， ，，，，，

(1.中國(guó)輻射防護(hù)研究院，山西太原030006； 2. 華能山東石島灣核電有限公司，山東威海264300)

高溫氣冷堆是以石墨包覆的燃料球作為燃料組件，以氦氣作為冷卻劑的核反應(yīng)堆，具有安全性好、發(fā)電效率高、可同時(shí)供電供熱等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)際上公認(rèn)的第4代核反應(yīng)堆發(fā)展堆型之一[1]。高溫氣冷堆運(yùn)行過(guò)程中，石墨燃料元件球相互摩擦碰撞會(huì)產(chǎn)生石墨粉塵隨氦氣流動(dòng)，放射性粉塵在某些部位沉積后可能會(huì)給核電站的維護(hù)檢修帶來(lái)不便。

德國(guó)在20世紀(jì)末對(duì)工作組實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器(AVR)中的石墨粉塵進(jìn)行了檢測(cè)[2]。Rostamian等[3]建立了一個(gè)理論計(jì)算模型，以此來(lái)研究高溫氣冷堆內(nèi)的石墨粉塵產(chǎn)生情況。Moormann[4]總結(jié)了AVR的經(jīng)驗(yàn)，建議反應(yīng)堆一回路中要有高效的石墨粉塵過(guò)濾器裝置。

劉馬林等[5]概述了高溫氣冷堆中顆粒學(xué)的應(yīng)用。雒曉衛(wèi)等[6-7]對(duì)不同氣氛下石墨粉塵的產(chǎn)粉量和尺寸分布進(jìn)行了估算。彭威等[8-9]對(duì)高溫氣冷堆熱氣導(dǎo)管中石墨粉塵沉積特性和蒸汽發(fā)生器內(nèi)的石墨粉塵運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了研究。陳志鵬等[10]考慮了包含沉積主要影響因素的計(jì)算顆粒沉積速度，采用一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，來(lái)研究高溫氣冷堆石墨粉塵在一回路管道表面的沉積。王世超等[11]對(duì)豎直通道中可吸入顆粒物運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。很多學(xué)者還對(duì)高溫氣冷堆內(nèi)石墨粉塵的碰撞、凝并以及再懸浮這一過(guò)程進(jìn)行了研究[12-14]。

文獻(xiàn)中對(duì)高溫氣冷堆內(nèi)石墨粉塵沉積的研究多通過(guò)理論計(jì)算或者數(shù)值模擬的手段進(jìn)行。本文中通過(guò)構(gòu)建氦氣實(shí)驗(yàn)回路，開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器內(nèi)的石墨粉塵沉積情況進(jìn)行了估算。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 裝置

氦氣實(shí)驗(yàn)回路是本研究中的核心實(shí)驗(yàn)裝置，主要作用為模擬一回路氦氣循環(huán)氣氛與高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器內(nèi)特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行氦氣載帶石墨粉塵沉積實(shí)驗(yàn)研究，分為2個(gè)部分，即主回路部分與實(shí)驗(yàn)段部分。

主回路部分主要包含氦氣供氣系統(tǒng)、氦氣風(fēng)機(jī)、主管道、電加熱器、粉塵發(fā)生裝置、儀控與測(cè)量系統(tǒng)等6個(gè)組成部分。實(shí)驗(yàn)段部分主要包含蒸汽發(fā)生器底部模擬件與蒸汽發(fā)生器換熱單元模擬件2個(gè)部分。圖1為氦氣實(shí)驗(yàn)回路系統(tǒng)圖。

圖1 氦氣實(shí)驗(yàn)回路系統(tǒng)圖Fig.1 Helium experiment loop system

1.2 方法

主要探討不同氣速和溫度條件下，蒸汽發(fā)生器底部與換熱單元模擬件內(nèi)石墨粉塵的沉積分布與沉積量。

1.2.1 蒸汽發(fā)生器底部沉積

蒸汽發(fā)生器底部模擬件主要用以研究蒸汽發(fā)生器底部封頭及人孔位置處的石墨粉塵沉積分布及沉積量。

圖2為蒸汽發(fā)生器底部模擬件，按照HTR-PM高溫氣冷示范堆蒸汽發(fā)生器底部封頭原設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行等比例(1∶5)縮小。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程是將蒸汽發(fā)生器底部模擬件接入氦氣實(shí)驗(yàn)回路內(nèi)進(jìn)行。為了方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，在氦氣實(shí)驗(yàn)回路底部封頭畫(huà)刻度線。

