研究背景
球床反应堆在运行过程中，燃料元件表面的石墨粉尘会因摩擦与辐照损伤不断产生。这些破碎粉尘具有放射性，若不能有效清除，将随冷却剂回路迁移至系统各部位，对设备安全与人员健康构成潜在威胁。因此，准确预测粉尘颗粒在堆芯内的迁移路径，是制定吹扫策略与防护方案的关键前提。
物理模型
本研究的物理模型围绕球床反应堆堆芯结构展开，重点考虑以下要素：
- 粉尘颗粒的粒径分布范围：0.1 μm 至 50 μm，涵盖亚微米级至可见颗粒
- 颗粒密度与形状因子：石墨基粉尘密度约 1.5–2.2 g/cm³，形状因子取 0.7–1.0
- 气流速度场、温度场与压力场的耦合效应
- 颗粒与石墨球表面及结构壁面的碰撞、反弹与粘附行为
数值方法
研究采用欧拉-拉格朗日方法：气相采用连续介质模型求解，颗粒相采用离散相追踪。具体方法选型如下：
- 气相湍流模型：大涡模拟（LES）与雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程对比验证
- 颗粒相追踪：拉格朗日离散相模型（DPM），考虑曳力、重力、虚拟质量力与巴塞特力
- 碰撞模型：硬球模型处理颗粒-壁面碰撞，恢复系数由实验标定
网格独立性验证
为确保数值结果的可靠性，对计算域进行了网格独立性验证。采用三套不同密度的网格方案：粗网格（约 120 万单元）、中等网格（约 350 万单元）、细网格（约 800 万单元）。对比结果表明，中等网格与细网格在粉尘浓度分布与迁移轨迹上的预测偏差小于 1.2%，综合考虑计算成本，最终选用中等网格方案开展后续计算。
结果分析
模拟结果显示，粉尘颗粒在堆芯内的迁移路径主要受气流速度场控制。在吹扫气流作用下，小粒径颗粒（< 1 μm）易随气流扩散至堆芯上部区域，而大粒径颗粒（> 10 μm）则因重力沉降主要堆积在堆芯底部。通过优化吹扫气流的速度与方向，可将粉尘清除率提升至 92% 以上，粉尘迁移路径的预测精度较传统经验模型提升 30%。
工程意义
本研究的模拟结果为球床反应堆的粉尘控制提供了定量依据，具体工程意义包括：
- 指导吹扫系统的设计优化，明确最佳吹扫气流参数窗口
- 为放射性粉尘的过滤与捕集设备选型提供数据支撑
- 降低反应堆运行期间的放射性泄漏风险，提升整体安全水平
- 为后续反应堆的运维计划与检修周期制定提供科学参考
