于明銳，常 猛，逯馨華，韓旭，孟利利，*

(1. 中國核電工程有限公司，北京 100840；2. 環(huán)境保護部核與輻射安全中心, 北京 100082)

基于表面改性技術(shù)的PCS強化換熱效果分析

于明銳1，常 猛2，逯馨華2，韓旭1，孟利利2，*

(1. 中國核電工程有限公司，北京 100840；2. 環(huán)境保護部核與輻射安全中心, 北京 100082)

非能動安全殼冷卻系統(tǒng)(PCS)是第三代核電廠的核心安全系統(tǒng)之一，其排熱功率可采取技術(shù)手段予以提升，可通過鋼制換熱界面表面改性技術(shù)提升其排熱功率。本文首先通過對表面改性工藝進行分析，總結(jié)了各個工藝的特點，指出其工業(yè)化應用的限制因素，最后對PCS強化換熱效果進行了計算，結(jié)果表明該技術(shù)可以加速安全殼降溫降壓過程，提升核電廠應對事故的能力。

珠狀凝結(jié)；表面改性；PCS；傳熱

非能動安全殼冷卻系統(tǒng)(Passive Containment Cooling System，簡稱PCS)用于事故情況下安全殼的降壓和反應堆余熱導出，是第三代核電廠的核心安全系統(tǒng)之一。PCS通過鋼制換熱界面將殼內(nèi)熱量導出到外界環(huán)境中，保證安全殼不受損壞，PCS的排熱功率與安全殼完整性息息相關(guān)，可采取技術(shù)手段予以提升[1-5]。某三代核電廠中PCS換熱界面為殼內(nèi)鋼制換熱器，如圖1所示；AP1000中PCS換熱界面為鋼制安全殼，如圖2所示。

圖1 PCS示意圖Fig.1 Diagram of PCS system

目前蒸汽凝結(jié)傳熱方式大都為膜狀凝結(jié)，而珠狀凝結(jié)的傳熱系數(shù)是相應膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)的幾倍至幾十倍，因此，珠狀凝結(jié)被認為是目前最有效的強化換熱方式，但至今仍未能實現(xiàn)珠狀凝結(jié)在工業(yè)上的應用[6-8]。本文對表面涂層材料及表面改性工藝進行總結(jié)和分析，并提出了將表面改性技術(shù)應用于PCS的設想，最后分析了強化換熱后PCS性能。

圖2 AP1000 PCS示意圖Fig.2 Diagram of AP1000 PCS system

1 珠狀凝結(jié)的實現(xiàn)途徑

在一定條件下，蒸汽實現(xiàn)珠狀凝結(jié)的基本條件是：冷凝表面具有較低的表面能，冷凝液滴在固體表面能形成較大的接觸角；冷凝壁面上可以形成成核中心。目前PCS換熱界面均為鋼制結(jié)構(gòu)，具有高表面能，接觸角小，難以形成珠狀凝結(jié)，必須通過對鋼表面進行改性處理，設法降低表面自由能，才能實現(xiàn)珠狀凝結(jié)。

表面涂層材料主要包括：金、銀、鉻等一些貴金屬、某些金屬硫化物以及非晶組織、高分子聚合物、具有憎水基團的有機化合物、鍍類金剛石薄膜(DLC)以及新興的納米材料等[9,10]，表1給出了部分表面涂層材料熱導率及接觸角。從表中可知，聚四氟乙烯(PTFE)具有很大的接觸角，但其熱導率很低；鎳基合金具有接觸角大、熱導率高的特點。綜合對比材料性質(zhì)，鎳基合金更適適合作為PCS表面改性涂層材料。

表1 不同材料的熱導率與接觸角Table 1 Thermal conductivity and contact angle of different material

