高温气冷球床堆是国际上先进的第四代核反应堆,其安全准则要求,堆芯的衰变余热必须可以借助于导热、辐射等自然机制的非能动方式导出。球床堆芯的有效导热系数是可以表征球床堆芯综合传热能力的宏观参数,对高温气冷球床堆的热工设计与安全运行有重要意义。本文以球床堆有效导热系数为研究对象,通过搭建非能动球床堆有效导热系数实验系统,测量了不同参数(球床温度,球床孔隙率,堆积颗粒直径,堆积颗粒材料和堆积结构)下的球床堆有效导热系数,同时基于孔隙尺度的数值方法研究了简单立方堆积球床堆的有效导热系数,与实验结果进行比较分析,同时分析了固体-气体导热,接触导热和辐射传热三种堆内主要的传热机制对球床有效导热系数的贡献。本文研究内容和主要结论如下:本文首先搭建了非能动传热机制下球床堆有效导热系数实验测量系统,通过稳态法实验测量得到球床内温度分布,逆求解导热微分方程得到球床有效导热系数,发现在球床近壁面区域由于局部孔隙率增大,有效导热系数会明显下降。同时分析了球床热壁面温度、堆积颗粒直径、球床孔隙率、堆积结构和堆积颗粒材料等参数对球床有效导热系数的影响。结果发现:在本文实验工况下,在低温区间(≤500℃)由于固体颗粒之间的接触导热占据球床内导热机制的主导,而石墨材料的导热系数随着温度升高明显减小,因此石墨球床堆有效导热系数在低温区间随着温度升高而减小,但由于堆内的辐射传热强度随温度升高而大幅增大因此有效导热系数减小幅度随温度升高而变小。同时通过实验发现,颗粒直径对球床有效导热系数的影响并不明显,但在相同条件下颗粒直径较大时球床有效导热系数略大于颗粒直径较小时的球床有效导热系数。球床孔隙率对球床有效导热系数的影响较大,当球床的孔隙率越大时,堆内的固体颗粒占比越小,此时石墨球床有效导热系数较小。在相同工况下,堆积颗粒材料为304不锈钢时,球床有效导热系数随温度升高而缓慢增大。本文将不同工况下的实验结果与球床堆有效导热系数经典关联式进行了对比分析,均在合理误差范围内。其次,基于孔隙尺度数值方法对简单立方堆积结构球床堆的有效导热系数进行数值分析,通过实验结果对数值计算结果进行校核,分析了球床温度分布特性,研究了固体-气体导热,接触导热和辐射传热三种主要传热机制对有效导热系数的贡献。结果发现数值模拟结果与实验吻合较好。在本文的研究温度范围内(500℃)接触导热占据球床传热机制的主导(温度为30-450℃时对有效导热系数贡献占比为95.96%-59.11%),其次辐射传热的强度也会随温度升高有较大幅度的增大(温度为30-450℃时对有效导热系数贡献占比为1.8%-36%),而依靠固体-气体导热对有效导热系数贡献最低(温度为30-450℃时对有效导热系数贡献占比为 2.26%-5.33%)。