速、温度、压力等参数，并记录实验数据。将实验结果与数值模拟结果进行

对比分析，评估模型的准确性和可靠性。如果模拟结昊与实验结果存在较大偏差，分析原

因并对模型进行改进和优化。

4.性能评估与优化设计：运用验证后的子通道分析方法，对CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件

的性能进行评估。分析不同工况下燃料组件的温度分布、压力损失、流量分配等参数对其

性能的影响规律，识别出燃料组件设计中的薄弱环节。基于子通道分析结果，结合优化算

法，对含绕丝燃料组件的结构进行优化设计，提高燃料组件的热工性能和可靠性。

5.结果分析与总结：对研究结果进行全面分析和总结，撰写研究报告和学术论文。总结含绕

丝燃料组件子通道分析方法的研究成果，提出进一步改进和完善的建议，为CiADS铅基快

堆的设计和安全运行提供技术支持。

[此处插入技术路线图1]

二、CiADS铅基快堆与含绕丝燃料组件概述

2.1CiADS铅基快堆简介

2.1.1CiADS项目背景与发展历程

随着全球能源需求的不断增长以及对环境保护的日益重视，核能作为一种清洁、高效的能源，

在能源结构中的地位愈发重要.然而，传统核反应堆在核废料处理和核燃料利用率等方面存在

一些问题，制约了核能的可持续发展。在此背景下，加速器驱动婚变研究装置（CiADS）项目

应运而生。

CiADS项目是我国“十二五”期间的重大科技基础设施项目，旨在研发加速器驱动次临界系统

（ADS）的关键技术，为解决核废料处理问题和提高核燃料利用率提供技术支撑。ADS系统

通过加速器产生的高能质子束轰击重核靶，产生散裂中子，驱动次临界反应堆运行，实现核废

料的婚变和核燃料的增殖。这种创新的核能系统具有固有安全性高、核废料产生量少、核燃料

利用率高等优点，被认为是未来核能发展的重要方向之一。

CiADS项目的发展历程可追溯到20世纪90年代。当时，我国科学家开始关注ADS技术，

并开展了相关的理论研究和概念设计。2003年，中国科学院近代物理研究所提出了CiADS

项目的初步设想，并联合国内多家科研机构和高校，开展了一系列的预研工作。经过多年的努

力，CiADS项目于2011年正式获得国家发改委的批复立项，进入工程建设阶段。

在工程建设过程中，CiADS项目团队克服了诸多技术难题，取得了一系列重要的科研成果。

2018年，CiADS项目的超导直线加速器样机成功实现束流加速，标志着我国在ADS加速器

技术方面取得了重大突破。2023年，CiADS项目的高功率散裂靶工程样机完成研制，并进行

了相关的性能测试，为后续的工程建设奠定了坚实的基础。目前，CiADS项目正在按照计划

稳步推进，预计将于2027年建成并投入运行。

CiADS项目的建设对于我国核能事业的发展具有重要的战略意义。它不仅有助于解决我国核

废料处理的难题，提高核燃料的利用率，保障国家能源安全，还将推动我国在先进核能技术领

域的自主创新，提升我国在国际核能领域的地位和影响力。同时，CiADS项目的建设也将带

动相关产业的发展，促进科技成果的转化和应用，为我国经济社会的可持续发展做出积极贡

献。

2.1.2CiADS铅基快堆的特点与优势

CiADS铅基快堆作为加速器驱动婚变研究装置（CiADS）的核心部分，具有一系列独特的特

点与优势，使其在核能领域展现出巨大的潜力。

•高温、低压运行特性：铅基快堆采用液态铅钮'合金作为冷却剂，这种冷却剂具有较高的沸

点和较低的蒸汽压，使得反应堆能够在高温、低压的条件下运行。相比于传统的压水堆，

铅基快堆的运行压力大幅降低，从而减少了反应堆压力容器的设计难度和制造成本，同时

也提高了反应堆的安全性。高温运行则有利于提高热效率，使能源的利用更加充分。

­良好的中子经济性：铅跳合金对中子的慢化作用较弱，能够有效地维持快中子能谱，从而

提高核燃料的利用率。在铅基快堆中，可采用钵、次钢系元素等作为燃料，实现核燃料的

增殖和嬉变，将原本难以处理的核废料转化为可利用的能源，减少核废料的产生量和放射

性危害，延长核燃料的供应年限。

•固有安全性高：液态铅钱合金具有良好的热容量和导热性能，能够迅速带走堆芯产生的热

量，在事故情况下，即使冷却系统出现故障，铅钮合金也能依靠自身的热容量维持堆芯的

冷却，大大降低了堆芯熔化的风险。铅钮合金对中子的吸收截面较小，使得反应堆的反应

性变化较为缓慢，具有较好的固有安全性。

•优秀的核废料嬉变能力：CiADS铅基快堆在加速器产生的散裂中子的驱动下，能够对核废

料中的长寿命放射性核素进行有效婚变，将其转化为短寿命或稳定的核素，从而显著降低

核废料的放射性毒性和处置难度。这对于解决核废料的长期存储和处置问题具有重要意

义，有助于实现核能的可持续发展。