圖2 蒸汽發(fā)生器底部模擬件Fig.2 Simulator for steam generator bottom

在常溫、770 m3/h風(fēng)量的條件下進(jìn)行沉積實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄蒸汽發(fā)生器底部沉積過(guò)程中實(shí)驗(yàn)段的前、后2處的粉塵質(zhì)量濃度，并繪制沉積曲線。

更改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，分別在下述條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：1)風(fēng)速770 m3/h，250 ℃；2)風(fēng)速400 m3/h，常溫；3)風(fēng)速400 m3，250 ℃。

如圖2所示，將蒸汽發(fā)生器底部標(biāo)記刻度，將其分為4個(gè)區(qū)域，即0～15 cm、>15～30 cm、>30～45 cm和人孔，分別考察不同實(shí)驗(yàn)條件下4個(gè)區(qū)域的石墨粉塵沉積分布情況。

1.2.2 蒸汽發(fā)生器換熱單元沉積

按照高溫氣冷示范堆蒸汽發(fā)生器換熱單元盤(pán)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要研究石墨粉塵在換熱單元內(nèi)細(xì)密排管間的沉積。HTR-PM內(nèi)換熱單元內(nèi)有5圈排管，排管直徑19 mm，排管上下中心間距為25 mm，左右中心間距為31.5 mm，總高約10 m。

模擬件對(duì)徑向尺寸進(jìn)行了1∶1模擬，排管直徑及排管間距與真實(shí)樣品相同。為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ颓曳奖銓?shí)驗(yàn)操作，將原本5圈排管簡(jiǎn)化為3圈，將連續(xù)的螺旋盤(pán)管改為套環(huán)的形式，并將圈數(shù)由310縮少為30，總高度縮減為780 mm。如圖3所示。

圖3 蒸汽發(fā)生器換熱單元模擬件Fig.3 Steam generator heat transfer unit simulation specimen

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)蒸汽發(fā)生器底部沉積影響

2.1.1 對(duì)沉積過(guò)程的影響

常溫、770 m3/h風(fēng)量的條件下進(jìn)行沉積實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖可知，在發(fā)塵初始階段，回路內(nèi)的石墨粉塵質(zhì)量濃度逐漸上升，從600 mg/m3增大至750 mg/m3；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)段出口石墨粉塵質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。6 min后，發(fā)塵結(jié)束，氦氣實(shí)驗(yàn)回路中的石墨粉塵質(zhì)量濃度開(kāi)始逐漸減小，隨著氦氣循環(huán)，約30 min后，回路內(nèi)石墨粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后實(shí)驗(yàn)段前端與后端石墨粉塵質(zhì)量濃度基本相同，約115 mg/m3，這部分石墨粉塵隨著氦氣回路進(jìn)行循環(huán)，沉積已經(jīng)達(dá)到飽和，剩余石墨粉塵在氦氣中懸浮，將該部分石墨粉塵通過(guò)卸料口卸出，并通過(guò)粉塵過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾。對(duì)2條沉積曲線進(jìn)行積分面積計(jì)算，并計(jì)算其面積差可得，整個(gè)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)總的石墨粉塵沉積質(zhì)量約為29.04 g。

圖4 石墨粉塵沉積曲線(770 m3/h，常溫)Fig.4 Graphite dust deposition (770 m3/h, NT)

更改實(shí)驗(yàn)參數(shù)后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖可知，在前6 min的發(fā)塵階段，實(shí)驗(yàn)段前端的石墨粉塵質(zhì)量濃度逐漸增大，同時(shí)后端的石墨粉塵質(zhì)量濃度趨勢(shì)與前端基本相同。停止發(fā)塵后，氦氣實(shí)驗(yàn)回路內(nèi)的石墨粉塵總量不再增加，且隨著石墨粉塵在回路內(nèi)循環(huán)，逐漸發(fā)生沉積，回路內(nèi)懸浮的石墨粉塵質(zhì)量濃度逐漸降低，并最終于15～20 min后質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定。

