自然循環流量對傾斜向下弧形加熱表面CHF值影響的實驗研究

陸道綱,靳 愚,王 漢,高 尚,張澤皓,劉少華

(華北電力大學 北京市非能動安全重點實驗室,北京102206)

核電廠發生嚴重事故后,利用壓力容器外部冷卻(External Reactor Vessel Cooling,ERVC)將堆芯熔融物滯留在壓力容器內(In-Vessel Retention,IVR)是三代先進核電廠采用的一項重要的嚴重事故緩解措施。該技術可以有效防止壓力容器壁面發生損傷,減小大規模放射性物質泄漏事故發生的風險。

保證IVR-ERVC技術實施成功的一項最關鍵的要求是:熔池通過下封頭壁面向外傳出的熱流密度不能超過外部冷卻的臨界熱流密度(Critical Heat Flux,CHF),為此許多學者展開了對傾斜向下弧形加熱表面的CHF值的實驗研究。Theofanous[1,2]等人在美國加州大學圣·芭芭拉分校開展了ULPU系列實驗,得出AP600壓力容器下封頭外表面CHF值隨角度分布的曲線。Chu[3-5]等人通過CYBL實驗證明,對重水堆而言,通過淹沒堆腔來冷卻壓力容器的方法是有效的。Yang[6]和Cheung[7]針對韓國先進壓水堆APR1400開展了SBLB實驗,針對朝下表面CHF特性展開研究。SULTAN[8]實驗采用強制循環方式研究固定長度平板上的CHF現象,并得出相應的CHF特性公式。韓國HERMES系韓國HERMES系列實驗[9,10],上海交通大學REPEC裝置[11,12]等也對IVR-ERVC展開一系列研究。

自然循環是IVR-ERVC措施的一項重要特征,針對循環方式和循環流量,有學者進行過初步的研究。韓國的Park[13]等人利用二維切片試驗段,研究在入口過冷度分別為2 K和10 K時強迫循環流量對傾斜向下弧形加熱表面CHF值的影響,最終發現相同入口過冷度下,流量在50～400 kg/(m2·s)時,CHF值表現出了相同的趨勢,均隨強迫循環流量的增大而升高。上海交通大學的倪亮[14]利用二維切片試驗段,通過改變冷凝器高度、加熱銅塊中心傾角和入口過冷度進行CHF機理研究,最終發現當其他條件不變、自然循環高度增加時,該點CHF值隨之增加。

眾多學者通過實驗方式探究了實驗比例尺度、入口過冷度、循環方式等因素對傾斜向下弧形加熱表面CHF值的影響,也有學者利用強迫循環代替自然循環研究循環流量對CHF值的影響,但鮮有在自然循環條件下直接研究流量對CHF值影響的實驗。本文通過實驗方法對傾斜向下弧形加熱表面CHF值受自然循環流量的影響進行研究,獲得相應的實驗數據和初步的結果,發現自然循環流量對壓力容器下封頭外表面CHF值的影響作用,同時與其他相似條件下的研究進行比較,發現其不同之處。

1 實驗系統

1.1 實驗回路

圖1 示出了傾斜向下弧形加熱表面CHF特性研究實驗系統,其主要由四部分組成:(1)實驗主系統(包括與實驗運行直接相關的各部件,如試驗段,上升管,下降管,水箱等);(2)凈水系統;(3)電源控制系統;(4)數據采集系統。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 The schematic of experimental system

凈水系統為整個實驗回路提供去離子水,電源控制系統為實驗過程提供支持,數據采集系統可幫助保障實驗過程中的安全性以及為后期的數據處理提供支持。實驗主系統整體為一自然循環系統,該系統主要由上部水箱,下降管段,下部過渡區水箱,上升管段和試驗段組成。

圖2 為循環高度為2.5 m時實驗主系統各部分的管道長度。為了直觀觀察回路的流體參數特性,下降管段安裝了一組渦輪流量計用來監控自然循環流量,該渦輪流量計測量范圍是0.02～40 m3/h,裝置精度為0.2級。下降段裝有渦輪流量計部分管道尺寸為DN25,下部管道尺寸為DN40,該設計目的是保持流體狀態平穩,盡可能提高渦輪流量計測量數據的準確度。根據實驗工況,為了便于改變循環高度,上升段和下降段均設置了多個快裝接口,可對上升管段和下降管段進行快速拆卸,拆卸過程僅改變下降段DN25部分的長度。

1.2 試驗段

圖2 實驗主系統尺寸及裝置布置圖,mmFig.2 Schematic of the main experimental system and the device layout

試驗段是整個臺架的核心部分,它模擬的是原型反應堆中壓力容器外壁面與保溫層之間的空隙中冷卻劑的流動。本實驗的試驗段采用一體化的加熱板,用直接加熱方式進行加熱,通過設計成不同的厚度來得到階梯狀分布的熱流密度。該設計的思路是通過ULPU實驗得出的臨界熱流密度曲線,計算其各角度對應的臨界熱流密度平均值作為本實驗試驗段各部分的預期熱流密度,再利用電阻與發熱量關系計算得出試驗段各部分加熱塊厚度。圖3為ULPU臨界熱流密度曲線。表1為本實驗設計熱流密度。圖4為試驗段平面示意圖。