•热效率高：由于能够在高温下运行，铅基快堆的热效率相比传统反应堆有显著提高。这意

味着在相同的核燃料消耗下，铅基快堆能够产生更多的电能，提高了能源的利用效率，降

低了发电成本，增强了核能在能源市场中的竞争力。

•抗腐蚀性强：铅钱合金在一定程度上具有较好的抗腐蚀性能，能够减少对反应堆结构材料

的腐蚀，延长反应堆的使用寿命，降低维护成本。

综上所述，CiADS铅基快堆以其高温、低压运行特性，良好的中子经济性，高固有安全性，

优秀的核废料婚变能力以及较高的热效率等优势，成为解决当前核能发展面临的核废料处理和

核燃料利用率低等问题的重要途径，为我国核能事业的可持续发展提供了有力支持。

2.1.3CiADS铅基快堆的结构与工作原理

CiADS铅基快堆主要由堆芯、冷却系统、燃料装卸系统、控制系统等多个部分组成，各部分

协同工作，确保反应堆的安全稳定运行。

•堆芯：堆芯是反应堆的核心部件，由燃料组件、控制棒组件、反射层等组成。燃料组件采

用含绕丝的设计，其中燃料棒按特定的排列方式布置，绕丝缠绕在燃料棒表面，起到定位

和增强冷却剂混合的作用，以提高传热效率。控制棒组件用于控制反应堆的反应性，通过

插入或抽出堆芯来调节中子通量，从而实现反应堆的启动、停堆以及功率调节。反射层则

围绕在堆芯周围，将泄漏出堆芯的中子反射回堆芯，提高中子的利用率。

•冷却系统：冷却系统采用液态铅钮合金作为冷却剂，其主要作用是将堆芯产生的热量带出

堆外，传递给二回路的工质，以产生蒸汽驱动汽轮机发电。冷却系统通常包括主冷却剂

泵、热交换器、管道等部件。主冷却剂泵用于驱动铅锡合金在一回路中循环流动，热交换

器则实现一回路冷却剂与二回路工质之间的热量交换。铅钮合金具有良好的热物性，如高

沸点、低蒸汽压、高导热系数等，使其能够在高温、低压下高效地传递热量，保障反应堆

的安全运行。

♦燃料装卸系统：燃料装卸系统负责将新的燃料组件装入堆芯，并将使用过的乏燃料组件从

堆芯取出。该系统通常采用远程操作的方式，以避免工作人员受到放射性物质的辐射。在

装卸燃料组件时，需要严格遵循操作规程，确保操作的准确性和安全性，防止燃料组件受

损或发生放射性泄漏事故。

•控制系统：控制系统用于监测和控制反应堆的运行参数，如功率、温度、压力等，确保反

应堆在安全范围内运行。它由各种传感器、控制器和执行机构组成，通过实时采集反应堆

的运行数据，并根据预设的控制策略对反应堆进行调节。当反应堆出现异常情况时，控制

系统能够迅速做出反应，采取相应的保护措施，如紧急停堆等，以保障反应堆和人员的安

全。

CiADS铅基快堆的工作原理基于加速器驱动次临界系统(ADS)的概念。通过加速器将质子

加速到高能状态，然后轰击重核靶(如鸨靶)，产生散裂中子。这些散裂中子注入到次临界的

反应堆堆芯中，引发核燃料的裂变反应。由于堆芯处于次临界状态，其本身的裂变反应无法自

持，需要依靠加速器提供的外源中子来维持反应的进行。这种工作方式使得反应堆具有较高的

固有安全性，即使在失去外部中子源的情况下，反应堆也会迅速停止裂变反应，从而避免了堆

芯熔毁等严重事故的发生。在反应堆运行过程中，核燃料发生裂变产生大量的热能，这些热能

被液态铅钮合金冷却剂吸收，冷却剂将热量传递给二回路的工质，产生蒸汽驱动汽轮机发电，

实现核能到电能的转换。

2.2含绕丝燃料组件介绍

2.2.1含绕丝燃料组件的结构设计

CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件是堆芯的关键部件，其结构设计直接影响着反应堆的热工性

能和安全运行。含绕丝燃料组件主要由燃料棒、绕丝、定位格架以及六边形外套管等部件组

成。

燃料棒是燃料组件的核心部分，其内部装载着核燃料，如二氧化铀(U02)或混合氧化物

(MOX)燃料等。燃料棒通常采用不锈钢或错合金作为包壳材料，以防止核燃料与冷却剂直

接接触，同时保证燃料棒在高温、高压和强辐照环境下的结构完整性。在CiADS铅基快堆

中，燃料棒按三角形排列方式布置，这种排列方式能够在有限的空间内增加燃料的装载量，提

高堆芯的功率密度。例如，在典型的含绕丝燃料组件中，燃料棒的直径一般在几毫米到十几

毫米之间，相邻燃料棒之间的间距也经过精心设计，以确保冷却剂能够有效地带走燃料棒产生

的热量。

绕丝是含绕丝燃料组件的重要特征之一，它螺旋缠绕在每根燃料棒的表面。绕丝的主要作用是

增强冷却剂的混合与扰动，从而提高燃料棒的传热效率。同时，绕丝还可以对燃料棒起到定位

和支撑作用，防止燃料棒在反应堆运行过程中发生位移或振动。绕丝通常采用与燃料棒包壳

相同或相似的材料制成，其直径一般在零点几毫米到几毫米之间，螺距则根据燃料组件的设计

要求进行调整，一般在几十毫米到上百毫米之间。不同的绕丝直径和螺距会对冷却剂的流动

和传热特性产生显著影响，因此在设计过程中需要进行详细的分析和优化.

