張智剛，孫樹斌，劉翀翀，湯燁鑫

（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001）

鈉滴氧化燃燒特性的實驗研究

張智剛，孫樹斌，劉翀翀，湯燁鑫

（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001）

液態(tài)鈉泄漏和燃燒是鈉冷快堆在運行中一多發(fā)的常見事故。本文主要針對液態(tài)鈉滴在不同初始溫度（140～370℃）和氧濃度（4%～21%）條件下的氧化燃燒行為進行實驗研究。實驗通過1套鈉滴燃燒裝置和高速攝像機使鈉滴的氧化燃燒行為可視化。實驗結(jié)果表明：鈉滴的初始溫度和氧濃度越低，鈉滴表面產(chǎn)生的柱狀氧化物越長；在相同氧濃度條件下，鈉滴初始溫度越高，越易著火燃燒；鈉滴初始溫度在200℃以下時很難點燃，當(dāng)有擾動破壞了表面的氧化層結(jié)構(gòu)時，鈉滴也會逐漸燃燒；鈉滴初始溫度在140～370℃的條件下，氧濃度≥12%時，鈉滴能燃燒充分，最高溫度基本可升至600～800℃；氧濃度＜12%時，燃燒并不充分，燃燒的最高溫度均在600℃以下。這些結(jié)果對柱狀流及霧狀鈉火的研究有重要的指導(dǎo)意義。

鈉冷快堆；液態(tài)鈉；氧化；燃燒

我國已經(jīng)確定了核燃料增殖、閉式循環(huán)的核能戰(zhàn)略政策，鈉冷增殖快堆是第4代堆中實現(xiàn)這一目標(biāo)的最現(xiàn)實的堆型。而液態(tài)鈉泄漏和燃燒是鈉冷快堆在運行中一多發(fā)的常見事故，是國際上面對的1個重點和難點問題。日本和法國的快堆均因鈉泄漏和鈉火事故造成了長時間的停堆［1－3］。由此可見，我國進行鈉冷快堆研究、設(shè)計、建設(shè)和運行必須要對鈉火機理進行研究，鈉滴燃燒是各種形式鈉火研究的基礎(chǔ)，對其燃燒特性的研究尤其對柱狀流及霧狀鈉火的研究有重要意義［4－5］。Malet［6］在總結(jié)其他研究人員成果的基礎(chǔ)上對鈉滴及池式鈉火等點燃及燃燒特性進行了理論研究。Otake等［7］對鈉滴氧化燃燒和再燃燒進行了初步研究。這些研究對幫助認(rèn)識鈉滴燃燒特性起了一定的作用，但這些研究均存在缺乏詳細的實驗條件和系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)等問題，給鈉滴燃燒特性的定量分析帶來困難。本文主要針對液態(tài)鈉滴在較高的環(huán)境溫度、不同初始溫度（140～370℃）和氧濃度（4%～21%）條件下的氧化燃燒行為進行系統(tǒng)的實驗研究，旨為其他形式的鈉火研究提供技術(shù)支持。

1 實驗

1.1 實驗裝置及過程

鈉滴燃燒實驗系統(tǒng)包括鈉滴燃燒裝置、手套箱、高速攝像機和氣體環(huán)境供給系統(tǒng)，實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Scheme of experiment apparatus

鈉滴燃燒容器分為上、下兩個相互獨立的腔室。上腔室中放置1個帶有噴嘴的坩堝，坩堝周圍有加熱絲對其進行加熱。正對坩堝開口的上方有1個用于擠壓液態(tài)鈉的活塞。觀察孔被設(shè)在和噴嘴同樣高度的位置方便觀察液態(tài)鈉滴。容器上部的有機玻璃罩使坩堝內(nèi)的液態(tài)鈉處于保護氣體中，避免氧化。下腔室即為鈉滴的燃燒室，坩堝噴嘴下方設(shè)置1個直徑為0.5mm熱電偶，可水平微調(diào)移動，測量鈉滴溫度和燃燒溫度。下腔室下部也設(shè)置有加熱絲和熱電偶，根據(jù)需要設(shè)定通入燃燒室的一定氧濃度的混合氣體溫度和燃燒室內(nèi)氣體溫度。燃燒反應(yīng)生成的氣溶膠可排入噴淋裝置。通過混合氮氣和空氣可提供實驗所需的任何氧濃度的氣體。當(dāng)需通入混合氣體時，先關(guān)閉氬氣閥門，打開混合氣體的閥門，將事先配比好的一定氧濃度的氣體通入下腔室即可。

