熔鹽快堆中冷凍鹽壁的模擬
基于Code_Saturne的熔鹽快堆中冷凍鹽壁的計算模擬案例。
熔鹽堆(MSR)由橡樹嶺國家實驗室從40年代到70年代開發而成。其原理是將燃料溶解在鹽（FLiBe）中，并泵送通過石墨緩和的核心區域。在650℃的條件下，U235和Th232經過裂變衰變形成U233。
而熔鹽快堆(MSFR)，在熔鹽堆的基礎上，又結合了第四代反應堆的建設概念，成為更高效，更加可持續和更安全的裂變反應堆。熔鹽快堆的運行溫度處于890K至1100K之間，燃料來源于Th232產生的U233和燒钚。
熔鹽快堆的主要優勢在于，由于內在特性會更安全，并且能夠去除揮發性裂變產物和中子毒物，它擁有較少因裂變產生的長壽命廢棄物。但同時也存在劣勢，由于鹽對鎳基合金的結構造成腐蝕，會縮短安全壽命，并且高中子通量也會使得鎳同位素演化氦，造成容器壁脆化。
因此我們將使用Code_Saturene建立一系列CFD計算結果來進行分析。
起點是Navier-Stokes-Fourier方程
1) 液-固相變方程
有
其中方程末尾的兩項是關于相變的：
-
該項的定義源于達奚定律，C和q的選擇取決于多孔介質的形態。
- 
該項由一個時間依賴性的對流性項組成，并使用完全一階迎風格式對對流項離散化。瞬態項在T時間內重塑，因此有部分是隱含在Tn+1內的。
2) 雙組分相圖
-鹽可以被認作一種雙成分材料，其中A在B中的濃度固定
-該相通常可以由液體部分x來給出定義：
-為簡單起見，假設X與T之間是線性關系
-在共晶點TL=TS，假設X=0為固體，X=1為液體
接下來是模擬案例的定義
1) 2D測試案例定義
具有恒定流體特性的2D層流測試：
-
- Stephan數 - Ste
其中L為潛熱
- （最后一項還沒有經過測試）
- Boussinesq近似為浮力項
- 結構化和均勻的網格大小為64x64
2) MSFR應用：測試案例定義
- 2D或3D情況下，有或沒有熱交換器(heat exchanger)都需經過測試：
- 塊結構的
- 2D網格化單元個數從95000至330000個
- 3D網格個數從5M開始往上
- 第一組單元大小為0.001mm，這樣可以得到最大T+≈0.3
- 在前40mm中使用了至少35個結點
- 湍流模型
- 對于沒有體現熱交換器的模型，一個完全展開剖面的體積溫度為
- 化合物Li3ThF7
- Code_Saturne的內置耦合共軛傳熱（2D）
- 使用多尺度通用接口（MUI）進行的中子學計算與DYN3D-MG的代碼耦合（僅限于3D）
注：MUI (Mutiscale Universal Interface)
多尺度通用接口MUI，是一個耦合異構求解器的并發框架，可以：1) 將特定域的表示形式（即網格）轉換為一般形式（即數據云點）；2) 求解器將數據（在空間中的某個點）傳遞給具有相關時間戳的MUI接口；3）其他求解器使用空間、時間采樣器從MUI接口請求特定位置和時間的數據。
MUI的最初開發用于耦合多尺度（基于粒子）的方法：
1) 2D測試案例結果
i) 與Voller and Prakash結果比較
ii) C和q的變化
- C=10^10， q=10^6
- C=1.6*10^3，q=10^-3 （參考值來源于Voller and Prakash, 1987.）
2) MSFR應用：測試案例結果
i) 3D完整模型測試結果
ii) 2D基礎模型測試結果
iii) 有和沒有共軛傳熱結果對比
1. 利用共軛傳熱的多物理學框架，液-固相變的孔隙度基礎模型與中子輸運模型相結合，已經被開發并應用于模擬熔鹽快堆的模型。
2. 該模型已被用于冷凍鹽膜形成的研究，冷凍鹽膜可以保護容器避免腐蝕。
3. 基于MUI庫，用于多尺度物理模擬的代碼耦合框架正在開發中。
4. 進行中的工作
i) 需要對大型3D模型實行進一步計算來完善驗證
ii) 在固-液相變的湍流區域中，需要更多的驗證
作者：
S. ROLFO, G. M. CARTLAND-GLOVER, A. SKILLEN, C.MOULINEC, D.R. EMERSON, D.LITSKEVICH, B. MERK
STFC Daresbury Laboratory, Warrington, Cheshire WA4 4AD, United Kindom School of Mechanical, Material and Aerospace Engineering, University of Liverpool, Liverpool United Kingdom
來源：能源數值平臺
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