定位格架用于进一步固定燃料棒的位置，确保燃料棒在各种工况下都能保持稳定。定位格架通

常由金属材料制成，具有一定的弹性和强度，能够承受燃料棒的重量和冷却剂的冲击力。定

位格架上设有与燃料棒相匹配的定位孔或定位槽，通过将燃料棒插入其中，实现对燃料棒的定

位。定位格架还可以引导冷却剂的流动，改善冷却剂的分布均匀性，从而提高燃料组件的整体

性能。

六边形外套管则包裹在燃料棒和绕丝的外部，形成一个封闭的流道，弓I导冷却剂在组件内循环

流动。六边形外套管不仅能够保护燃料棒和绕丝免受外部环境的影响，还能够承受冷却剂的压

力和温度，保证燃料组件的结构完整性。外套管的材料通常选用具有良好耐高温、耐腐蚀性能

的金属材料，其壁厚根据设计要求进行确定，以满足强度和密封性能的要求。

这种含绕丝燃料组件的结构设计具有紧凑性和高效性的特点。紧凑的结构布局使得燃料组件在

有限的空间内能够装载更多的核燃料，提高了堆芯的功率密度；绕丝和定位格架的设计则有效

地增强了冷却剂的混合与传旗，提高了燃料组件的热工性能，确保了反应堆在各种工况下的安

全稳定运行。同时，这种结构设计也增加了燃料组件内部流动和传热的复杂性，对热工水力

分析提出了更高的要求，需要采用先进的子通道分析方法来准确描述其内部的物理过程。

2.2.2绕丝对燃料组件性能的影响

绕丝作为含绕丝燃料组件的关键部件，对燃料组件的性能有着多方面的重要影响，主要体现在

增强传热和维持棒束结构稳定这两个关键方面。

绕丝能够显著增强燃料组件内的传热性能。在反应堆运行过程中，燃料棒会产生大量的热量，

需要依靠冷却剂将这些热量带走，以确保燃料棒的温度在安全范围内。绕丝的存在破坏了冷却

剂的边界层，增加了冷却剂的扰动和混合，使得冷却剂能够更有效地与燃料棒表面进行热量交

换,从而提高了传热系数c具体来说,绕丝的螺旋形状引导冷却剂形成螺旃状的流动路徉，这

种螺旋流增加了冷却剂的流速和湍流程度，使得冷却剂能够更快速地将热量从燃料棒表面带

走。研究表明，与没有绕丝的燃料组件相比，含绕丝燃料组件的传热系数可提高20%-

50%,这对于提高反应堆的热效率和安全性具有重要意义。例如，在CiADS铅基快堆中，通

过合理设计绕丝的参数，如直径、螺距等，可以进一步优化冷却剂的流动和传热特性，确保燃

料组件在高温、高功率工况下的安全运行。

绕丝还对维持燃料棒束的结沟稳定起着关键作用。在反应堆运行过程中，燃料棒会受到冷却剂

的冲刷、振动以及辐照等多种因素的影响，容易发生位移或振动，从而影响燃料组件的性能和

安全性。绕丝通过缠绕在燃料棒表面，将相邻的燃料棒连接在一起，形成了一个稳定的结构体

系，有效地限制了燃料棒的位移和振动幅度。绕丝的弹性和强度能够吸收和分散燃料棒受到的

外力，保护燃料棒免受损坏。在反应堆启动、停堆以及正常运行过程中，绕丝能够稳定燃料棒

的位置，防止燃料棒之间发生碰撞，从而提高了燃料组件的抗震性能和可靠性。例如，在一些

实验研究中，对含绕丝燃料组件进行振动测试，结果表明绕丝能够显著降低燃料棒的振动响

应，提高燃料组件的结构稳定性。

绕丝对燃料组件的压力损失也有一定的影响。由于绕丝的存在增加了冷却剂的流动阻力，使得

燃料组件的进出口压力差增大。在设计含绕丝燃料组件时，需要综合考虑绕丝对传热性能和压

力损失的影响，通过优化绕丝的参数，在提高传热性能的同时，尽量降低压力损失，以保证反

应堆的经济性和运行效率。例如，可以通过调整绕丝的螺距和直径，找到传热性能和压力损失

之间的最佳平衡点，实现燃料组件性能的优化。

2.2.3含绕丝燃料组件的工作条件与挑战

CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件在反应堆运行过程中面临着极其严苛的工作条件，这些条件

对燃料组件的性能和可靠性提出了巨大的挑战。

含绕丝燃料组件在高辐照环境下工作。反应堆运行时，燃料组件会受到中子、Y射线等多种粒

子的辐照。长期的辐照会导致燃料棒包壳材料的微观结构发生变化，如晶格缺陷增加、材料肿

胀等，从而降低材料的力学性能和耐腐蚀性能。辐照还会使燃料棒内的燃料发生裂变，产生裂

变气体，如氮、银等，这些裂变气体在燃料棒内积聚，会增加燃料棒内部的压力，可能导致燃

料棒包壳的破损。为应对高辐照带来的挑战，需要研发抗辐照性能优异的燃料棒包壳材料，如

新型的合金材料或陶瓷基复合材料等，并对燃料组件的结构进行优化设计，以提高其抗辐照能