當(dāng)手套箱中的氧濃度低于規(guī)定值時，將切好的小塊鈉裝入坩堝，坩堝放入加熱套筒中并關(guān)閉有機玻璃罩，對坩堝進行加熱。當(dāng)達到預(yù)期的液態(tài)鈉初始溫度時，啟動電動機，推動活塞產(chǎn)生鈉滴，鈉滴的水平直徑在5mm左右，在高速攝像機實時視圖的配合下，調(diào)節(jié)熱電偶微調(diào)裝置使熱電偶尖端剛好觸到鈉滴的邊緣來測量鈉滴的初始溫度及燃燒溫度。熱電偶連接到HIOKI-LR8402型多通道在線數(shù)據(jù)采集儀，其測量精度為±0.8℃，最小數(shù)據(jù)采集間隔為10ms；熱電偶的測量精度在0～800℃時為±0.75℃。高速攝像機的拍攝幀數(shù)設(shè)為100幀／s，在鈉滴的溫度穩(wěn)定后以650mL／min的流量向燃燒室通入一定氧濃度的混合氣體，鈉滴將氧化燃燒，觀察實驗現(xiàn)象并記錄數(shù)據(jù)。

1.2 實驗條件

本實驗主要是研究空氣中氧濃度和鈉滴初始溫度對鈉滴氧化、點燃和燃燒的影響。為了研究鈉滴在較高的環(huán)境溫度下的燃燒特性，根據(jù)柱狀流鈉火、噴霧鈉火等燃燒時環(huán)境溫度，將燃燒室環(huán)境初始溫度設(shè)為180℃［4－5］，鈉滴的初始溫度的范圍為140～370℃，氧濃度（儀器所測精度為±1%F.S.）分別為4%、8%、12%、16%和21%。在t＝0s時向燃燒室通入一定氧濃度的混合氣體，觀察在不同條件下鈉滴的氧化燃燒特性。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈉滴氧化燃燒現(xiàn)象及機理

1）低初始溫度、低氧濃度條件下鈉滴的燃燒

鈉滴初始溫度為200℃，通入氧濃度為8%的混合氣體后，鈉滴表面形成1層白色的氧化膜（t＝5s），如圖2a所示，這層氧化膜隔絕了鈉滴與外部氧氣的接觸，所以此時氧化作用非常緩慢，不易著火，加入外部擾動破壞表面氧化層后，鈉滴表面逐漸變得粗糙并產(chǎn)生柱狀氧化物，鈉滴開始逐漸冒煙著火（t＝14s）。在此實驗條件下，可明顯觀察到柱狀氧化物的存在，鈉滴燃燒時火焰較暗，燃燒不劇烈。燃燒最高溫度達378℃左右（t＝17s）。

2）低初始溫度、高氧濃度條件下鈉滴的燃燒

在鈉滴初始溫度為200℃的條件下改變氧濃度為21%，向燃燒室通入混合氣體后，鈉滴迅速在表面形成氧化膜（t＝5s），在相同的時間內(nèi)表面氧化膜較Case 1的薄，如圖2b所示。由于氧氣含量的提高，可明顯看到此條件下的鈉滴點燃和燃燒均較Case 1的劇烈，火焰明亮很多，點燃溫度（t＝14s）和燃燒達到的最高溫度（t＝22s）均較Case 1的高，尤其燃燒達到的最高溫度要高很多。在與Case 1相同的初始溫度條件下，鈉滴表面柱狀氧化物特征不明顯，說明此實驗條件下的高氧濃度會使鈉滴燃燒較為充分，達到較高的燃燒溫度，此時，不需鈉滴表面產(chǎn)生大量柱狀氧化物增加表面積促進氧化燃燒作用。

