胡 騰,常華健,2,薛艷芳?,趙宇峰,楊 勝,陸 維,張 明,張 祥,張 鵬

(1.國(guó)核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司,北京102200;2.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究,北京 100084)

熔融物堆內(nèi)滯留是先進(jìn)反應(yīng)堆中十分重要的嚴(yán)重事故緩解措施之一。壓力容器下封頭外部冷卻(Exter nal Reactor Vessel Cooling,ERVC)是實(shí)現(xiàn)堆內(nèi)熔融物滯留的有效方式[1-4]。對(duì)于CAP1400核電站,在嚴(yán)重事故工況下,如圖1所示,安全殼內(nèi)置換料水箱的水排放至堆腔,淹沒(méi)壓力容器,水通過(guò)保溫層底部入口進(jìn)入壓力容器外壁面和壓力容器保溫層之間的流道,帶走壓力容器下封頭內(nèi)的堆芯熔融物衰變熱,當(dāng)熔融物作用于壓力容器下封頭的熱流密度小于壓力容器外壁面對(duì)應(yīng)位置處的臨界熱通量時(shí),就可保證壓力容器外表面維持低溫、具有承壓和承重等能力,維持壓力容器的完整性,實(shí)現(xiàn)熔融物壓力容器內(nèi)滯留。因此臨界熱通量決定了ERVC的冷卻能力限制,與壓力容器完整性息息相關(guān)。

針對(duì)策略有效性的評(píng)估已開(kāi)展過(guò)較多試驗(yàn)研究,如ULPU系列試驗(yàn)[5-6]、SULTAN試驗(yàn)[7]、SBLB試驗(yàn)[8-9]等。相關(guān)研究結(jié)果揭示了特定條件下壓力容器下封頭外壁面CHF的變化規(guī)律,也為相應(yīng)堆型IVR措施的驗(yàn)證提供了數(shù)據(jù)支撐。但上述研究并未完全反應(yīng)實(shí)際IVR-ERVC工況下加熱表面材料及冷卻介質(zhì)水化學(xué)特性等因素對(duì)CHF的影響。此外,CAP1400由于熔融池?zé)崃髅芏仍黾?壓力容器尺寸與保溫層流道結(jié)構(gòu)較AP1000也有所不同。因此需要針對(duì)CAP1400IVRERVC策略中的臨界熱通量重新開(kāi)展試驗(yàn)研究。針對(duì)CAP1400熔融物堆內(nèi)滯留 (IVR)中提高臨界熱通量關(guān)鍵因素開(kāi)展了試驗(yàn)研究,本論文主要對(duì)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、主要技術(shù)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行介紹。

圖1 熔融物堆內(nèi)滯留 (IVR)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of In-vessel retention strategy

1 提高臨界熱通量關(guān)鍵因素試驗(yàn)裝置

提高臨界熱通量關(guān)鍵因素試驗(yàn)裝置首次實(shí)現(xiàn)了采用壓力容器表面真實(shí)材料SA508Ⅲ鋼作為加熱段的大型工程性ERVC-CHF試驗(yàn),試驗(yàn)工質(zhì)采用了去離子水、自來(lái)水以及包絡(luò)核電廠(chǎng)嚴(yán)重事故工況下的真實(shí)化學(xué)水溶液,試驗(yàn)的最大熱流密度為2.4 MW/m2,可用于開(kāi)展CAP1400 IVRERVC關(guān)鍵影響因素試驗(yàn)研究和工程性試驗(yàn)驗(yàn)證[10-12]。