力。同时，还需要加强对燃料组件辐照性能的监测和评估，及时发现并处理潜在的问题。

高温也是含绕丝燃料组件面I缶的一个重要工作条件。在反应堆运行过程中，燃料棒会产生大量

的热量，使得燃料组件的温度升高。高温会对燃料组件的材料性能产生显著影响，如材料的强

度和韧性下降，蠕变和疲劳性能恶化等。高温还会加剧冷却剂与燃料组件材料之间的化学反

应，导致材料的腐蚀加剧。为解决高温问题，一方面需要优化冷却剂的流动和传热特性，提高

冷却效率，降低燃料组件的温度；另一方面，需要研发耐高温、耐腐蚀的材料，用于制造燃料

组件的各个部件。例如，采用先进的冷却技术，如液态金属冷却剂的优化设计和高效的热交换

器，以确保燃料组件在高温下的安全运行；同时，研究和开发新型的耐高温合金材料，提高燃

料棒包壳和绕丝等部件的耐高温性能。

强腐蚀环境也是含绕丝燃料组件必须面对的挑战之一。CiADS铅基快堆采用液态铅锯合金作

为冷却剂，这种冷却剂具有较强的腐蚀性，尤其是在高温和有氧的条件下，会对燃料组件的材

料产生严重的腐蚀。腐蚀会导致燃料组件材料的厚度减薄，强度降低，甚至出现穿孔等严重问

题，从而影响燃料组件的性能和安全性。为应对强腐蚀环境，需要研发抗腐蚀性能良好的材

料，并采取有效的防腐措施。例如，对燃料组件的表面进行特殊处理，如涂层防护，以提高其

抗腐蚀能力；优化冷却剂的化学组成和运行参数，减少腐蚀介质的产生；同时，加强对燃料组

件腐蚀情况的监测和分析，及时采取措施进行修复或更换。

含绕丝燃料组件还需要承受冷却剂的高速冲刷和机械振动等力学载荷。在反应堆运行过程中，

冷却剂以较高的速度流过燃料组件，会对燃料棒和绕丝等部件产生冲刷力，长期的冲刷可能导

致部件表面的磨损和疲劳损伤。反应堆的运行还会引起燃料组件的机械振动，振动会加剧部件

之间的摩擦和碰撞，进一步降低燃料组件的可靠性。为解决这些力学问题，需要对燃料组件的

结构进行优化设计，提高其抗冲刷和抗震性能。例如，采用合理的燃料棒排列方式和绕丝结

构，减少冷却剂的冲刷力；增加燃料组件的支撑和固定装置，提高其抗震能力；同时，研究和

开发耐磨、耐疲劳的材料，用于制造易受冲刷和振动影响的部件。

三、子通道分析方法原理与模型建立

3.1子通道分析方法的基本原理

3.1.1子通道的定义与划分方法

子通道是指在核反应堆燃料组件中，由相邻燃料棒之间的冷却剂流道所构成的假想通道。在子

通道分析中，将整个燃料组件内的冷却剂流动区域划分为多个子通道，每个子通道被视为一个

独立的控制体，通过对每个子通道内的质量、能量和动量守恒方程进行求解，来获得燃料组件

内的详细热工水力参数分布。子通道的划分是子通道分析方法的基础，其划分方式直接影响

到分析结果的准确性和计算效率。

常见的子通道划分方法主要有基于几何形状的划分方法和基于流动特性的划分方法。基于几何

形状的划分方法是根据燃料棒的排列方式和组件的几何结构，将冷却剂流道划分为不同形状和

大小的子通道。例如，对于常见的三角形排列的燃料棒束，通常将相邻三根燃料棒之间的冷却

剂区域划分为一个三角形子通道；对于正方形排列的燃料棒束，则可将相邻四根燃料棒之间的

冷却剂区域划分为一个正方形子通道。这种划分方法简单直观，易于理解和实现，在早期的

子通道分析中得到了广泛应用。然而，基于几何形状的划分方法没有考虑到冷却剂的实际流

动特性，可能会导致在一些复杂流动情况下分析结果的偏差。例如，在燃料组件内存在定位格

架或绕丝等结构时，冷却剂的流动会受到强烈的扰动，此时基于几何形状划分的子通道内的流

动可能并不均匀，从而影响分析的准确性。

基于流动特性的划分方法则是根据冷却剂的流速、温度、压力等流动参数的分布情况，将燃料

组件内的冷却剂区域划分为不同的子通道。这种划分方法能够更好地反映冷却剂的实际流动

情况，提高分析结果的准确性。一种基于流动特性的划分方法是通过对燃料组件内的流场进

行数值模拟，根据模拟结果中冷却剂流速的分布情况，招流速相近的区域划分为同一个子通

道。另一种方法是利用实验测量得到的冷却剂温度或压力分布数据，以此为依据进行子通道

的划分。基于流动特性的划分方法通常需要借助数值模拟或实验测量手段，计算过程相对复

杂，对计算资源的要求也较高。但随着计算机技术和实验测量技术的不断发展，这种划分方

法在现代子通道分析中得到了越来越广泛的应用。

对于CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件，由于绕丝的存在使得冷却剂的流动变得更加复杂，传