3）高初始溫度、低氧濃度條件下鈉滴的燃燒

鈉滴初始溫度為310℃、氧濃度為8%的條件下，發(fā)現(xiàn)在鈉滴表面迅速形成1層氧化膜（t＝3s），形成氧化膜的時間明顯較短，如圖2c所示，氧化層厚度接近Case 1的，形成氧化膜后并未立即燃燒，而是鈉滴表面逐漸變得粗糙，在有柱狀氧化物出現(xiàn)后，鈉滴才開始逐漸燃燒（t＝11s）。由于較高的初始溫度，開始燃燒的溫度也較Case 1的高很多。這可能是因在低氧濃度條件下，鈉滴表面與氧接觸后氧化釋熱量不足以使鈉滴燃燒，因此，促成鈉滴表面生成柱狀氧化物，在增加鈉氧接觸面積的同時，柱狀氧化物本身的毛細作用也會不斷將鈉滴內(nèi)部的液態(tài)鈉吸出到鈉滴表面，從而使燃燒持續(xù)進行。燃燒比較劇烈，燃燒火焰明顯較Case 1的要明亮，在氣相區(qū)有明顯的黃色火焰，火焰亮度及燃燒劇烈程度較Case 2的稍弱，燃燒最高溫度達578℃（t＝17s），較Case 2達到的最高溫度低些。從上述比較可看出，Case 3與Case 1在相同的低氧濃度條件下，較高的初始溫度會促使鈉滴燃燒較為劇烈，但燃燒的基本特征未發(fā)生根本變化；Case 3與Case 2相比，較低初始溫度的鈉滴在高氧濃度的環(huán)境下燃燒較較高初始溫度的鈉滴在低氧濃度的環(huán)境下燃燒要劇烈，燃燒特征差異明顯，說明了周圍環(huán)境的氧濃度對鈉滴燃燒的影響程度要遠高于鈉滴初始溫度的。

圖2 鈉滴在不同初始溫度和氧濃度條件下的燃燒過程Fig.2 Combustion process of sodium droplet under different initial temperatures and oxygen concentrations

4）高初始溫度、高氧濃度條件下鈉滴的燃燒

當(dāng)給初始溫度為320℃的鈉滴通入21%氧濃度的氣體后，白色的氧化層會迅速出現(xiàn)在液滴表面（t＝3s），如圖2d所示，與Case 2較薄的氧化層相比，Case 4的氧化層更薄，已不能完全覆蓋整個鈉滴，可能由于溫度較高，鈉滴表面氧化產(chǎn)物在高溫下不能穩(wěn)定存在，會分解為氧氣和鈉蒸氣。鈉蒸氣在液態(tài)鈉滴周圍燃燒，燃燒時產(chǎn)生耀眼的白黃色火焰。從Case 4可看出，在高溫、高氧濃度的環(huán)境中，鈉滴點燃、燃燒迅速，點燃時間最短，在t＝9s時開始出現(xiàn)黃白色火焰包圍鈉滴，鈉滴燃燒非常劇烈，燃燒最高溫度達710℃（t＝27s）。與Case 2相比可發(fā)現(xiàn)，在相同的氧濃度下，鈉滴的初始溫度越高，鈉滴越易燃燒且燃燒的越劇烈。通過對比Case 3與Case 4明顯發(fā)現(xiàn)，相似的高初始溫度下當(dāng)氧濃度低時會出現(xiàn)明顯的柱狀氧化物，在燃燒的過程中柱狀氧化物呈發(fā)散狀擴散，當(dāng)氧濃度較高時則柱狀氧化物不明顯。