圖3 ULPU實驗得出的臨界熱流密度隨下封頭傾角變化關系Fig.3 The ULPU correlation of the heat flux and the angle of RPV

表1 試驗段設計熱流密度Table 1 The designed heat flux distribution in the test section

實驗過程中,判斷是否出現CHF現象的重要依據是該點溫度是否發生飛升。因此在實驗中設定了若干溫度測點來檢測不同位置和角度壁面溫度以及流體溫度的變化情況。根據反應堆堆內熔池模型[15],壓力容器下封頭外壁面的熱流密度隨角度增大而增大,且在下封頭的赤道線位置(90°)達到最大值,因此著重考慮了這些位置。將試驗段以每10°為間隔分為9段,并按從入口到出口的順序標記為1～9段,如圖5所示。

圖4 試驗段平面示意圖Fig.4 Schematic of the test section

實驗中采用熱電偶測量流體溫度及壁面溫度,其中測量壁面溫度熱電偶較多,需要一定的標記方法。圖6展示了各塊板壁溫熱電偶的分布情況,其中黑色實心點代表熱電偶的布置點。由于第8塊、9塊加熱板最易出現CHF,在這兩塊板上分別布置了6個熱電偶,分別記為8-1到8-6,9-1到9-6,第7塊加熱板布置了兩個熱電偶,記為7-1、7-2,剩下的六組加熱塊在中心位置布置了一組熱電偶。本實驗中,壁溫熱電偶均采用美國OMEGA公司出產的N型熱電偶,以點焊方式固定在加熱塊表面。水溫熱電偶采用9組鎧裝K型熱電偶,由流道下部插入流道內測量水溫,1組出口水溫熱電偶置于出口流道處。N型熱電偶測溫范圍為-200～1 000℃,K型熱電偶測溫范圍為-200～200℃,精度均為一級。

圖5 各加熱塊表示方法Fig.5 The representation method of heat blocks

圖6 測量壁溫熱電偶的表示方法Fig.6 The method for naming wall temperature thermocouple

2 實驗工況及實驗流程

2.1 實驗工況

本實驗的主要關注點為傾斜向下弧形加熱表面的臨界熱流密度隨自然循環流量的變化,包括臨界熱流密度的大小和產生位置的變化情況。自然循環流量在自然循環條件下的主要表現為自然循環高度的大小,因此在整體實驗過程中,通過改變實驗回路的自然循環高度來達到改變循環流量的目的。所做實驗的全部工況如表2所示,其中在每個循環高度下分別進行3組不同過冷度的實驗。

表2 實驗工況表Table 2 Experimental conditions

2.2 實驗流程

為了確保實驗過程的安全,每次實驗之前應先檢查回路內是否有足夠的去離子水,若水量不足,應先打開去離子水制取設備補充去離子水。總體實驗過程如下:

(1)實驗開始前對實驗回路的所有系統安全性進行檢查,確定各系統正常運行;

(2)開啟實驗回路的加熱系統,預設一定電壓值,啟動加熱系統電源后緩慢增大電流以得到不同的加熱功率,將循環回路中的去離子水加熱至實驗溫度附近;

(3)在去離子水達到預定溫度后,開啟空冷機組,對上部水箱進行循環冷卻。通過調節空冷機組以使實驗回路入口溫度穩定在要求溫度附近;

(4)開始正式實驗,不斷調節試驗段加熱功率和空冷機組功率,在使水溫保持基本穩定的同時不斷提高功率水平,升高步長為0.2 k W。在上一次操作后壁面溫度達到穩定時,記錄當前功率、時間以及流量傳感器數據,并進行下一次調節功率操作;

(5)當提高到某一功率后,若觀察到數據采集系統上顯示加熱壁面某一點處出現溫度飛升,迅速記錄此時的加熱功率及CHF出現的壁面位置,以得到臨界熱流密度預測值,并迅速將加熱功率降低或直接切斷電源,同時用高速攝像機從視窗對兩相流流型進行拍攝;

(6)實驗結束后切斷電源,對實驗回路中的水進行自然冷卻,冷卻至室溫后打開排水閥將回路中的水排出,等待下次實驗。

3 實驗結果及分析

實驗所得結果如表3所示,其中Qm為實驗所測自然循環流量,q為CHF值。

表3 本實驗所得自然循環流量和CHF值Table 3 The natural circulation flow rate and the critical heat flux obtained by the experiment

3.1 臨界熱流密度值

本實驗重點研究傾斜向下弧形加熱表面CHF值隨自然循環流量的變化情況,初步設置了三組不同高度進行實驗。在同一高度下,又分別設置了不同過冷度實驗。由于實驗采用的是整體直接加熱方式,在改變加熱功率時,各位置熱流密度始終保持相同比例進行加熱。實驗結束后根據具體實驗數據計算出各位置熱流密度,并根據發生CHF的位置求出CHF值。實驗所得結果如圖7所示。

