【摘 要】
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高温气冷球床堆是国际公认的最安全的第四代先进反应堆型之一,其安全特性主要基于堆芯非能动余热导出机制,即在事故工况下,可以通过自身导热、辐射以及自然对流等传热机制将堆芯衰变余热排出。球床有效导热系数作为表征堆芯综合传热能力的重要参数,对球床反应堆的热工设计和安全运行具有重要意义。ZBS（Zehner-Bauer-Schlunder）模型对球床有效导热系数具有较好的预测性,然而模型中表征接触导热份额的
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高温气冷球床堆是国际公认的最安全的第四代先进反应堆型之一,其安全特性主要基于堆芯非能动余热导出机制,即在事故工况下,可以通过自身导热、辐射以及自然对流等传热机制将堆芯衰变余热排出。球床有效导热系数作为表征堆芯综合传热能力的重要参数,对球床反应堆的热工设计和安全运行具有重要意义。ZBS（Zehner-Bauer-Schlunder）模型对球床有效导热系数具有较好的预测性,然而模型中表征接触导热份额的经验参数φ仍有待确定,且ZBS模型在壁面附近区域的适用性也有待提升。因此本文针对非能动导热机制下的球床有效导热系数展开数值研究,同时结合理论分析改进ZBS模型。本文首先建立了简单立方堆积结构的球床模型,分别对包含导热、辐射和自然对流三种传热机制下的球床有效导热系数进行数值分析。研究结果表明球床传热在低温工况下主要以导热为主;随着温度升高,球床主导传热机制逐渐过渡到辐射传热;而自然对流对球床有效导热系数贡献较小,在高温工况下几乎可以忽略不计。同时发现,通过调整接触面积系数φ的取值,可以使ZBS模型的预测结果和数值结果吻合较好。然后针对ZBS模型中的接触面积系数φ进行了分析,通过对不同堆积结构下的球床有效导热系数展开数值计算,获得了12组接触直径比和配位数下的球床有效导热系数及其对应的φ值,然后通过多元线性分析获得了φ的计算表达式。通过与德国SANA实验结果进行比较,发现改进后的ZBS模型预测能力优于其他模型。同时改进后的ZBS模型与南非HTTU实验以及先前实验结果在球床主体区域吻合也较好。但改进后的ZBS模型在高温工况下对球床壁面附近区域的预测精度仍然有待提高。最后采用离散单元方法构建了无序堆积球床模型,研究球床壁面附近区域有效导热系数。结果发现球床壁面附近区域内的局部有效导热系数呈震荡衰减分布且反比于局部孔隙率。而球床壁面区域平均有效导热系数相比主体及近壁面区域有效导热系数显著降低约21.64%。因此,针对ZBS模型在壁面区域的预测值引入修正系数加以修正。修正后的ZBS模型可以适用于球床堆壁面区域的有效导热系数预测。
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