通過圖2可看出，鈉滴的燃燒過程可分為3個階段：第1階段是鈉滴表面的氧化過程，在實驗的工況范圍內(nèi)，鈉滴在接觸到一定氧濃度的混合氣體后，在3～5s內(nèi)因氧化作用會在鈉滴表面迅速形成氧化膜，并通過氧化反應(yīng)放出熱量；第2階段是預(yù)燃階段，氧化反應(yīng)放出的熱量對鈉滴表面預(yù)熱，鈉滴表面會逐漸變得粗糙，因氧濃度的不同，形成柱狀氧化物的程度有所差異，當(dāng)本階段的化學(xué)反應(yīng)放出足夠的熱量達到鈉滴的燃點時鈉滴開始燃燒；第3階段即是圍繞著液態(tài)鈉滴的氣相區(qū)發(fā)生的劇烈燃燒，環(huán)境的氧濃度越高，鈉滴的初始溫度越高，鈉滴越易燃燒且燃燒的越劇烈。從這些比較也可看出，在相同的氧濃度條件下，較高的初始溫度會促使鈉滴燃燒較為劇烈，但燃燒的基本特征未發(fā)生根本變化；周圍環(huán)境的氧濃度對鈉滴燃燒的影響程度要遠高于鈉滴初始溫度的，氧濃度的高低會改變鈉滴燃燒的特征。

2.2 氧濃度對燃燒特性的影響

圖3示出不同氧濃度下的鈉滴燃燒溫度分布。從圖3可看出，當(dāng)氧濃度≥12%時，燃燒所達到的最高溫度幾乎均接近800℃，且達到的最高溫度的時刻也較為接近。當(dāng)氧濃度＜12%時，燃燒達到的最高溫度不超過600℃，達到的最高溫度的時刻明顯較高氧濃度時燃燒溫度峰值出現(xiàn)的時刻要滯后，且4%氧濃度最滯后，溫度分布曲線也較平緩。所以，氧濃度≥12%時，可認(rèn)為鈉滴燃燒充分；氧濃度＜12%時，認(rèn)為氧氣含量不能促使鈉滴燃燒充分。

在350℃的初始溫度條件下，當(dāng)氧濃度≥12%時會發(fā)現(xiàn)無論燃燒達到的最高溫度還是燃燒時的現(xiàn)象均基本相同。在反應(yīng)的第1階段鈉滴表面迅速被氧化，形成1層白色的氧化膜，氧化反應(yīng)放出大量的熱量達到鈉滴的燃點后，鈉滴迅速燃燒。燃燒過程中由于柱狀氧化物被重新熔解在鈉滴中，因此很難發(fā)現(xiàn)有柱狀氧化物的存在。燃燒反應(yīng)非常劇烈，黃色火焰明亮，燃燒充分（圖2d）。當(dāng)氧濃度＜12%時，會明顯發(fā)現(xiàn)有柱狀氧化物生成，鈉滴燃燒所需時間較長，燃燒時橘黃色火焰不明顯，燃燒不劇烈，這說明了此時氧濃度不足以使鈉滴燃燒充分。

圖3 不同氧濃度下的鈉滴燃燒溫度分布Fig.3 Combustion temperature distribution of sodium droplet with different oxygen concentrations

2.3 鈉滴初始溫度對燃燒特性的影響

不同初始溫度下的鈉滴燃燒溫度分布示于圖4。在4%氧濃度下的鈉滴燃燒過程中發(fā)現(xiàn)，鈉滴只有在初始溫度為370℃時才會發(fā)出明顯的橘黃色的火焰，燃燒較為劇烈且燃燒時間也較短；其他3個初始溫度實驗工況的鈉滴會有白色煙霧產(chǎn)生和溫度上升，并不會觀察到明顯的橘黃色火焰，燃燒時間較長。尤其對于初始溫度為140℃的鈉滴，還需外力擾動表面氧化層才能冒煙升溫。