a 770 m3/h，250 ℃

b 400 m3/h，常溫

c 400 m3/h，250 ℃圖5 石墨粉塵沉積曲線Fig.5 Curves of graphite dust deposition

氦氣實(shí)驗(yàn)回路內(nèi)石墨粉塵沉積過(guò)程與氦氣的載氣溫度及載氣流速相關(guān)，在大風(fēng)速條件下，石墨粉塵在蒸汽發(fā)生器底部較難沉積，回路內(nèi)石墨粉塵質(zhì)量濃度初始上升較為明顯，且氦氣實(shí)驗(yàn)回路中的石墨粉塵沉積過(guò)程較為緩慢；穩(wěn)定后氦氣回路內(nèi)的石墨粉塵質(zhì)量濃度偏高，約115 mg/m3。與之相比，低氣速條件下石墨粉塵沉積速度更快，實(shí)驗(yàn)段入口處粉塵質(zhì)量濃度基本不增加，初始進(jìn)入的石墨粉塵經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)后基本全部沉積在實(shí)驗(yàn)段、氦氣回路主管路、連接法蘭、閥門(mén)及風(fēng)機(jī)腔內(nèi)。后期發(fā)塵結(jié)束后，石墨粉塵質(zhì)量濃度迅速減小，達(dá)到平衡，平衡時(shí)的石墨粉塵質(zhì)量濃度約為60～80 mg/m3。

載氣的溫度對(duì)石墨粉塵的沉積過(guò)程也有一定影響，當(dāng)溫度達(dá)到250 ℃時(shí)，石墨粉塵在蒸汽發(fā)生器底部模擬件上的沉積速度更快，實(shí)驗(yàn)段入口處粉塵質(zhì)量濃度增加不太明顯，從出口處出來(lái)尚未沉積的石墨粉塵大部分沉積在從出口回歸入口的管道、閥門(mén)及風(fēng)機(jī)內(nèi)部，當(dāng)溫度升高后石墨粉塵沉積速度加快，但溫度的影響小于風(fēng)速。

對(duì)4種實(shí)驗(yàn)條件下2條沉積曲線的積分面積進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算其面積差可得，整個(gè)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)總的石墨粉塵沉積量分別為29.04 g(770 m3/h，常溫)、33.36 g(770 m3/h，250 ℃)、35.06 g(400 m3/h，常溫)、38.16 g(400 m3/h，250 ℃)。

2.1.2 對(duì)沉積分布的影響

在蒸汽發(fā)生器底部畫(huà)刻度線，不同實(shí)驗(yàn)條件下4個(gè)區(qū)域的石墨粉塵沉積分布情況見(jiàn)圖6。

由圖可知，石墨粉塵的沉積量與載氣溫度及載氣流速均有關(guān)系，隨著載氣速度越快，石墨粉塵沉積量越少，且氣速對(duì)石墨粉塵沉積量的影響封頭大于人孔。載氣溫度越高，石墨粉塵沉積量越多，但溫度對(duì)石墨粉塵沉積量的影響小于載氣速率。

a 風(fēng)速

b 溫度圖6 風(fēng)速和溫度對(duì)石墨粉塵沉積位置分布的影響Fig.6 Influence of wind speed and temperature on position distribution of graphite dust deposition

石墨粉塵的沉積位置與載氣速度關(guān)系也較大，當(dāng)載氣速度為200 m3/h時(shí)，石墨粉塵主要沉積在0～15 cm處，即主要沉積在封頭底部；當(dāng)載氣速度為400 m3/h，石墨粉塵在0～30 cm處均有分布，其中>15～30 cm范圍內(nèi)沉積的石墨粉塵占到40%左右；當(dāng)載氣速度達(dá)到770 m3/h，僅在>15～30 cm處有少量沉積，石墨粉塵主要沉積在人孔處。人孔處石墨粉塵的沉積收風(fēng)速影響小于封頭部位。

石墨粉塵的沉積位置與載氣溫度基本沒(méi)有關(guān)系，但沉積量與載氣溫度相關(guān)；當(dāng)載氣溫度升高時(shí)原先有沉積的位置沉積量有明顯增加，與載氣溫度呈現(xiàn)一定的正比關(guān)系，對(duì)于無(wú)沉積位置，即使升高載氣溫度，石墨粉塵沉積量無(wú)顯著變化；人孔中石墨粉塵的沉積量與封頭處的變化規(guī)律相同。