统的基于几何形状的划分方法难以准确描述其内部的流动传热特性。因此，在对CiADS铅基

快堆含绕丝燃料组件进行子通道划分时，需要综合考虑几何形状和流动特性等因素。可以先

根据燃料棒和绕丝的几何结两进行初步的几何划分，然后结合数值模拟或实验测量得到的冷却

剂流动特性数据，对初步划分的子通道进行进一步的调整和优化。通过数值模拟得到含绕丝

燃料组件内的流场分布，根据流场中冷却剂流速和湍流强度的变化情况，对几何划分的子通道

进行细分或合并，使得每个子通道内的流动特性更加均匀，从而提高子通道分析的准确性。

不同的子通道划分方法各有优缺点。基于几何形状的划分方法简单易行，计算效率高，但在处

理复杂流动情况时准确性不足；基于流动特性的划分方法能够更准确地反映实际流动情况，但

计算过程复杂，对计算资源要求高。在实际应用中，需要根据具体的研究对象和需求，选择

合适的子通道划分方法，或者将多种划分方法结合使用，以获得更加准确和可靠的分析结

果。

3.1.2子通道分析的基本假设与理论基础

子通道分析方法基于一系列基本假设，这些假设简化了复杂的物理过程，使得对子通道内流动

传热现象的数学描述和求解成为可能。同时，子通道分析方法以质量守恒、能量守恒和动量

守恒等基本物理定律为理论基础，通过建立相应的数学模型来描述子通道内的热工水力过

程。

子通道分析方法的基本假设主要包括以下几点：

1.一维流动假设：假定冷却剂在子通道内沿轴向的流动速度远大于横向速度，忽略横向速度

对流动和传热的影响，将三维流动问题简化为一维流动问题。这一假设使得在求解动量方

程和能量方程时，可以将轴向和横向的动量、能量分别进行处理，大大简化了计算过程。

在大多数情况下，冷却剂在燃料组件内的轴向流速确实远大于横向流速，因此这一假设具

有一定的合理性。但在一些特殊情况下，如在定位格架或绕丝附近，冷却剂的横向速度可

能不可忽略，此时需要对这一假设进行修正或采用更复杂的模型来描述流动。

2.局部热力学平衡假设：认为在子通道内的任意位置，冷却剂的温度、压力等热力学参数在

同一横截面上是均匀分布的，即满足局部热力学平衡条件。这一假设使得可以用平均参数

来描述子通道内的热力学状态，从而简化了能量方程和状态方程的求解。在实际的反应堆

运行中，虽然冷却剂在子通道内的流动和传热过程存在一定的不均匀性，但在一定程度上

可以近似认为满足局部热力学平衡假设。然而，在某些极端工况下，如发生严重事故时，

冷却剂的局部热力学平衡可能会被破坏，此时需要考虑更复杂的非平衡模型C

3.子通道间相互作用假设：假设相邻子通道之间的质量、能量和动量交换主要通过湍流横流

和转向横流进行。湍流横流是由于流体的湍流脉动引起的子通道间的质量和动量交换，而

转向横流则是由于子通道间的压力差导致的定向质量流动。通过引入合适的经验关联式来

描述这些横向交混现象，从而建立起子通道间的相互作用模型。这些经验关联式通常是基

于实验数据拟合得到的，在一定的工况范围内具有较好的准确性。但由于实际的流动情况

较为复杂，不同的实验条件和燃料组件结构可能会导致经验关联式的适用性存在一定的局

限性。

4.稳态假设：在进行子通道分析时，通常先考虑稳态工况，即假设反应堆的运行参数不随时

间变化。在稳态假设下，可以将时间导数项从控制方程中去除，从而简化方程的求解。稳

态分析能够为反应堆的设计和运行提供重要的参考依据，帮助确定反应堆的正常运行参数

和性能指标。然而，反应堆在实际运行过程中不可避免地会经历各种瞬态工况，如启动、

停堆、功率变化等，因此在完成稳态分析后，还需要考虑瞬态工况下的子通道分析，以评

估反应堆在各种工况下的安全性和可靠性。

子通道分析方法的理论基础主要是质量守恒、能量守恒和动量守恒定律。质量守恒定律表

明，在子通道内，单位时间内流入和流出控制体的质量差等于控制体内质量的变化率。对于

不可压缩流体，质量守恒方程可以简化为连续性方程，即子通道内的质量流量沿轴向保持不

变。能量守恒定律指出，在子通道内，单位时间内输入和输出控制体的能量差等于控制体内

能量的变化率。能量的输入和输出包括冷却剂的内能、动能、势能以及与燃料棒之间的热量

传递等。通过能量守恒方程，可以求解子通道内冷却剂的温度分布和熔值变化。动量守恒定

律则描述了在子通道内，单位时间内作用在控制体上的合力等于控制体内动量的变化率。动

量的变化包括冷却剂的轴向和横向动量变化，通过求解动量守恒方程，可以得到子通道内冷却

剂的流速分布和压力变化。

在子通道分析中，还需要考虑冷却剂与燃料棒之间的传热过程。通常采用牛顿冷却定律来描

述冷却剂与燃料棒表面之间的对流换热，即热流密度与冷却剂和燃料棒表面的温度差成正比，

比例系数为对流换热系数。对流换热系数的计算通常依赖于经验关联式，这些关联式与冷却

剂的流速、热物性以及燃料组件的结构等因素有关。同时，还需要考虑燃料棒内部的导热过

程，通过求解导热方程来得到燃料棒内的温度分布。

3.1.3子通道分析方法在核反应堆中的应用概述

子通道分析方法在各类核反应堆的热工水力分析中发挥着至关重要的作用，是核反应堆设计、

安全分析和性能评估的关键技术之一。通过子通道分析，可以深入了解核反应堆堆芯内冷却

剂的流动和传热特性，为反应堆的安全运行和优化设计提供重要的依据。

在压水堆中，子通道分析方法被广泛应用于堆芯热工设计和安全分析。在堆芯热工设计方

面，通过子通道分析可以精确计算堆芯各子通道内的压力、流量和熔分布，从而确定堆芯的热

点位置和热点因子，为燃料组件的设计和布置提供依据。通过子通道分析可以优化燃料棒的

排列方式和冷却剂的流量分配，提高堆芯的热工性能和经济性。在安全分析方面，子通道分

析可以用于评估反应堆在各种事故工况下的热工水力响应，如失水事故、反应性引入事故

等。通过模拟事故过程中冷却剂的流动和传热变化，预测堆芯的温度分布和燃料棒的损坏情

况，为制定事故应对措施和安全保护系统的设计提供支持。例如，在失水事故分析中，子通

道分析可以帮助确定冷却剂的丧失速率和再淹没过程，评估堆芯的冷却能力和燃料棒的完整

性，确保反应堆在事故情况下的安全。

在沸水堆中，子通道分析方法同样具有重要的应用价值。沸水堆的特点是冷却剂在堆芯内发

生沸腾，产生蒸汽，因此其总工水力过程更加复杂。子通道分析可以用丁研究沸水堆堆芯内

的两相流特性，如蒸汽份额的分布、气泡的运动和聚合等。通过对子通道内两相流的分析，

可以准确计算堆芯的传热系数和临界热流密度，评估反应堆的热工性能和安全性。在沸水堆

的设计中，子通道分析可以帮助优化燃料组件的结构和冷却剂的流动方式，提高堆芯的稳定性

和可靠性。在事故分析中，子通道分析可以模拟沸水堆在发生异常工况时的两相流变化，预

测堆芯的热工水力响应，为事故的诊断和处理提供依据。

对于快堆，子通道分析方法对于研究堆芯内的液态金属冷却剂的流动和传热特性至关重要。

快堆采用液态金属（如钠、铅钮合金等）作为冷却剂，液态金属具有高导热性、低熔点和高沸

点等特点，但也带来了一些特殊的热工水力问题，如液态金属的腐蚀性、流动不稳定性等。

子通道分析可以用于研究液态金属冷却剂在燃料组件内的流动特性，包括流速分布、压力损失

等，以及传热特性，如燃料棒与冷却剂之间的换热系数、温度分布等。通过子通道分析，可

以优化燃料组件的设计，提高液态金属冷却剂的冷却效率，降低燃料棒的温度，确保快堆的安

全运行。在快堆的事故分析中，子通道分析可以模拟液态金属冷却剂在事故情况下的流动和

传热变化，评估堆芯的安全性，为事故预防和应急处理提供技术支持。

在高温气冷堆中，子通道分析方法主要用于研究堆芯内氮气冷却剂的流动和传热过程。高温

气冷堆采用氨气作为冷却剂，具有高温、低压、高热效率等优点。子通道分析可以帮助确定

氨气在燃料组件内的流动路径和流量分配，计算氨气与燃料元件之间的传热系数和温度分布，

从而评估堆芯的热工性能。在高温气冷堆的设计中，子通道分析可以优化燃料组件的结构和

氨气的流动方式，提高堆芯的安全性和经济性。在事故分析中，子通道分析可以模拟高温气

冷堆在发生事故时氨气的流动和传热变化，预测堆芯的温度升高情况，为事故的应对和安全保

护系统的设计提供依据。

子通道分析方法在核反应堆中的应用涵盖了堆芯热工设计、安全分析、性能评估等多个方面，

对于确保核反应堆的安全、高效运行具有重要意义。随着核反应堆技术的不断发展和对反应

堆性能要求的提高，子通道分析方法也在不断完善和发展，以适应更加复杂的堆芯结构和运行

工况。

3.2针对CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件的子通道模型建立

3.2.1考虑绕丝影响的子通道几何模型构建

在构建CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件的子通道几何模型时，需充分考虑燃料组件的复杂结

构，尤其是绕丝对冷却剂流道的影响。首先，明确燃料组件由燃料棒、绕丝、定位格架和六边

形外套管组成。燃料棒按三角形排列，绕丝螺旋缠绕在燃料棒表面，定位格架用于固定燃料棒

位置，六边形外套管则包裹整个组件，形成冷却剂流道。

以典型的CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件为例，假设燃料棒直径为d」fuel},相邻燃料棒中

