热管冷却反应堆燃料组件稳态热分胡攀，陈立新，王立鹏，张（西北核技术研究所，西安７１００良摘要：利用有限元方法对空间核反应堆电源系统（ｓｐａｃｅｐｏｗｅｒｒｅａｃｔｏｒｓｙｓｔｅｍｓ，ＳＰＲＳ）中热管冷却反应堆燃料组件进行了稳态热分析。针对相邻燃料组件间的理想接触与非理想接触两种情况，评估了组件间的热接触状况、功率水平对其温度场分布的影响。结果表明：相邻燃料组件间在理想接触情况下，温度最高点位于燃料棒中心，随着表面传热系数的减小，温度最高点逐渐偏离燃料棒中心位置，且最高温度随功率水平的增大而呈线性增大。关键词：热管冷却；热接触；空间核反应堆电源系统；热分析：ＴＬ３３１文献标志码：Ａ：（２０１３）０４－３７４－０５Ｓｔｅａｄｙ－ＳｔａｔｅＴｈｅｒｍａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆａＦＨＵＰａｎ，ＣＨＥＮＬｉ－ｘｉｎ，ＷＡＮＧＬｉ－ｐｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＬｉａｎｇ（ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｕｃｌｅａｒＴｅｃｈＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅｔｈｅｒｍａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｆｕｅｌｍｏｄｕｌｅｉｎｔｈｅｈｅａｔｐｉｐｅ－ｃｏｏｌｅｄｒｅａｃｔｏｒｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｐｏｗｅｒｒｅａｃｔｏｒｓｙｓｔｅｍｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｉｄｅａｌａｎｄｎｏｎｉｄｅａｌｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｔａｃｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏａｄｊａｃｅｎｔｆｕｅｌｍｏｄｕｌｅｓｗｅｒｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｔａｃｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｅａｃｔｏｒｐｏｗｅｒｌｅｖｅｌｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｄｉｓ－ｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎａｆｕｅｌｍｏｄｕｌｅｗｅｒｅａｌｓｏｅｖａｌｕａｔｅｄ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｈｉｇｈ－ｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｏｉｎｔｌｏｃａｔｅｄａｔｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆａｆ随着航天技术的发展，航天器需要配备高功率、长寿命的电源。由于太阳能、化学能等能源形式受到各方面技术条件的限制，难以满足航天器对电源系统的需求。空间核反应堆电源系统因其具有结构紧凑、体积小、比功率高、运行寿命长等优点，已成为未来大功率空间电源的发展方向。为满足深空探测任务的需求，空间核反应堆电源系统目前主要考虑采用３种反应堆堆芯类型：热管冷却型堆芯、液态金属冷却堆芯和气体冷却堆芯。其中，热管冷却反应堆以其内在的安全冗余、易启动和不依赖辅助系统等良好的性能深受空间核电源系统的青睐［１］。收稿日期：２０１３－０２－０４；修回日期：２０１３－１０－１０作者简介：胡攀（１９８６－），男，湖北随州人，助理工程师，硕士，主要从事反应堆安全及应用技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｐａｎ＠ｎｉｎｔ．ａｃ．ｃｎ第４期胡攀等：热管冷却反应堆燃料组件稳态热分析３７５ＳＩＮＤＡ／ＦＬＵＩＮＴ软件对热管冷却反应堆燃料组件传热特性进行了计算分析，获得了３维模型情况下的燃料组件温度分布图［２］。在对固体与固体相接触的热分析中，假定两个固体的结合面完全贴合，具有相同的温度。但实际上，固体壁面互相接触时，由于表面粗糙等造成其结合面不可能全部密合，中间会形成未接触的间隙。这些间隙中充满了气体，从而给导热过程带来额外的热阻，称之为接触热阻。接触热阻会使接触面上产生一定的温降，在热流量不变的条件下，接触热阻越大，结合面上的温降就越大。影响接触热阻的因素主要有接触表面的粗糙度、结合面上的挤压压力、材料对的硬度以及间隙中介质的性质等。研究接触热阻的难度很大，至今还不能从理论上阐明其规律，缺乏相关的热阻数据［３］。本文利用有限元方法对热管冷却反应堆燃料组件进行２维建模及网格划分，并选择适当的边界条件进行数值计算。针对相邻燃料组件之间的不同接触类型，即理想接触和非理想接触，对热管冷却反应堆燃料组件传热特性进行计算分析，获得厚度为０．５ｍｍ；再向内为Ｍｏ－Ｒｅ（ω...