載氣速度與載氣溫度對(duì)石墨粉塵沉積情況的影響印證了其位置主要受湍流沉積作用影響，而沉積量與沉積速率受到重力和熱泳沉積的影響。

圖7為不同載氣條件下蒸汽發(fā)生器底部石墨粉塵沉積情況的照片。

a 200 m3/h,常溫 b 400 m3/h,常溫 c 770 m3/h,常溫 d 770 m3/h,100 ℃ e 770 m3/h,250 ℃圖7 石墨粉塵沉積照片F(xiàn)ig.7 Graphite dust deposition

由照片可以直觀看出，石墨粉塵的沉積量及分布位置。隨著風(fēng)速的增大，石墨粉塵沉積位置逐漸遠(yuǎn)離中心。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，中心凸臺(tái)位置積存有一定量的石墨粉塵，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，沉積位置逐漸上移動(dòng)至距凸臺(tái)20 cm處。人孔中的石墨粉塵沉積受風(fēng)速和溫度影響較小，且人孔的存在對(duì)石墨粉塵在封頭的沉積位置有一定影響，遠(yuǎn)離人孔位置的石墨粉塵沉積量較大。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)換熱單元沉積的影響

2.2.1 對(duì)沉積過(guò)程的影響

圖8為不同氦氣流量下的石墨粉塵沉積曲線圖。由圖可知，蒸汽發(fā)生器換熱單元的石墨粉塵沉積過(guò)程與蒸汽發(fā)生器底部不同，經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間才達(dá)到穩(wěn)定，且穩(wěn)定后的石墨粉塵質(zhì)量濃度較大，大量石墨粉塵沉積在氦氣實(shí)驗(yàn)回路的其他位置或未能發(fā)生沉積。打開(kāi)沉積原件后發(fā)現(xiàn)，沉積的石墨粉塵主要分布在3層套環(huán)及底部出口處，其中底部出口為配合套環(huán)進(jìn)行回路連接，應(yīng)重點(diǎn)研究3層套環(huán)上的石墨粉塵沉積量。

2.2.2 對(duì)沉積量的影響

圖9為內(nèi)中外圈上石墨粉塵沉積量隨載氣溫度的變化曲線。由圖可知，隨著溫度的升高，換熱單元盤(pán)管表面的石墨粉塵沉積量逐漸減少，且內(nèi)圈、中圈及外圈的沉積比例也不同。當(dāng)溫度較低時(shí)外圈沉積量最大，但隨著溫度升高，外圈石墨粉塵沉積量快速減少，達(dá)到平衡點(diǎn)后幾乎不受溫度影響。中圈與內(nèi)圈的石墨粉塵隨溫度升高也整體減少，但減少幅度較小。

圖10為內(nèi)中外圈上石墨粉塵沉積量隨載氣速度的變化曲線。由圖可知，隨著載氣氣速的升高，換熱單元盤(pán)管外圈與內(nèi)圈表面的石墨粉塵沉積量逐漸增加，而中圈的石墨粉塵沉積量受到載氣流速的影響較小。當(dāng)載氣速度較低時(shí)中圈沉積量最大，但隨著載氣速度的升高，內(nèi)圈與外圈的石墨粉塵沉積量呈線性增加。載氣速度達(dá)到462 m3/h時(shí)，內(nèi)外圈的沉積量都超過(guò)內(nèi)圈沉積量。

a 150 m3/h，常溫

b 700 m3/h，常溫圖8 石墨粉塵沉積曲線Fig.8 Curves of graphite dust deposition

圖9 載氣溫度對(duì)石墨粉塵沉積量的影響Fig.9 Influence of carrier gas temperature on deposition of graphite dust

圖10 載氣速度對(duì)石墨粉塵沉積量的影響Fig.10 Influence of carrier gas velocity on deposition of graphite dust

