莫斯科物理技术学院研究人员与瑞士、美国同行合作，对先进液体燃料核反应堆热工计算中常用的湍流模型进行了精度评估。研究结果可帮助工程师更准确预测双流体反应堆在自然循环工况下的温度状态，特别是用于无需外部电源或人工干预的被动冷却系统设计。
目前，大多数在运核电站采用固体燃料元件，即由锆合金包壳包裹二氧化铀燃料芯块。第四代双流体反应堆则采用液态燃料，并让燃料在独立回路中循环，同时使用熔融铅作为冷却剂。按研究资料介绍，这类设计的效率可比传统压水堆高约30%，并有利于连续燃料后处理，但也给热工水力计算带来更复杂的挑战。
问题在于，液态燃料的传热行为不同于水和空气。低流速下，热量主要通过分子间作用传递，而不是依靠强烈的湍流混合。现有许多工程湍流模型原本是围绕水和空气建立的，直接用于铀基液态金属时，可靠性需要重新验证。
该研究作者之一、莫斯科物理技术学院凝聚态物理超级计算机方法实验室研究员康斯坦丁·谢尔盖延科表示，液态铀铬合金的性质介于铅、钠、铅铋合金等传统液态金属和空气之间，因此需要确认现有湍流模型能否适用于这类铀基液态金属。这个问题在自然循环工况下尤为关键，因为一旦提供铅流动的泵停止运行，系统流速会下降;如果模型对温度估算存在偏差，可能导致热负荷被低估，或使设计过于保守。
研究团队以实验性双流体反应堆为对象，利用超级计算机模拟核燃料流经换热棒周围时的温度和速度分布，获得高精度“基准”数据。随后，他们将这些结果与两种常用工程湍流模型进行对比：一种是较复杂的雷诺应力模型RSM BSL，另一种是更简化的k-ω-SST模型。
对比显示，k-ω-SST模型在描述相关热工水力特性时表现更好。尽管RSM BSL模型对湍流结构的处理更细，但在研究涉及的模拟场景中并未体现优势。研究人员认为，原因在于该模型没有充分覆盖不同流动区域中表现各异的湍流机制。
研究还发现，在燃料沿换热表面纵向流动时，传热计算误差会随着流速升高而增大;横向流动时误差相对较小。这与横向流动速度较低有关，也反映出液态金属中的湍流传热比水和空气更难用传统工程模型准确描述。
此次研究不仅比较了模型差异，还量化了不同工况下各模型的准确性。对工程设计而言，这意味着在经过验证的条件下，可以使用较简化的模型获得可靠温度预测，减少对高成本超级计算机模拟的依赖。相关数据也将为第四代双流体反应堆应急冷却系统设计提供参考，并服务于核燃料闭环利用和减少放射性废物等长期目标。