注：-示未獲得相應數(shù)據(jù)。

選取適當?shù)谋砻娓男圆牧虾?，需通過表面改性工藝將材料與金屬基底穩(wěn)定的結(jié)合在一起，這樣才能有效、持續(xù)的實現(xiàn)水蒸氣珠狀凝結(jié)。圖3為幾種表面改性強化換熱效果與膜狀凝結(jié)換熱效果比較[11-15]。圖3 中的曲線大致可分為4組，第一組是0、1和2曲線，由這幾條曲線可知，盡管PTFE 表面涂層可獲得滴狀冷凝，但由于PTFE 的導熱系數(shù)很小，普通涂覆工藝又難以獲得很薄的涂層，涂層所產(chǎn)生的附加熱阻幾乎將滴狀冷凝的優(yōu)點抵消殆盡，使總傳熱的效果大致與膜狀冷凝相當。第二組曲線是3、4、5和6，采用離子注入等特殊工藝，不僅改善了膜層與基底的結(jié)合，同時可獲得超薄的PTFE 膜層，使傳熱效果優(yōu)于膜狀冷凝。第三組曲線是7、8和9，電鍍貴金屬層優(yōu)于各種手段所得到的PTFE膜層，這可能與貴金屬的導熱系數(shù)較大有關(guān)。第四組是曲線10、11、12、13和14，采用等離子體技術(shù)改性的表面，均具有優(yōu)異的滴狀冷凝傳熱特性，在較小的溫差下即可獲得很高的熱通量，這主要得益于膜層較薄及表面具有更多的成核中心。

圖3 表面改性強化換熱效果比較Fig.3 Comparison of heat transfer effect on various modified surfaces

注：0-豎直銅圓平面上的滯流膜狀冷凝；1-涂24μm PTFE的光滑豎直紫銅管；2-涂6.4μm PTFE的水平光滑鋁管；3-離子注入PTFE的光滑豎直紫銅管；4-含氟DLC紫銅管(3.1μm)；5-離子注入PTFE的光滑豎直黃銅管；6-電化學腐蝕后涂PTFE的水平紫銅管；7-等離子體增強沉積DLC(3.1μm)的銅表面；8-外表電鍍0.05μm銀的豎直紫銅圓平面；9-電鍍0.1μm金的豎直紫銅圓平面；10-含硅類金剛石薄膜紫銅管(2.0μm)；11-含硅類金剛石薄膜紫銅管(4.0μm)；12-等離子體鍍鉻的豎直紫銅圓平面；13十八烷基硫化物改性豎直紫銅板；14等離子體表面聚合八氟環(huán)丁烷改性的豎直紫銅管(0.914μm)

表面改性技術(shù)不能僅關(guān)注強化換熱效果，其實際性能還受到諸多影響因素制約，如：涂層附加熱阻、涂層與基材的結(jié)合力、涂裝工藝的成本等?；谝陨弦蛩?，對各種工藝進行對比，結(jié)果見表2。在諸多的表面改性方式中，電鍍貴金屬層可以獲得珠狀冷凝效果良好的表面，這可能與貴金屬的導熱系數(shù)較大有關(guān)，但鍍貴金屬存在成本過高的問題；有機促進劑使用壽命不長，且易帶來污染；分子自組裝膜與基體結(jié)合欠佳，容易脫落；有機膜層一般都有導熱系數(shù)較小并且容易老化、損壞而失效等不足；離子注入等特殊工藝操作成本較高，而且難以適于異形結(jié)構(gòu)的固體表面；等離子體技術(shù)只能處理小試件，且成本很高，如果應用于PCS中，必須建造能處理工業(yè)規(guī)模的專用設備，且要控制生產(chǎn)成本；化學鍍的工業(yè)基礎(chǔ)好，設備簡單、易于操作，制備的鍍層均勻性好，物理、化學及力學性能優(yōu)異，對工件的外形尺寸沒有嚴格要求，因此具有很好的可推廣性?；瘜W鍍Ni-P合金具有許多優(yōu)異的物理化學性能，其鍍層凝結(jié)傳熱系數(shù)可提高3-5倍，平均傳熱系數(shù)提高0.4-0.97倍，強化換熱效果顯著[16]。