熱通量試驗(yàn)裝置如圖2所示,該裝置以CAP1400 IVR系統(tǒng)原型為參照,建立了二維全尺寸、全堆腔液位高度試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)系統(tǒng)包括主回路系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。主回路系統(tǒng)是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心,包括預(yù)熱水箱、試驗(yàn)本體、循環(huán)泵以及高位水箱等組成。輔助系統(tǒng)由冷卻與冷凝系統(tǒng)、預(yù)加熱系統(tǒng)、供水配藥系統(tǒng)、測(cè)量與控制系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)本體是主回路系統(tǒng)的核心設(shè)備如圖3所示,采用二維切片式設(shè)計(jì),由加熱塊、流道側(cè)板、流道底板形成試驗(yàn)流道,模擬反應(yīng)堆壓力容器外表面與保溫層之間的流道間隙。試驗(yàn)段采用了壓力容器下封頭全角度的1/3(即30°)的弧形試驗(yàn)段代替全角度試驗(yàn)段,通過(guò)旋轉(zhuǎn),可實(shí)現(xiàn)0°～90°各角度的CHF測(cè)試,為保證試驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)位置處的含氣率、主流過(guò)冷度與原型相同,在試驗(yàn)段前增加有預(yù)熱段,對(duì)上游進(jìn)行加熱。

圖2 FIRM試驗(yàn)裝置Fig.2 Sche matic diagra m of FIRM facility

為了研究壓力容器真實(shí)表面材料對(duì)CHF的影響,在FIRM試驗(yàn)臺(tái)架中采用了紫銅-SA508 Gr3.Cl.1鋼復(fù)合材料制成的試驗(yàn)段加熱塊如圖4所示。由于鋼的熱阻較常用的加熱塊材料 (如銅或鋁等)高,實(shí)現(xiàn)真實(shí)表面材料的模擬是最困難的技術(shù)難點(diǎn)之一,特別是對(duì)于高熱流密度的試驗(yàn)段設(shè)計(jì),本研究通過(guò)爆炸焊接工藝獲得,其中鋼層厚度為2.5 mm。在FIRM試驗(yàn)臺(tái)架中,堆芯熔融物衰變熱由加熱塊中的鎧裝加熱棒提供的熱量模擬。試驗(yàn)段共安裝有340根鎧裝加熱棒,能為加熱表面提供最高可達(dá)2.4 MW/m2的熱流密度。加熱塊共分為29個(gè)獨(dú)立的加熱區(qū),其中10個(gè)為備用加熱區(qū),以模擬熔池?zé)崃髅芏刃螤罘植?。為監(jiān)測(cè)加熱塊表面的CHF行為,試驗(yàn)段加熱塊表面附近安裝有兩排熱電偶,其中第1排距離換熱面5 mm,每根熱電偶間隔3°;第2排距離換熱面12 mm,每根熱電偶間隔1°。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

圖3 試驗(yàn)段本體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagra m of test section

圖4 試驗(yàn)段加熱塊照片F(xiàn)ig.4 Image of heating block of test section

表1 試驗(yàn)臺(tái)架主要參數(shù)Table 1 Main design parameters of experi ment

續(xù)表

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

提高臨界熱通量關(guān)鍵因素試驗(yàn)圍繞CAP1400實(shí)現(xiàn)IVR的壓力容器外部冷卻技術(shù),設(shè)計(jì)、建立二維切片形式的試驗(yàn)臺(tái)架,通過(guò)試驗(yàn)來(lái)分析水化學(xué)特性和壓力容器外表面特性等關(guān)鍵因素對(duì)ERVC過(guò)程沸騰換熱及CHF特性的影響規(guī)律,以充分挖掘ERVC過(guò)程傳熱能力的潛力,為相關(guān)的安全評(píng)審提供技術(shù)支持。研究的關(guān)鍵參數(shù)主要包括材料表面特性、冷卻介質(zhì)水化學(xué)特性和關(guān)鍵流動(dòng)參數(shù) (如流量和過(guò)冷度),具體試驗(yàn)工況矩陣見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Experi ment conditions

