鈉火分析程序-NACOM介紹

楊紅發 趙京 尹莎莎 姚麗璇 張騏

摘 要

鈉是理想的冷卻劑，但鈉本身易氧化特性決定了它的火災危險性。鈉冷快堆的安全問題受到各應用快堆技術國家的重視，研究鈉的泄漏并引起火災事故是熱點、難點問題。NACOM（鈉燃燒）作為一個典型的鈉火分析程序已被布魯克海文國家試驗室開發出來用于分析鈉霧噴霧鈉火。本文對包括NACOM程序和編程方面中的物理模型進行詳細描述。對單滴燃燒模型以及描述液滴運動的模型進行驗證，并將NACOM預測值和Atomics International（AI）LTV 噴射試驗結果進行對比。結果發現NACOM預測和試驗數據吻合得很好。

關鍵詞

鈉冷;鈉火;燃燒

中圖分類號： TL364.4? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.010

0 前言

鈉在液態金屬快中子增殖堆中一回路和二回路的泄露和噴霧是對核電站安全運行的潛在威脅。在現有的鈉冷增殖快堆的設計中，專設安全設施，例如惰性氣體主系統隔間，氮氣淹沒系統用來防止泄露的鈉達到易燃燃燒。然而，在大規模鈉泄露事件中，惰性單元（cell）中盡管沒有可燃氣體，它的壓力和溫度也會很大程度的增加，因為泄露的鈉包含了很大一部分顯熱。在富氧環境中，泄露的鈉會與氧氣發生反應，釋放出燃燒熱，導致容器單元的溫度和壓力瞬變。

兩種鈉火的基本類型：噴霧鈉火和池式鈉火。在設備單元（cell）中熱瞬變方面，噴霧鈉火引發的危險性后果通常被認為比池式鈉火更為嚴重。這是基于含鈉量相同的情況下，噴霧鈉火比池式鈉火以更高的速率燃燒的事實，因為噴霧鈉火與氧氣接觸面積更大，以高度分裂狀態燃燒，即液滴形式。

NACOM作為一個經典的噴霧鈉火分析程序，已被布魯克海文國家試驗室研發出來。NACOM利用已經確定的單液滴-汽相燃燒理論，該理論對于碳氫化合物液滴燃料燃燒已十分完善。它將同樣適用于金屬鈉液滴模型，應為碳氫化合物燃料和金屬鈉液滴都遵循的“D2”定律[1]。

1 噴霧鈉火的建模

1.1 球形和靜態液滴的燃燒模型

圖1表示靜態液滴的最后階段的穩態燃燒。液滴被燃燒區和火焰區包圍。鈉蒸汽從液滴表面向燃燒區域擴散。鈉蒸汽和氧氣在燃燒區域的燃燒是瞬時的。燃燒產生的熱反饋到液滴表面并加快了液態金屬鈉的汽化，從而維持金屬鈉的汽相燃燒。

1.2 自由下落液滴燃燒模型

其他鈉火分析程序都假設金屬鈉液滴從容器頂部下落后立即以汽相燃燒。金屬鈉液滴的預燃階段被忽視，在預燃階段，一種粗糙的薄膜氧化物在液滴表面形成。熱量在氧化過程形成，而且比起傳熱到氣體中，熱量更容易反饋到金屬鈉液滴表面。這導致了金屬鈉液滴溫度的急速上升。金屬鈉液滴溫度到達燃點后就會燃燒。預燃氧化模型由Tsai等人[2]提出。在這個模型中，Ranz-Marshall關系式用來預測金屬鈉液滴表面氧氣的擴散。金屬鈉液滴表面的鈉氧化將會產熱，并且一部分被金屬鈉液滴吸收，一部分傳遞給電解槽氣體。通過對金屬鈉液滴做能量平衡得到控制方程，該方程解決了金屬鈉液滴從點火到完全燃燒的時間和距離問題。被計算金屬鈉液滴的下落距離到到達完全燃燒是金屬鈉液滴直徑的函數，并且和LDM下落金屬鈉液滴的試驗數據有很好的吻合[2]。在預燃階段的鈉滴燃燒率或許可以從氧流量和當量比得出：

1.3 液滴的運動

蒸發液滴的運動方程和鋼球模型不同，剛性球體模型考慮了液滴表面流出的質量流量所產生的慣性力。這對液滴的阻力產生了影響。當蒸汽從液滴表面流出，摩擦阻力由于動量厚度的減少而減少。另外，燃燒氣體進入低壓區域也減少了形阻力。

剛性球體穩態阻力系數的大量的數據可用，但是關于加速球的阻力系數的數據很少。在高雷諾數時，可以觀察到液滴的扁平導致了阻力系數的增加。

1.4 液滴的大小分布

其他鈉火分析程序用對數正態分布[3]從體積平均液滴直徑來計算表面平均液滴直徑。表面平均直徑被用來計算液滴燃燒率。然而，只用一個液滴的大小可能會導致計算噴霧的燃燒率的誤差[4]，且計算結果與原子國際No.4 Jet試驗得到的數據吻合的并不好。之后，Nukiyama-Tanasama[4]關系式被學者提出使用，該關系式的計算值和AI試驗結果符合的很好。Nukiyama-Tanasama關系式寫成式（12），并被用在現有的NACOM版本中。

