噴淋霧滴中徑對噴淋冷卻效果影響的試驗研究

王芳

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

1 背景

乏燃料池冷卻系統是核電站的重要輔助系統之一，其主要功能是在各類工況下移除乏燃料池中的衰變熱。AP1000核電廠為乏燃料水池設置了噴淋冷卻系統，在極端事件導致乏池水排空、乏燃料裸露等情況下，通過噴淋冷卻水的方式帶走乏燃料衰變熱，防止乏燃料組件由于高溫而損壞。日本福島事件之后，乏燃料的安全貯存受到廣泛關注。噴淋冷卻的現象復雜，影響因素眾多，難以通過模擬計算得到可信的結果，因此需要對噴淋冷卻的影響因素開展敏感性試驗研究。針對燃料棒位置，燃料棒高度，噴淋流量，噴淋位置，噴淋角度，噴嘴選型、性能、數量、布置方式等關鍵因素影響，前期已開展了一系列的調研工作和噴淋冷態試驗研究。噴嘴作為噴淋子系統的重要組成部分，其選型對噴淋冷卻效果具有較大的影響。本文基于噴淋冷卻中的噴嘴敏感性的熱態試驗，著重研究分析噴淋霧滴中徑對加熱棒束的噴淋冷卻效果的影響，為核電站中乏燃料噴淋系統的設計提供支持和依據。

2 試驗介紹

圖1為乏燃料棒束噴淋試驗系統圖，本試驗由凈水系統、試驗段、數據采集系統、控溫系統以及相應噴淋管道和閥門組成。試驗中分別選用不同霧滴中徑的多個噴嘴進行試驗。

圖2為試驗段的結構圖。本試驗以第三代壓水堆AP1000核電廠乏燃料組件為原型，選取真實17×17燃料組件中局部5×5燃料棒束進行試驗，電加熱棒是按照核電廠燃料棒1：1設計、制造，其總長度、發熱段長度以及直徑都與真實乏燃料棒相同。加熱棒采用間接加熱方式，以此模擬核電廠乏燃料組件衰變熱功率。本試驗選用的測溫元件為熱電偶，如圖3與4所示，實驗分別在6根加熱棒的內部沿不同高度填埋6個熱電偶，用于采集不同位置的燃料棒包殼溫度信號，并以每根棒的最高溫度作為該棒冷卻效果的評價標準。

圖1 試驗系統圖

圖2 試驗段

圖3 帶有熱電偶燃料棒位置

圖4 加熱棒軸向熱電偶分布

3 試驗及結果分析

在噴淋冷卻過程中，噴淋霧滴中徑是影響冷卻效果的重要因素之一。噴淋冷卻乏燃料時希望更多的水滴到達燃料組件，盡量減少在空氣中的耗散。噴淋霧滴中徑太小會導致耗散在空氣中的水量增加，霧滴中徑太大會影響噴灑在燃料組件上的液滴的均勻性，降低冷卻效果。在前期的噴淋冷態試驗階段，已通過一系列的調研工作，得知霧滴中徑范圍在800～1400微米左右，對乏燃料噴淋冷卻效果比較理想。因此，本文選取了該范圍內的多種霧滴中徑的噴嘴分別進行試驗研究。

3.1 試驗條件

本試驗選取單棒加熱功率280W，噴淋水溫25℃，加熱棒初始壁溫25℃，最高溫度限值500℃的工況，采用相同的噴淋流量密度 3．876（m3/h）/m2，分別針 對 不 同 霧 滴 中 徑（750～850μm，850～950μm，950～1050μm，1300～1400μm，）的噴嘴進行試驗，觀察噴淋霧滴中徑對乏燃料棒束冷卻效果的影響。由于試驗設備條件的原因，難以保證每組試驗的噴淋流量密度完全一致，本試驗中噴淋流量密度允許±5%偏差。

3.2 試驗結果

選取試驗結果中最關鍵的數據即最熱加熱棒的溫度數值，并繪制曲線如圖5、圖6、圖7、圖8。

圖5 最熱棒溫度變化（750～850μm）

圖6 最熱棒溫度變化（850～950μm）

圖7 最熱棒溫度變化（950～1050μm）

圖8 最熱棒溫度變化（1300～1400μm）

由圖8可得，采用霧滴中徑750～850μm噴嘴，棒束最終穩定溫度為485℃；采用霧滴中徑850～950μm噴嘴，棒束最終穩定溫度為438℃；采用霧滴中徑950～1050μm噴嘴，棒束最終穩定溫度為493℃；采用霧滴中徑1300～1400μm噴嘴，棒束最終穩定溫度為484℃。

3.3 試驗結果分析

不同的噴淋霧滴中徑試驗工況匯總如表1所示。本試驗中噴淋流量密度誤差均控制在允許的±5%范圍內。

圖9所示為四種霧滴中徑試驗棒束最高穩定溫度的對比曲線。根據不同霧滴中徑試驗工況的最終穩定溫度，繪制出溫度隨霧滴中徑變化的冷卻效果曲線，如圖10所示。根據上述比對圖，可以看到霧滴中徑為 750～850μm、950～1050μm、1300～1400μm 范圍內的三種噴嘴冷卻效果大致相同，而霧滴中徑在850～950μm范圍內的噴嘴冷卻效果較好，棒束穩定溫度較其他三個噴嘴低約50℃。可定性分析，得出在相同加熱功率和噴淋流量密度下，霧滴中徑的改變對加熱棒束的冷卻效果有一定的影響。

圖9 噴淋霧滴中徑對冷卻效果的影響

表1 噴淋霧滴中徑試驗工況數據匯總

圖10 不同霧滴中徑冷卻效果曲線圖

表2定量地列出了不同霧滴中徑對加熱棒束的冷卻效果，以霧滴中徑為950～1050μm的噴嘴為參考，霧滴中徑為850～950μm工況的穩定溫差比達到-11．1%，冷卻效果相對于其他霧滴中徑噴嘴較好。

表2 噴淋霧滴中徑試驗工況最高溫度對比表

4 結語

本文通過噴淋冷卻中的霧滴中徑敏感性試驗研究得出，在噴淋流量密度相同情況下，噴淋霧滴中徑的變化對加熱棒束的冷卻效果有一定的影響。通過本試驗，可得出霧滴中徑為850～950μm的噴嘴冷卻效果較好。該結論可為乏燃料池噴淋冷卻系統中噴嘴的選型和布置設計提供支持和依據。工程設計中可著重考慮噴淋霧滴中徑的影響，推薦選用霧滴中徑為850～900μm的噴嘴進行設計。考慮到試驗裝置與實際的乏燃料組件有區別，即本試驗裝置加熱棒束上部沒有設置上管座，噴淋水直接噴射到加熱棒束頂端，而實際情況下乏燃料組件上方設有上管座，對噴淋水進行分流，在這種情況下霧滴中徑對加熱棒束冷卻效果的影響將會削弱。工程設計中，應結合上管座的分流影響，綜合考慮噴嘴的選型。

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