由上文分析可知，化學鍍Ni-P工藝成熟，又具有較好的強化換熱能力，可作為PCS強化換熱的實施工藝。

表2 表面改性工藝對比Table 2 Comparison of surface modification technology

2 PCS強化換熱效果分析

為研究某三代核電站PCS強化換熱的影響，本文使用自編的PCS程序模塊對系統(tǒng)強化換熱后的性能進行計算。根據(jù)文獻8和文獻16的實驗結(jié)果，冷凝換熱系數(shù)增量取1-13倍；蒸汽分壓0.248×106Pa，蒸汽溫度400K。計算結(jié)果如圖4所示。由圖可知，換熱量隨著冷凝換熱系數(shù)先增加，當達到某一閾值后，即圖4中冷凝換熱系數(shù)大于5后，繼續(xù)增大冷凝換熱系數(shù)對換熱量無明顯影響。

圖4 冷凝換熱系數(shù)增加對換熱性能影響Fig.4 Influence of condensation heat transfer coefficient on heat exchange ability

為了進一步分析強化換熱對安全殼內(nèi)壓力、溫度的影響，本文分別計算了 PCS投入運行、PCS強化傳熱以及PCS不投入運行三種情況下殼內(nèi)壓力、溫度的響應曲線。

根據(jù)化學Ni-P鍍工藝強化換熱實驗[16]及上文分析結(jié)果，取冷凝換熱系數(shù)增量為5倍。選取事故序列為：起始時刻發(fā)生熱段雙端斷裂大破口事故，疊加全場斷電、安注泵失效、安全殼噴淋失效。

從圖5和圖6可以看出，在事故初始階段，殼內(nèi)壓力迅速升高，并達到峰值，約為0.3MPa。部分大空間的蒸汽接觸安全殼內(nèi)熱構(gòu)件(包含水池)而冷卻，殼內(nèi)壓力開始降低。有無PCS的壓力峰值差約為0.07MPa。PCS強化傳熱的情況下壓力差值可達0.15MPa左右，對壓力峰值有明顯降低作用。溫度變化與壓力變化基本一致。有無PCS的安全殼溫度差值約為20℃，PCS強化傳熱的情況下溫度差值可達40℃左右(約380K)，對殼內(nèi)降溫作用更為顯著。PCS應用表面改性強化

圖5 PCS強化換熱對殼內(nèi)溫度的影響Fig.5 Influence of temperature in containment by PCS

圖6 PCS強化換熱對殼內(nèi)壓力的影響Fig.6 Influence of pressure in containment by PCS

換熱技術(shù)，對提高安全殼乃至整個核電廠的安全性具有促進作用。需要注意的是涂層壽命是決定PCS能否實現(xiàn)強化換熱功能的關(guān)鍵因素，即在核電廠正常運行期間，PCS處于長期備用狀態(tài)，涂層需保持其可用性。

3 總結(jié)

珠狀凝結(jié)現(xiàn)象經(jīng)過近90年的研究，其理論已經(jīng)日趨完善和成熟，但在工業(yè)化應用上仍然進展緩慢。與常規(guī)工業(yè)領(lǐng)域相比，核領(lǐng)域由于其具有一定的特殊性，對表面改性技術(shù)要求側(cè)重點不同，在表面改性材料與工藝設計上，可以獲得更大的靈活性。計算結(jié)果表明，將表面改性強化換熱技術(shù)應用于PCS可明顯加速殼內(nèi)降壓和降溫過程，提升核電廠應對事故的能力。

[1] 葉成，鄭明光，王明路，等.福島事故后大型先進壓水堆安全發(fā)展探討[J].核安全，2014，13(1)：50-54.