由圖4a可看出，370℃鈉滴在通入氧氣后，表面開始氧化預(yù)熱，20s左右溫度逐漸達到最高值530℃，最大升溫160℃，穩(wěn)定燃燒20s后溫度逐漸降低。其他3個初始溫度（140、220和310℃）的鈉滴氧化燃燒達到最高溫度的時刻與370℃鈉滴燃燒時基本一致，但達到最高溫度后，其燃燒溫度分布曲線較為平緩，不同于370℃鈉滴燃燒時最高溫度段和下降段區(qū)別明顯，這是由于這3個實驗工況燃燒的不夠劇烈，放熱緩慢，釋放的熱功率較小所致。另外，這3個實驗工況達到的最高溫度基本均較初始溫度高出100℃左右，可看出在低氧濃度（4%）下，初始溫度為310℃以下鈉滴的燃燒特性基本一致；初始溫度為370℃的鈉滴的燃燒特性與低溫鈉滴有一定的區(qū)別，這可能與鈉滴在350℃左右時，表面明顯的鈉霧現(xiàn)象有關(guān)，鈉滴表面明顯增多的鈉霧會使鈉滴燃燒劇烈，發(fā)出明顯的橘黃色的火焰。

圖4 不同初始溫度下的鈉滴燃燒溫度分布Fig.4 Combustion temperature distribution of sodium droplet with different initial temperatures

從圖4b可看出，初始溫度為350℃的鈉滴最高溫度能達到600℃左右，最大溫升為250℃；初始溫度為310℃的鈉滴最高溫度能達到580℃左右，最大溫升為270℃；初始溫度為250℃的鈉滴最高溫度能達到540℃左右，最大溫升為290℃?？梢娫诔跏紲囟葹?50℃以上時，燃燒比較充分，燃燒所達到的最高溫度會隨初始溫度的升高而升高，但差距不大，但最大溫升會隨初始溫度的升高而逐漸降低，這可能是由于這幾個實驗的初始溫度的鈉滴在8%氧濃度下，均能較充分地燃燒放熱。因此，所能達到的最高溫度受初始溫度影響較小，形成了初始溫度低的鈉滴燃燒溫升反而較大的特點。而初始溫度在200℃及其以下的鈉滴點燃較困難，與圖4a中初始溫度為140℃鈉滴相同，也需外力擾動表面氧化層才能燃燒，燃燒達到的最高溫度也較低，接近400℃，明顯低于初始溫度在250℃以上鈉滴燃燒達到的最高溫度，因燃燒程度明顯較圖4a中的220℃和140℃鈉滴強烈，燃燒達到的最高溫度較高。從溫度分布曲線也可明顯看出，鈉滴的氧化預(yù)燃溫度、峰值及降溫段趨勢也較為明顯。

圖4b的燃燒溫度分布與圖4a的相比，可明顯看出氧濃度為8%時鈉滴燃燒較4%氧濃度相近初始溫度的鈉滴燃燒要強烈，達到的最高溫度要高，溫升也高，燃燒溫度分布曲線特征更明顯。

從圖4c可看出，初始溫度為180℃時鈉滴燃燒所達到的最高溫度為380℃，與圖4b中初始溫度為150℃和200℃的鈉滴燃燒所達到的最高溫度一致，且燃燒的溫度分布曲線也較為一致。初始溫度為340℃時鈉滴燃燒可達到接近800℃，這與圖4d中氧濃度為16%、初始溫度為340℃以及圖4e中氧濃度為21%、初始溫度為360℃的鈉滴燃燒所達到的最高溫度基本相同，明顯高于圖4a、b中的最高溫度，此時鈉滴已燃燒得相當(dāng)充分，說明氧濃度在12%及以上時能滿足鈉滴的充分燃燒。