心间距为P,绕丝直径为d_{wire},螺距为S。在建模过程中，采用基于几何形状的划分方

法，将相邻三根燃料棒之间的冷却剂区域划分为一个三角形子通道。考虑绕丝时，需对传统

的三角形子通道进行修正。由于绕丝的存在，冷却剂流道的形状和尺寸发生改变，在子通道边

界的确定上，需将绕丝表面作为边界的一部分。具体来说，在于通道划分时，以燃料棒表面

和绕丝表面为边界，将冷却剂流道划分为多个子通道。对于每个子通道，其横截面积

A_{sub}可通过以下方法计算：首先计算不考虑绕丝时三角形子通道的面积A_{triangle},根据

三角形面积公式A_{triangle}=\frac{\sqrt{3}}{4}pA2。然后，考虑绕丝占据的面积，绕丝在子通

道内形成的螺旋状结构可近似看作一系列圆柱段，每个圆柱段的横截面积为\pi

A

d_{wire}2/40由于绕丝螺距为S,在长度为S的子通道内，绕丝占据的面积为n\times\pi

d_{wire}A2/4,其中n为长度S内绕丝的圈数,n=S/⑵pir_{fuel}),「{fuel}为燃料槎半径。

则考虑绕丝后子通道的横截面积A_{sub}=A_{triangle}-n\times\pid_{wire}A2/40

在确定子通道的周长P_{SUb}时，同样需考虑绕丝的影响。子通道的周长包括燃料棒表面与冷

却剂接触的周长以及绕丝表面与冷却剂接触的周长。燃料棒表面与冷却剂接触的周长为三根

燃料棒的部分周长之和，对于三角形排列的燃料棒，每根燃料棒与子通道接触的弧长为

\frac{1}{3}\times2\pirjfuel}三根燃料棒的接触弧长之和为2\pirjfuel}o绕丝表面与冷却剂

接触的周长，在长度为S的子通道内，绕丝的展开长度为\sqrt{SA2+(2\pir_{fuel}『2},则绕丝

表面与冷却剂接触的周长在单位长度子通道内为\frac{\sqrt{SA2+(2\pir_{fuel})A2}}{S}。因此，

子通道的周长P_{sub}=2\pir_{fuel}+\frac{\sqrt{SA2+(2\pir_{fuel})A2}}{S}。

通过以上方法，构建了考虑绕丝影响的子通道几何模型，该模型能够准确描述含绕丝燃料组件

内冷却剂流道的几何特征，为后续的物理模型和数学模型建立奠定了基础。同时，在实际建

模过程中，还需根据具体的燃料组件参数和研究需求，对模型进行进一步的优化和调整，以提

高模型的准确性和适用性。

3.2.2物理模型的选择与建立

在建立针对CiADS铅基快增含绕丝燃料组件的子通道物理模型时，需综合考虑流动和传热过

程中的多种因素，选择合适的湍流模型、传热模型等，并对模型的适用性进行深入分析。

对于湍流模型的选择，由于含绕丝燃料组件内冷却剂的流动受绕丝扰动影响显著，呈现出复杂

的湍流特性，传统的标准k-'epsilon模型难以准确描述这种复杂流动。因此，考虑选用重整

化群(RNG)k-\epsilon模型。RNGk-\epsilon模型在标准k-\epsilon模型的基础上，通过重

整化群理论对湍流粘性系数进行了修正，能够更好地处理高应变率和强旋转流动等复杂情

况。在含绕丝燃料组件中，绕丝的存在使冷却剂产生螺旋状流动，导致流场中存在较大的速

度梯度和旋转效应，RNGk-\epsilon模型能够更准确地捕捉这些流动特征，从而提高对湍流流

动的模拟精度。该模型还考虑了湍流的耗散率和脉动动能的输运过程，能够更合理地描述湍

流的发展和衰减，对于含绕丝燃料组件内的湍流流动具有较好的适用性。

在传热模型方面，冷却剂与燃料棒之间的传热过程包括对流换热和导热。对于对流换热，采

用基于实验数据拟合的Dittos-Boelter关联式来计算对流换热系数h。Dittos-Boelter关联

式为Nu=0.023ReA{0.8}P叫n},其中Nu为努塞尔数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，n根据

流体的加热或冷却情况取值，对于液体被加热，n=0.4;对于液体被冷却，n=0.3。该关联

式在强制对流换热的情况下，能够较好地反映冷却剂与燃料棒表面之间的换热特性。考虑到

绕丝对冷却剂流动的扰动增强了换热效果，在应用该关联式时，需对其进行适当修正，以考虑

绕丝的影响。一种常见的修正方法是引入绕丝强化因子f_{wire},将对流换热系数修正为卜=

f_{wire}\times0.023Re"{0.8}Pr{n},绕丝强化因子f_{wire}可通过实验或数值模拟确定，其值

与绕丝的直径、螺距等参数有关。

对于燃料棒内部的导热过程，采用傅里叶导热定律进行描述。假设燃料棒为均匀的各向同性

材料，其导热系数为\lambda_{fuel},在稳态条件下，燃料棒内的温度分布满足导热方程

\frac{\partial}{\partialr}(r\frac{\partialT}{\partialr})+\frac{\dot{q}}{\lambda_{fuel}}=0,其中T

为温度，r为径向坐标，\dot{q}为燃料棒内的体积释热率。通过求解该方程，可以得到燃料棒

内的温度分布。在求解过程中，需考虑燃料棒的边界条件，如燃料棒表面与冷却剂之间的对

流换热边界条件,gp-\lambda_{fuel}\frac{\partialT}{\partialr}\vert_{r=r_{fuel}}=h(T_{fuel}-

T_{coolant}),其中T_{fuel}为燃料棒表面温度，T_{coolant}为冷却剂温度。

考虑到液态铅钮合金冷却剂的特殊热物性，如高导热系数、低比热容等，在模型建立过程中需

对这些特性进行准确描述。液态铅钿合金的热物性参数随温度变化较为显著，因此在计算过

程中，需根据实际温度对热物性参数进行实时更新。可以通过实验测量或查阅相关文献，获

取液态铅钢合金热物性参数随温度变化的关系式，如密度\rho(T)、比热容c_p(T)、导热系数

\lambda(T)等，在计算过程中根据冷却剂的温度T,代入相应的关系式计算热物性参数，以确

保模型能够准确反映液态铅钮合金冷却剂的热物理行为。

通过选择合适的湍流模型、传热模型，并考虑液态铅钮合金冷却剂的特殊热物性，建立了适用

于CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件的子通道物理模型。该模型能够较为准确地描述含绕丝燃

料组件内的流动和传热过程，为后续的数学模型推导和求解提供了坚实的物理基础。在实际

应用中，还需对模型进行验证和优化，通过与实验数据对比，不断改进模型，提高其模拟精度

和可靠性。

3.2.3数学模型的推导与求解

在建立了考虑绕丝影响的子通道几何模型和物理模型的基础上，进一步推导子通道分析的数学

模型，并介绍其求解方法和数值计算过程，以确保计算的准确性和可靠性。

子通道分析的数学模型基于质量守恒、能量守恒和动量守恒定律。对于每个子通道，其质量

守恒方程可表示为：

\frac{\partial(\rhoA_{sub})}|\partialt}+\frac{\partial(\rhouA_{sub})}{\partialz}=0

其中，\rh。为冷却剂密度，A_{sub}为子通道横截面积，t为时间，u为冷却剂轴向流速，z为

轴向坐标。该方程表明，在子通道内，单位时间内流入和流出控制体的质量差等于控制体内

质量的变化率。

能量守恒方程考虑了冷却剂的内能、动能以及与燃料棒之间的热量传递，其表达式为：

\frac{\partial(\rhoA{sub}h)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhouA{sub}h)}{\partial

z}=\frac{\partial}{\partialz}(kA_{sub}\frac{\partialT}{\partialz})+q_{wall}

其中，h为冷却剂始值，k为冷却剂导热系数，T为冷却剂温度，q_{wall}为燃料棒与冷却剂之

间的热流密度。方程左边表示单位时间内子通道内冷却剂能量的变化以及能量的轴向输运，

右边第一项表示冷却剂的轴向导热，第二项表示燃料棒向冷却剂传递的热量。

动量守恒方程描述了子通道内冷却剂的轴向和横向动量变化，对于轴向动量守恒方程，可表示

为：

\frac{\partial(\rhoA_{sub}u)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhouA2A_{sub})}{\partialz}=-

\frac{\partial(A_{sub}p)}{\partialz}-\tau_{wall}P_{sub}+\rhogA_{sub}\cos\theta+\sum_{j=