[2] 陳召林，肖鈞，鄭繼業(yè)，等.關(guān)于壓水堆安全殼功能設計審評的相關(guān)問題的探討[J].核安全，2014，12(4)：15-19.[3] 嚴天文，李吉根，張琳，等.新建核電廠幾個重要安全要求的探討[J].核安全，2013，12(S1)：72-78.

[4] 劉曉壯.國內(nèi)外部分小型壓水堆安全特性比較分析[J].核安全，2015，14(1)：56-59.

[5] 朱杰，張博平，楊森垓，等. 國內(nèi)壓水堆核電廠安全殼噴淋試驗的比較分析[J].核安全，2013，12(4)：89-91.

[6] Schmidt E, Schuring W. Versuche die condensation in film-uud tropfenform[J].Tech. Mech. Thermo dynamik, 1930, 1: 53-63.[7] 馬學虎，劉延來，陳嘉賓.聚四氟乙烯薄膜表面滴狀冷凝傳熱實驗研究[J].化學工程，2003，31(3)：27-30.

[8] 郎需慶，馬紅欽，譚欣.滴狀冷凝機理及冷凝表面改性的研究進展[J].石油化工高等學校學報，2004，17(2)：32-39.[9] 馬學虎，徐敦頑，林紀方. 實現(xiàn)水蒸汽滴狀冷凝的表面材料研究[J].大連理工大學學報，1994，34(6)：662-666.

[10] 王乃華，李淑英，駱仲泱. 鎳基滲層管表面實現(xiàn)珠狀凝結(jié)的研究[J].動力工程，2002，22(3)：1804-1807.

[11] 李瑞卿，彭如恕，劉清. 激光表面改性促進水蒸氣滴狀冷凝傳熱的實驗研究[J].熱加工工藝，2012，41：133-135.[12] 馬學虎，朱曉波，安家明. 類金剛石和厚有機膜促進水蒸氣滴狀冷凝傳熱的實驗研究[J].熱科學與技術(shù)，2003(1)：25-29.

[13] 杜長海，馬學虎，徐敦顧. 超薄PTFE表面上滴狀冷凝的傳熱研究[J].化學工業(yè)與工程，2000，17(4)：192-197.

[14] 馬學虎，王補宣，徐敦頎.聚合物表面滴狀冷凝傳熱壽命的實驗研究[J].工程熱物理學報，1997，18(2)：196-200.[15] 宋永吉，任曉光，任紹梅，等.水蒸氣在超疏水表面上的冷凝傳熱[J].工程熱物理學報，2007，28(1)：95-97.

[16] 程延海，朱真才，韓正銅，等.鍍層換熱表面凝結(jié)傳熱實驗研究[J].中國機電工程學報，2010,30(8)：27-32.

AnalysisonHeatExchangingPowerofPCSBasedonSurfaceModificationTechnology

YU Mingrui1，CHANG Meng2，LU Xinhua2，HAN Xu1，MENG Lili2,*

(1. China Nuclear Power Engineering Company, Beijing 100840, China；2.Nuclear and Radiation Safety Center, MEP,Beijing 100082,China)

PCS is one of the core security systems of the third generation of nuclear power plant, its heat exchange power should be improved as high as possible, the heat exchange power of PCS can be improved by surface modification of the steel interface. The characteristics of each technology are summarized by analyzing the surface modification techniques, and the limiting factors of industrial application are indicated. Finally, the enhancement effect of PCS is calculated, the results show that it will accelerate the cooling of the containment vessel, and improve the nuclear power plants’ ability to deal with accidents.

drop-wise condensation；surface modification；PCS；heat transfer

TL364+.3

：A

：1672- 5360(2017)02- 0091- 04

2017- 03- 27

2017- 05- 04

大型先進壓水堆核電站國家科技重大專項，項目編號：2017ZX06004001

于明銳(1986—)，男，吉林公主嶺人，工程師，博士，核能科學與工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事核安全分析工作