3 NACOM的校驗

3.1 模型描述液滴運動的驗證

在AI進行的單液滴燃燒試驗[7]中，測量了直徑在1.5～7mm的金屬鈉液滴的最終速度。用NACOM模擬金屬鈉液滴通過一個14.73m的距離試驗容器的下降。在這段距離內，金屬鈉液滴都達到了它們的自由沉降速度。試驗中測量的最終速度與NACOM預測結果表明：對于大于4mm的金屬鈉液滴，NACOM的預測結果與試驗值符合很好。然而，對于較小的金屬鈉液滴，NACOM小于試驗值。差異的原因是金屬鈉液滴燃燒對阻力系數的影響沒有被完全考慮進去。這個影響減小了阻力系數，因此增大了金屬鈉液滴的最終速度。

3.2 單液滴燃燒模型的驗證

在原子國際進行的空氣中的單液滴燃燒試驗[7]中，金屬鈉液滴由容器頂部被釋放，在離頂部14.73m的金屬鈉液滴的質量被測得。試驗中用到的液滴的直徑為1.5～7mm。NACOM對該例子的計算給出了距離14.73m的金屬鈉液滴的最后質量。液滴燃燒的質量分數由金屬鈉液滴的初始和最后質量計算得到。測量得到的金屬鈉液滴燃燒的質量分數和NACOM預測結果表明：對于大于0.3cm的金屬鈉液滴，液滴燃燒的質量分數線性減少。對于液滴直徑小于0.2cm的金屬鈉液滴，質量分數接近于1，意味著小于0.2cm的液滴在14.73m下落距離時將會完全燃燒。對于大金屬鈉液滴，AI試圖用直線將這些點關聯起來。然而，對于小于0.3cm的金屬鈉液滴，線性關系不再滿足。

3.3 大容器噴射試驗（LTV Jet Tests）的驗證

AI在大容器（LTV）做了一系列鈉霧噴霧鈉火試驗[8]，高度7.62m，直徑3.05m。一個3.54cm的噴嘴固定在容器頂端不銹鋼反擊板的下面，開口11.43cm。鈉從噴嘴以3～6m /s的速度噴出，撞擊到反擊板上。液態金屬鈉快速移動到板子上，下落形成鈉霧。鈉霧包含了平均直徑0.37～0.53cm的金屬鈉液滴。這些試驗在氧濃度0～21%的大氣環境下進行。

NACOM對AI噴射試驗的模擬分析結果如表1所示。對比分析NACOM的計算結果和8組試驗結果的最大壓升，氧氣消耗，鈉的消耗，可以看出NACOM的預測值與試驗值吻合良好。

4 總結和結論

NACOM程序可以進行金屬鈉液滴動力學，燃燒，和熱量質量的傳遞計算。同時可以計算氣體的壓力，氣體和壁面的溫度，氧氣的摩爾分數，噴霧燃燒率，和傳熱率。單個液滴的燃燒率由Tsai等人[2]提出的預燃氧化模型和Spalding等人[9]提出的汽相燃燒理論進行預測。

通過對比AI單液滴燃燒試驗數據，表明NACOM程序預測的液滴最后的速率和AI試驗數據吻合良好。同時，NACOM程序進一步的試驗驗證由大容器（LTV）噴射試驗提供。驗證結果表明，NACOM程序的預測值和（LTV）噴射試驗結果溫和良好。因此，該程序適用于鈉冷快堆中的二回路鈉系統和一回路鈉系統的噴霧鈉火事故的模擬分析。

參考文獻

[1]J.R.Richard，R.Delbourgo，and P.Laffitte，"Spontaneous Ignition and Combustion of Sodium Droplets in Various Oxidizing Atmospheres at Atmospheric Pressure，" Twelfth Symposium （International） on Combustion，pp.39-48，1969.

[2]S.S.Tsai，"Surface.Oxidation Process Prior to Ignition of a Sodium Droplet，"Trans. Am.Nucl.Soc.，27，524，1977.

[3]Shire，"SPRAY Code User's Report，"HEDL-TME 76-94，March 1977.

[4]E.Mayer，"Vaporization Rate Limited Combustion in Bipropellant Rocket Chambers，"ARS Journal，July 1959.

[5]W.E.Ranz and W.R.Marshall，Jr.，"Evaporation from Drops，Part II，"Chem.Eng. Progr.，Vol.48，No.4，pp.173-180，April 1952.

[6]P.R.Shire，"A Combustion Model for Hypothetical Sodium Spray Fire Within Containment for an LMFBR，" M.S.Thesis，University of Washington，1972.

[7]R.P.Johnson，et al.，"Test Report for the Sodium Drop Burning and Velocity Tests for SOMIX，"N-707-TR-130022，Atomics International，September 1977.

[8]L.Baurmash，et al.，"Test Report-Sodium Fires Experiment，Jet Tests No.3 and 4，" TR-707-130-001，Atomics International，March 1972.

[9]D.B.Spalding，"Some Fundamentals of Combustion，"Butterworths，London，Engl and，1955.