2.2.3 對(duì)沉積分布的影響

使用不同載氣溫度及載氣流速條件進(jìn)行蒸汽發(fā)生器換熱單元模擬件上內(nèi)石墨粉塵沉積研究，重點(diǎn)考察外圈、中圈和內(nèi)圈套環(huán)上的石墨粉塵沉積分布及沉積量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中從上至下逐層取出套環(huán)，分別收集各環(huán)上的石墨粉塵，并使用萬(wàn)分之一天平進(jìn)行稱(chēng)重獲得沉積量，測(cè)量結(jié)果保留3位有效數(shù)字。由于套環(huán)上沉積量較少，因此測(cè)量過(guò)程采用增量法進(jìn)行，即將稱(chēng)重后的擦拭棉紗進(jìn)行粉塵收集，收集后與石墨粉塵同時(shí)稱(chēng)重，進(jìn)一步計(jì)算出石墨粉塵沉積量。圖11為各套環(huán)表面石墨粉塵沉積情況。

圖12為不同實(shí)驗(yàn)條件下，換熱單元模擬件內(nèi)、中、外3層套環(huán)上的石墨粉塵沉積分布情況，縱坐標(biāo)為套環(huán)編號(hào)，由上至下編為1—30號(hào)，橫坐標(biāo)為石墨粉塵沉積線密度，由于內(nèi)、中、外3圈套環(huán)的直徑不同，因此為了直觀比較粉塵沉積量，計(jì)算了各環(huán)上的石墨粉塵線密度，定義為石墨粉塵沉積量與套環(huán)周長(zhǎng)的比值，單位為mg/cm。由圖可知，換熱單元模擬件內(nèi)、外圈上石墨粉塵分布不均勻，整體上符合上少下多的趨勢(shì)，在頂部入口處的幾圈盤(pán)管上，幾乎沒(méi)有石墨粉塵沉積。

圖11 換熱單元模擬件套環(huán)表面石墨粉塵沉積情況Fig.11 Graphite dust deposition on ring surface of simulation unit of heat exchanger unit

內(nèi)圈上的石墨粉塵沉積線密度上下較為均勻，入口處較少，在低溫低速條件下，約12環(huán)后達(dá)到均勻程度，在低溫高速條件下約5環(huán)就達(dá)到均勻，在高溫高速條件下出現(xiàn)5～15環(huán)與16～30環(huán)這2個(gè)較為平穩(wěn)的區(qū)域。外圈上的石墨粉塵沉積線密度與載氣流速、溫度的關(guān)系與內(nèi)圈大致相同，不同的是外圈上、下部分分布更加不平衡，從上至下逐漸增加質(zhì)量濃度，僅在最后5～10環(huán)相對(duì)平穩(wěn)，且最終的沉積線密度大于內(nèi)、中兩環(huán)。中圈上的石墨粉塵沉積線密度也是呈現(xiàn)上少下多的趨勢(shì)，與外圈類(lèi)似，中圈上的石墨粉塵沉積密度也是較晚達(dá)到平衡，前面20圈的沉積總量與后10圈相當(dāng)。

對(duì)內(nèi)圈與外圈而言，載氣氣速對(duì)石墨粉塵沉積密度的影響大于溫度，總體呈現(xiàn)規(guī)律為氣速越大沉積線密度越大，通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程，認(rèn)為主要原因是增大載氣氣速時(shí)，套環(huán)間形成了更大的湍流區(qū)，石墨粉塵在套環(huán)上沉積的幅寬角度更大，即石墨粉塵的沉積面密度未明顯增加，但沉積幅寬加大，增大了沉積線密度。圖13為套環(huán)表面粉塵沉積的照片。

3 結(jié)論

1)在HTR-PM滿功率運(yùn)行條件下，蒸汽發(fā)生器底部封頭沉積量較小，但在人孔處是石墨粉塵的沉積重點(diǎn)位置。

2)蒸汽發(fā)生器內(nèi)換熱單元盤(pán)管是石墨粉塵沉積的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，下部沉積量大于上部，石墨粉塵在套環(huán)上沉積線密度最大值約為0.8 mg/cm，一個(gè)換熱單元內(nèi)的飽和沉積量約為222.6 g。

a 150 m3/h 室溫 b 700 m3/h 室溫 c 700 m3/h 250 ℃圖12 換熱單元套環(huán)石墨粉塵沉積分布圖Fig.12 Graphite dust distribution map of heat exchanger ring

a 寬幅面沉積(高氣速)

b 窄幅面沉積(低氣速)圖13 套環(huán)表面石墨粉塵沉積照片F(xiàn)ig.13 Graphite dust deposit on collar surface