九月九日上午，我课题组李华博士完成博士答辩。李华博士对新概念球床式水冷反应堆堆芯热工水力特性进行了系统的基础性研究。
新概念球床式水冷反应堆（PBWR）是轻水堆与球形燃料元件相结合的新型水冷反应堆。与传统的水冷反应堆相比，球床式堆芯具有良好的固有安全性和较高的经济性，使其成为近年来国际上新概念反应堆研究的重要方向之一。美国、日本、巴西、俄罗斯等国先后提出了球床式水冷堆的概念堆型，现均处于概念设计阶段。然而，新概念球床式水冷反应堆结构复杂，目前针对该堆型的研究较少，还存在很多待解决的热工水力问题。因此，对新概念球床式水冷反应堆开展热工水力方向的深入研究对该堆型的概念设计具有重要的意义。本文针对球床式水冷反应堆的具体结构，从微观角度到宏观角度，对其堆芯内部热工水力特性进行了深入的实验和数值研究，主要研究工作及结论如下：
自行设计并搭建了各向同性的多孔介质颗粒无序堆积的实验平台，针对由有机玻璃圆管和直径分别为2、4、6、8 mm的不锈钢圆球所组成的多孔介质通道开展了单相水及气-液两相工况下通道内流动特性的实验研究。实验结果表明，在液体流量一定的情况下，实验段压降随管径的增大而减小，随颗粒直径的减小而增大，随气相流量的增大而增大；在管径一定的情况下，实验段压降随着颗粒直径的增大而减小；两相工况下组件内压降大于单相水工况下的压降。分析比较了单相水工况下实验值与各经验关系式的计算结果，并通过拟合获得了本实验条件下单相水及气-液两相的压降关联式。
针对堆芯球形燃料元件的具体结构，计算得到了组件内燃料元件内部的温度分布、燃料元件表面温度和冷却剂的温度变化曲线，并采用不同的经验关系式进行对比分析。结果表明，由不同的经验关系式计算得到的燃料元件表面温度基本相同，表面温度值与冷却剂温度值差别很小；燃料元件中心温度和表面最高温度均远小于设计的限值；在该燃料元件结构下，可以保证反应堆的安全运行。
建立了不同尺寸下燃料元件堆积的微小模型，采用CFX数值计算方法，首次使用水作为冷却剂分析了单相水及过热蒸汽工况下微小单元内燃料元件表面冷却剂的热工水力特性，研究了燃料元件尺寸对各热工参数的影响。在数值模拟中采用“近似直径”模型来处理燃料元件之间接触点处的网格问题。数值计算结果显示，在相邻燃料元件间的间隙区域出现冷却剂温度的最大值，而冷却剂速度的最大值则出现在四个间隙区域的中心位置；随着燃料元件直径的增大，流体的扰动增强，燃料元件表面高温区域的面积减小，计算模型的压降减小；过热蒸汽工况与单相水工况下的计算结果相似，但过热蒸汽工况下计算模型内温差更大、流体扰动更强、压降更大。
针对堆芯内单根燃料组件，基于FLUENT中的多孔介质模型对燃料组件内冷却剂的热工水力特性进行了数值计算。通过选取合理的数学物理模型，将内热源、阻力模型及相间质量传递模型等通过用户自定义函数嵌入FLUENT中进行计算，分析了组件内冷却剂从单相水到过热蒸汽的变化过程，并对不同工况下的计算结果进行了分析。计算得到了多种稳态运行模式下组件内空泡份额、压力、汽相温度、汽相流速等参数的变化规律以及系统参数对热工特性的影响。
本文对新概念球床式水冷反应堆堆芯热工水力特性进行了系统的基础性研究，不仅具有重要的学术意义，同时对该堆型的概念设计和提高反应堆的安全运行均具有工程应用价值。