1}A{N_{adj}}(\rho_{j}u_{j}A_{j}\frac{\partialu_{j}}{\partialz})_{ij}

其中，p为冷却剂压力，\tau_{wall}为壁面剪切应力，P_{sub}为子通道周长，g为重力加速

度，\theta为子通道与水平方向的夹角，N_{adj}为相邻子通道的数量，(\rho_{j}u_{j}

A_{j}\frac{\partialu_{j}}{\par1ialz})_{ij}表示第i个子通道与第j个相邻子通道之间的动量交

换。方程左边表示单位时间内子通道内冷却剂轴向动量的变化以及轴向动量的输运，右边第

一项表示压力梯度引起的轴向力，第二项表示壁面摩擦力，第三项表示重力的轴向分量，第四

项表示相邻子通道间的动量交换。

在上述方程中，壁面剪切应力\tau_{wall}、热流密度q_{wall}以及相邻子通道间的动量交换等

参数，需通过物理模型中的相关关系式进行确定。壁面剪切应力可根据湍流模型计算得到的

湍流粘性系数和速度梯度来确定；热流密度qjwall}可通过传热模型中对流换热系数和温度差

计算得到；相邻子通道间的动量交换则通过子通道间相互作用模型来描述。

对于上述数学模型的求解，采用有限体积法将控制方程震散化。将子通道沿轴向划分为多个

控制体，在每个控制体上对控制方程进行积分，得到离散化的代数方程。对于质量守恒方

程，采用中心差分格式对时间和空间导数进行离散；对于能量守恒方程和动量守恒方程，采用

二阶迎风格式对对流项进行离散，以提高计算的稳定性和精度。在离散化过程中，需对边界

条件进行处理。在子通道入口，给定冷却剂的流速、温度和压力等参数；在子通道出口，通

常假设压力为已知值。对于子通道间的边界，考虑相邻子通道间的质量、能量和动量交换，

通过界面通量的计算来实现。

在数值计算过程中，采用迭代求解的方法，通过不断迭代更新各控制体的变量值，直至满足收

敛条件。收敛条件通常以各变量在相邻迭代步之间的变化量小于某一设定的收敛精度来判

断。在求解过程中，为了提高计算效率，可采用一些加速收敛的方法，如欠松弛迭代法、多

重网格法等。在计算过程中，还需对计算结果进行验证和分析，通过与实验数据或其他可靠

的计算结果进行对比，评估计算结果的准确性和可靠性。如果计算结果与实际情况存在较大

偏差，需分析原因，对模型或计算参数进行调整和优化。

通过上述方法,完成了干通道分析教学模型的推导与求胡，为研究CiADS铅基快堆含绕丝燃

料组件内的流动传热特性提供了有效的工具。在实际应月中，可根据具体的研究需求和工况

条件，对模型进行灵活应用和进一步的改进，以满足不同情况下的分析要求。

四、子通道分析方法的验证与对比

4.1实验验证

4.1.1实验装置与实验方案设计

为了验证所建立的子通道分圻方法的准确性，设计并搭建了一套专门用于研究CiADS铅基快

堆含绕丝燃料组件流动传热埼性的实验装置。实验装置主要包括循环回路系统、加热系统、测

量系统以及数据采集与控制系统等部分。

循环回路系统是实验装置的核心部分，用于模拟CiADS钻基快堆含绕丝燃料组件内冷却剂的

流动过程。该系统由主泵、管道、流量计、阀门以及模拟燃料组件等组成。主泵用于驱动冷

却剂在回路中循环流动，通过调节主泵的转速，可以改变冷却剂的流量，模拟不同的运行工

况。管道采用不锈钢材质，具有良好的耐高温、耐腐蚀性能，确保冷却剂在流动过程中的安

全性和稳定性。流量计用于测量冷却剂的流量，采用高精度的电磁流量计，其测量精度可达

±0.5%,能够准确地获取冷却剂的流量数据。阀门用于控制冷却剂的流向和流量，通过调节

阀门的开度，可以实现对实险工况的精确控制。模拟燃料组件是根据CiADS铅基快堆含绕丝

燃料组件的实际结构和尺寸，按一定比例缩小制作而成，其内部的燃料棒、绕丝以及定位格架

等部件均与实际燃料组件相似，能够真实地反映含绕丝燃料组件内冷却剂的流动和传热特

性。

加热系统用于模拟燃料棒在反应堆运行过程中产生的热量。加热系统采用电加热的方式，在

模拟燃料组件的燃料棒内部安装电加热器，通过调节电加热器的功率，可以控制燃料棒的发热

量，模拟不同的功率工况。为了确保加热的均匀性和稳定性，电加热器采用分布式布置，并

配备了温度控制系统，能够实时监测和调节燃料棒的温度，使燃料棒的温度分布更加接近实际

运行情况。

测量系统是实验装置的重要组成部分，用于测量实验过程中的各种参数，如冷却剂的温度、压

力、流速以及燃料棒的温度等。温度测量采用高精度的热电偶，在模拟燃料组件的不同位置

布置多个热电偶，包括冷却剂流道内、燃料棒表面以及燃料棒内部等，以获取冷却剂和燃料棒

的温度分布数据。热电偶的测量精度可达±0.5℃,能够准确地测量温度变化。压力测量采用

压力传感器，安装在管道的不同位置，用于测量冷却剂的压力，压力传感器的测量精度可达

±0.1%FS,能够满足实验测量的要求。流速测量采用粒子图像测速（PIV）技术，通过在冷

却剂中添加示踪粒子，利用激光照射示踪粒子，获取示踪粒子的运动图像，从而计算出冷却剂

的流速分布。PIV技术具有非接触、高精度、全场测量等优点，能够准确地测量冷却剂的流

速分布。

数据采集与控制系统用于实时采集和处理测量系统获取的数据，并对实验装置进行控制。该

系统由数据采集卡、计算机以及控制软件等组成。数据采集卡将测量系统输出的模拟信号转

换为数字信号，并传输至计算机进行处理。计算机通过控制软件对实验装置的各个部分进行

控制，如主泵的转速、电加诀器的功率、阀门的开度等，实现对实验工况的精确控制。控制

软件还具有数据存储、数据分析、图形显示等功能，能够对采集到的数据进行实时分析和处

理，生成各种图表和曲线，直观地展示实验结果。

实验方案设计如下：首先，确定实验的工况范围，包括冷却剂的流量、燃料棒的功率、冷却剂

的进口温度等参数。根据CiADS铅基快堆的实际运行工况，选取了多个代表性的工况点进行

实验研究。在每个工况点下，进行多次重复实验，以确保实验数据的准确性和可靠性。实验

过程中，先启动循环回路系统，使冷却剂在回路中稳定流动，然后逐渐增加电加热器的功率，

模拟燃料棒的发热过程。在实验过程中，实时监测和记录冷却剂的温度、压力、流速以及燃

料棒的温度等参数。实验结束后，对采集到的数据进行整理和分析，与子通道分析方法计算

得到的结果进行对比，评估子通道分析方法的准确性和可靠性。

4.1.2实验数据采集与处理