圖5對(duì)比分析了在去離子水工況條件下不同表面材料對(duì)ERVC過(guò)程沸騰換熱CHF的影響,相比于銅 (ULPU-Ⅲ)表面,本試驗(yàn)SA508 Gr.3 Cl.1鋼作為表面材料能夠顯著提高CHF,尤其在高角度 (81°)即可能存在熱聚焦效應(yīng)的位置,真實(shí)表面材料下的CHF較銅提高了32.1%。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試驗(yàn)段加熱表面的觀(guān)察和測(cè)試,解釋了CHF值的增大與加熱后表面材料狀態(tài)改變有關(guān)。在去離子水試驗(yàn)工質(zhì)條件下,真實(shí)材料 (SA508 Gr.3 Cl.1鋼)作為加熱面的表面會(huì)產(chǎn)生黑色的氧化物-Fe4O3,其作為磁性納米顆粒對(duì)于表面CHF有顯著增強(qiáng)效應(yīng)。

圖5 表面材料對(duì)CHF的影響Fig.5 Influence of surface material on CHF

圖6分析了在高極角 (81°)的位置,去離子水工況條件下,流量和過(guò)冷度分別對(duì)CHF的影響?？梢钥闯隽髁亢瓦^(guò)冷度均會(huì)對(duì)CHF產(chǎn)生影響。由圖6(a)可見(jiàn),流量從30 t/h提高至60 t/h,臨界熱流密度從約1.61 MW/m2提高到約1.76 MW/m2。圖6(b)表明過(guò)冷度對(duì)CHF也有較為明顯的影響,過(guò)冷度從12°提升至21°,可使臨界熱流密度值越高從約1.66 MW/m2提高到約1.81 MW/m2。

圖6 流動(dòng)參數(shù)對(duì)CHF的影響Fig.6 Influence of flow para meters on CHF

圖7分析了水化學(xué)特性對(duì)CHF的影響規(guī)律。根據(jù)已有研究表明,下封頭高角度區(qū)域是IVR措施熱工裕量相對(duì)較低的位置,該區(qū)域的CHF更值得關(guān)注,因此選取81°位置進(jìn)行化學(xué)水CHF變化規(guī)律分析?；瘜W(xué)溶液濃度為0表示去離子水試驗(yàn)結(jié)果,從圖7(a)可以看出相比去離子水工況,隨硼酸濃度增大,CHF略有降低,這一變化趨勢(shì)與Lee[13]等人相同。在一定硼酸濃度(2500 mg/L)下,CHF值對(duì)流量變化并不敏感,這與去離子水工況的試驗(yàn)結(jié)果有所不同。從圖7(b)可以看出,相比去離子水工況,隨磷酸三鈉(TSP)濃度的增大,CHF首先略有增加,當(dāng)TSP濃度較高時(shí),CHF略有降低。圖7(c)表示混合溶液硼酸和磷酸三鈉對(duì)CHF的影響規(guī)律,保持硼酸濃度2400 mg/L條件下,改變磷酸三鈉濃度,形成不同濃度組合的混合溶液,可以看出在TSP濃度較低時(shí),混合溶液的CHF得到強(qiáng)化,隨著TSP濃度增加而增大,而對(duì)于磷酸三鈉濃度為3500 mg/L的混合溶液,其CHF值相比去離子水反而有所降低。

圖7 水化學(xué)對(duì)CHF的影響規(guī)律Fig.7 Influence of che mical additives on CHF

3 結(jié) 論

為了研究CAP1400核電熔融物堆內(nèi)滯留(IVR)嚴(yán)重事故緩解措施的有效性,以及流量、水化學(xué)等因素對(duì)于壓力容器下封頭外部臨界熱通量的影響。本研究設(shè)計(jì)并搭建了使用真實(shí)表面材料的研究反應(yīng)堆壓力容器下封頭ERVC-CHF試驗(yàn)平臺(tái) (FIRM)。在FIRM試驗(yàn)臺(tái)架上首次獲得了使用真實(shí)壓力容器表面材料情況下的下封頭臨界熱流密度值 (CHF),研究冷卻介質(zhì)流量、入口過(guò)冷度,水化學(xué)特性等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于臨界熱流密度 (CHF)的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果可用于CAP1400 IVR-ERVC措施相關(guān)的熱工安全裕度分析與驗(yàn)證,為相關(guān)的安全評(píng)審提供了技術(shù)支持。