通過圖4d、e也可看出，氧濃度分別為16%和21%時，初始溫度在150℃以上的鈉滴燃燒所達到的最高溫度均在600℃以上，鈉滴均能達到充分完全燃燒。說明在氧濃度較高的條件下初始溫度對鈉滴燃燒所達到的最高溫度影響較小，燃燒達到的最高溫度的差距較?。划?dāng)氧濃度較低時，鈉滴的初始溫度對鈉滴燃燒達到的最高溫度的影響較大，燃燒達到的最高溫度差距明顯。

3 結(jié)論

通過對較高環(huán)境溫度下鈉滴氧化燃燒實驗現(xiàn)象的觀察和數(shù)據(jù)的分析，可得以下結(jié)論。

1）鈉滴的氧化燃燒過程基本可分為初期的表面氧化放熱、中期的鈉滴的預(yù)熱和點燃以及后期的燃燒等3個階段。在相同的氧濃度條件下，較高的初始溫度會促使鈉滴易著火燃燒，且較為劇烈，但燃燒的基本特征未發(fā)生根本變化；周圍環(huán)境的氧濃度對鈉滴燃燒的影響程度要遠高于鈉滴初始溫度的，氧濃度的高低會改變鈉滴燃燒的特征。

2）鈉滴初始溫度在300℃以上時易點燃，鈉霧會使鈉滴燃燒強烈，白色火焰明顯；初始溫度在300℃以下時，氧化、點燃和燃燒過程中表面會產(chǎn)生柱狀氧化物，鈉滴的初始溫度和氧濃度越低，氧化物越長；初始溫度在200℃以下時很難點燃，當(dāng)有擾動破壞了表面的氧化層時，鈉滴也會逐漸燃燒，燃燒時柱狀氧化物尤為明顯。

3）在氧濃度較高（≥12%）條件下，初始溫度對鈉滴的燃燒及所達到的最高溫度的影響較小，燃燒較為充分，最高溫度基本可升至600～800℃；在氧濃度較低（＜12%）條件下，初始溫度對鈉滴燃燒影響較大，燃燒不充分，燃燒的最高溫度均在600℃以下，所達到的最高溫度差距明顯。

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Experiment Study on Oxidation and Combustion Characteristics of Sodium Droplets

ZHANG Zhi-gang，SUN Shu-bin，LIU Chong-chong，TANG Ye-xin
（Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin150001，China）

In the operation of the sodium-cooled fast reactor，the accident caused by the leakage and combustion of liquid sodium is common and frequent.In this paper，the oxidation and combustion characteristics of sodium droplets were studied by carrying out the experiments of the oxidation and combustion under different conditions of initial temperatures（140-370℃）of the sodium droplets and oxygen concentrations（4%-21%）.The oxidation and combustion behaviors were visualized by a set of combustion apparatus of sodium droplet and a high speed camera.The experiment results show that the columnar oxides grow longer as the initial temperature of sodium droplet and oxygen concentration become lower.Under the same oxygen concentration condition，the sodium droplet with the higher initial temperature is easier to ignite and burn.When the initial temperature of sodium droplet is below 200℃，it is very difficult to ignite.Ifthere is a turbulence damaging the oxide layer on the surface，the sodium droplet will also burn gradually.When the initial temperature ranges from 140℃to 370℃and the oxygen fraction is equal to or higher than 12%，the sodium droplet could burn completely and the maximum combustion temperature could roughly reach 600-800℃.When the oxygen concentration is below 12%，the sodium droplet could not burn completely and the highest combustion temperature is below 600℃.The results are helpful to the research on the columnar flow and spray sodium fire.

sodium-cooled fast reactor；liquid sodium；oxidation；combustion

TL43

：A

：1000-6931（2015）04-0667-07

10.7538／yzk.2015.49.04.0667

2013-12-20；

2014-06-26

國家自然科學(xué)基金資助項目（51476040，11105034）；核能開發(fā)資助項目；第46批教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金資助項目

張智剛（1979—），男，遼寧丹東人，副教授，博士，核能科學(xué)與工程專業(yè)