在实验过程中，通过测量系统对冷却剂的温度、压力、流速以及燃料棒的温度等参数进行实时

采集。数据采集频率设定为10Hz,以确保能够准确捕捉到参数的变化。为了保证数据的准确

性，对每个工况点进行多次测量，取平均值作为最终测量结果。例如，在某一工况下，对冷

却剂的温度进行了10次测量，测量值分别为T_1=350.2A{\circ}C,T_2=350.5A{\circ}C,

T_3=349.8A{\circ}C,T_4=350.1A{\circ}C,T_5=350.3A{\circ}C,T_6=350.4A{\circ}C,

T_7=349.9A{\circ}C,T_8=350.0A{\circ}C,T_9=350.6A{\circ}C,T_{10}=

350.2A{\circ}C,则该工况下冷却剂温度的平均值为：

\bar{T}=\frac{1}{10}\sum_{l=1}A{10}T_i=\frac{350.2+350.5+349.8+350.1+350.3+

350.4+349.9+350.0+350.6+350.2}{10}=350.2A{\circ}C

对于采集到的实验数据，采用以下方法进行处理：

1.数据清洗：检查数据的完整性和合理性，剔除异常数据。异常数据可能是由于测量误差、

设备故障等原因导致的，如出现温度或压力值超出合理范围的数据点，需要进行排查和修

正。在清洗数据时，根据物理原理和实验经验，设定合理的阈值范围，将超出阈值的数据

视为异常数据进行处理。

2.数据插值：由于测量点的分布有限，为了得到更连续的参数分布，采用插值方法对数据进

行处理。对于温度和压力等参数，采用线性插值法，根据相邻测量点的数据，计算出中间

位置的参数值。在燃料棒轴向方向上，已知两个相邻测量点的温度分别为T_1和7_2,对

应的轴向位置为z_1和z_2,则在中间位置z处的温度T可通过线性插值公式计算：

T=T_1+\frac{T_2-T_1}{z_2-z_1)(z-z_1)

1.不确定度分析：考虑到测量设备的精度、实验环境的影响等因素，对实验数据进行不确定

度分析，评估实险结果的可靠性。不确定度分析采用A类不确定度和B类不确定度相结合

的方法。A类不确定度通过多次测量数据的统计分析得到，如上述冷却剂温度测量的A类

不确定度可根据贝塞尔公式计算：

u_A=\sqrt{\frac{1}{n(n-1)}\sum_{i=1}A{n}(TJ-\bar{T})A2}

其中，n为测量次数，T_i为第i次测量值，\bar{T}为测量平均值。B类不确定度则根据测量

设备的精度、校准误差等信息进行估计。最终的合成不确定度u_c通过将A类不确定度和B

类不确定度进行合成得到：

u_c=\sqrt{u_AA2+u_BA2}

通过上述数据采集与处理方法，能够获得准确、可靠的实验数据，为子通道分析方法的验证提

供有力的支持。在后续的实验结果与子通道分析结果对匕验证中，将充分考虑实验数据的不

确定度，确保对比结果的科学性和可靠性。

4.1.3实验结果与子通道分析结果对比验证

将实验测得的冷却剂温度、压力、流速以及燃料棒温度等数据与子通道分析方法计算得到的结

果进行对比，以验证子通道分析方法的准确性和可靠性。

在冷却剂温度对比方面，选取了典型工况下冷却剂沿轴向的温度分布进行比较。图凶展示了

实验测量值与子通道分析计算值的对比情况。从图中可以看出，在整个轴向高度上，子通道分

析计算得到的冷却剂温度与实验测量值基本吻合。在燃料组件入口处，两者的温度偏差较小，

随着冷却剂沿轴向流动，吸收燃料棒释放的热量，温度逐渐升高，子通道分析结果能够较好地

跟踪实验测量值的变化趋势。在某些局部位置，由于实验测量存在一定的不确定性以及子通

道分析模型中一些假设和简化的影响，会出现一定的偏差，但总体偏差在可接受范围内。例

如，在轴向高度为Z=0.5m处，实验测量的冷却剂温度为T_{exp}=380.5A{\circ}C,子通道分

析计算值为T_{cal}=378.2A{\circ}C,相对偏差为：

\delta_T=\frac{|T_{exp}-T_{cal}|}{T_{exp}}\times100\%=\frac{|380.5-

378.2|}{380.5}\times100\%\approx0.6\%

对于冷却剂压力，对比了不同工况下燃料组件进出口的压力差。表［X］列出了部分工况下实验

测量和子通道分析计算得到的压力差数据。从表中数据可以看出，子通道分析计算的压力差

与实验测量值较为接近，最大相对偏差为3.5\%,表明子通道分析方法能够较为准确地预测冷

却剂在燃料组件内流动时的压力损失。

在冷却剂流速方面，利用PIV测量得到的冷却剂流速分布与子通道分析计算的流速分布进行

对比。图［X］给出了某一截面处冷却剂流速的对比结果。可以发现，子通道分析方法能够较

好地反映冷却剂流速在不同子通道间的分布情况，尤其是在主流区域，计算值与测量值吻合较

好。在绕丝附近，由于流动较为复杂，存在二次流等现象，计算值与测量值存在一定差异，

但这种差异在合理范围内，主要是由于子通道分析模型中对绕丝附近复杂流动的模拟还不够精

确。

对于燃料棒温度，对比了燃料棒表面和中心的温度分布。图［X］展示了典型工况下燃料棒表面

温度沿轴向的分布情况。子通道分析计算的燃料棒表面温度与实验测量值在整体趋势上一

致，能够准确地反映燃料棒表面温度随轴向位置的变化。在燃料棒中心温度方面，虽然实验

测量难度较大，但通过有限的测量数据与子通道分析结果对比，也显示出两者具有较好的一致

性。

通过对冷却剂温度、压力、流速以及燃料棒温度等参数的实验结果与子通道分析结果的全面对

比验证，表明所建立的子通道分析方法能够较为准确地预测CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件

内的流动传热特性。尽管在某些局部区域和复杂流动情况下存在一定的偏差，但总体上满足

工程应用的精度要求，为CiADS铅基快堆含绕丝燃料组件的设计、优化和安全分析提供了可

靠的技术支持。在后续研究中，可以进一步优化子通道分析模型，改进数值讥算方法，以减

小偏差，提高分析方法的准确性和可靠性O

4.2与其他分析方法对比

4.2.1多孔体方法对比分析

多孔体方法是一种用于模拟非均匀介质中流体运动的方法，在核反应堆热工水力分析中具有独

特的应用“该方法借助体积孔隙率、分布阻力和热源（或热阱