中文摘要：

金属燃料堆芯破损事故 (Core Disruptive Accident，CDA)及其导致的熔融金属材料与冷却剂液态钠的相互作用（Fuel-Coolant Interaction，FCI），是国际上金属燃料钠冷快堆堆芯安全研究的一个重点和难点问题。尤其对FCI过程中，冷热熔融物质交界面变化剧烈的热力和水力工况，及熔融物质的变形和破碎等，目前还没有系统的研究。本研究基于熔化金属材料-钠FCI实验，通过系统的热力和水力工况对单一熔融液滴和射流FCI后碎片尺寸的影响的研究，以及FCI机理的探讨，尝试采用数值方法模拟计算FCI流场，定量的建立小质量液滴和大质量射流FCI之间的联系，旨在通过实验和数值模拟的方法，对不同工况和形态的熔融金属物质-钠FCI的系统研究，确定金属燃料堆芯的破碎?细粒化机理, 对熔融物的可冷却性，再临界性评价，堆芯设计和程序开发都有借鉴作用。

结论摘要：

金属燃料堆芯破损事故 (Core Disruptive Accident，CDA)及其导致的熔融金属材料与冷却剂液态钠的相互作用（Fuel-Coolant Interaction，FCI），是国际上金属燃料钠冷快堆堆芯安全研究的一个难点问题。本课题针对FCI过程中，冷热熔融物质交界面变化剧烈的热力和水力工况，及熔融物质的变形和破碎等开展了实验和数值模拟研究。为了研究在大范围的水力及热力工况下，水力及热力作用对以包壳材料为主的熔融堆芯结构材料及金属燃料和钠冷却剂的相互作用特性，本课题针对单一铜滴（1g和5g）在大范围的水力及热力工况下与液态钠FCI的破碎实验进行了研究，并与单一304不锈钢熔滴（5g）,铜和金属燃料射流FCI结果进行对比。研究结果表明，即使在低于熔融金属的熔点的过冷工况，在水力参数 较大时能清楚地观察到熔滴的深度破碎。在相同的热力工况下， 值很高时熔滴无量纲质量中间直径会比低 的熔滴小。对于更高的 值时，对比研究表明，尽管有着不同的热物理性质和上千倍的质量的差异，铜和不锈钢熔滴与射流的碎片尺寸和熔融金属燃料射流碎片尺寸有着相似的分布，这意味着熔融金属的碎片尺寸特性可以由单个液滴与冷却剂钠的相互作用来评估，而不需要考虑熔融物降落的方式和质量。 本课题引入移动粒子半隐式法(MPS)对单一熔滴FCI破碎问题进行了模拟。采用改进的MPS方法对不同热力及水力工况下的单个熔融不锈钢液滴侵入钠池的行为进行了模拟。通过引入粘性系数模型有效地模拟液滴凝固过程中的流变行为。模拟结果显示碎片质量中间直径及最大直径均具有随着 及 的增大会变得越来越小的趋势。这表明了通过有效的粘性模型，MPS方法能够有效地对具有相变过程的复杂多相流动进行模拟，并期望以后更加准确的建模分析求解。本课题基于系统的热力和水力工况实验研究，定量分析热力和水力工况对FCI破碎的影响，对FCI机理及过程进行数值模拟，对各种熔融物的可冷却性，恶化堆芯的再淹没，再临界性评价等都具有重要的借鉴作用，这些研究也有利于安全堆芯设计和分析程序的开发，有利于社会对大功率快堆安全性的认识和信赖。