圖7 實驗結果Fig.7 Experimental results

兩圖中分別以入口水溫和自然循環高度作為自變量,以CHF值作為因變量,從中可以看出CHF值隨不同變量的變化趨勢。圖7(a)中可以看出,高度為2.5 m時,入口水溫增加時CHF值隨之下降,且下降趨勢十分明顯;但當循環高度為3.0 m時,入口水溫從75℃增加到85℃時CHF值幾乎沒有下降,而當循環高度為3.5 m時,入口水溫為85℃時的CHF值甚至高于75℃時的CHF值。由圖7(b)可得,入口水溫為75℃時,隨循環高度的增加CHF值逐漸減小,且2.5～3.0 m的減小幅度明顯小于3.0～3.5 m時的減小幅度;入口水溫為85℃和95℃時,隨循環高度增加CHF值均表現為先增大后減小的趨勢。比較循環高度為2.5 m和3.5 m時不同入口水溫下獲得的CHF值差值可以發現,當循環高度為3.5 m時,各入口水溫下CHF值十分接近,而2.5 m循環高度工況下相差十分明顯。由以上分析可以得出,傾斜向下弧形加熱表面CHF值的變化并不是由自然循環高度單一決定的,而是受入口過冷度和循環高度的共同影響。

3.2 自然循環流量

對數據進行整理得到圖8。從圖8中可以看出,同一自然循環高度下的CHF值隨自然循環流量變化趨勢幾乎相同。當自然循環高度為2.5 m和3 m時,隨自然循環流量的增加,傾斜向下加熱表面的CHF值也隨之增大,且2.5 m時增加幅度遠大于3.0 m;當自然循環高度為3.5 m時,CHF值不隨自然循環流量單調變化,呈先增后降趨勢。該現象說明,在實驗段結構材料不發生變化的情況下,傾斜向下加熱表面的CHF值受入口水溫與自然循環高度的共同影響,自然循環流量是影響CHF值的中間因素。因為在自然循環系統中,自然循環流量的增加不止受自然循環高度的影響,也與發生CHF現象時的功率有關,在本實驗中當入口水溫較低時,為使CHF現象發生,需要更高的功率,從而導致自然循環流量也隨之增加。

圖8 CHF值隨自然循環流量變化趨勢Fig.8 The trend of the CHF value changing with the natural circulation mass flow

3.3 與同類研究的對比和分析

3.3.1 與上海交通大學自然循環實驗的對比

上海交通大學的倪亮進行了二維切片的自然循環實驗,該實驗中通過設置不同的加熱銅塊中心傾角(7.5°、37.5°、67.5°、82.5°)和不同的冷凝器高度(5.5 m、6.5 m)來研究不同位置CHF值受入口過冷度和自然循環高度的影響。將本實驗最低循環高度(2.5 m)與上海交大最低循環高度(5.5 m)所得的CHF值進行對比,如圖9所示。可見在兩實驗的最低循環高度下,CHF值隨入口水溫的變化呈現了幾乎相同的趨勢:CHF值隨著入口水溫的增加而減小。入口水溫每提高10℃,傾斜向下弧形加熱段最高位置的CHF值降低大約100 k W/m2。同時也發現,上海交通大學在5.5 m自然循環高度下所得CHF值全面低于本實驗在2.5 m循環高度下獲得的CHF值。

圖9 本實驗與上交實驗最低循環高度下CHF變化趨勢對比Fig.9 Comparison of CHF trends between the experiments of NCEPU and Shanghai Jiao Tong University at the lowest cycle height

上海交通大學的實驗只設定了兩組高度,不能全面反映臨界熱流密度值與自然循環高度和入口水溫之間的變化關系,但從圖10中可以看出,冷凝器高度從5.5 m增加到6.5 m時,80℃入口水溫和90℃入口水溫下的CHF值相差很小,與4.1節中本實驗的變化趨勢也十分接近。

圖10 上交實驗不同自然循環高度下的CHF變化趨勢Fig.10 The trend of CHF under different natural circulation heights in the experiment of Shanghai Jiao Tong University

3.3.2 與強迫循環實驗研究的對比

韓國的Park等人針對APR1400反應堆的IVR-ERVC措施進行了實驗研究。Park的實驗采用二維實驗切片、強迫循環的方式,通過調節泵的功率改變回路中的流量,使其在50～400 kg/m2·s的范圍內變化,獲得入口過冷度分別為2 K和10 K時不同循環流量下的CHF值。選取Park實驗中試驗段半徑為0.5 m(與本實驗0.47 m十分接近)、入口水溫為98℃條件下的CHF值隨質量流量變化的數據點,與本實驗中入口水溫為95℃下的CHF值隨自然循環流量變化的數據點繪于圖中,如圖11所示。

圖11 自然循環與強迫循環實驗中流量對CHF值的影響Fig.11 The effect of the flow on CHF value in natural and forced cycle experiments

從圖中可以看出,在Park實驗循環流量范圍[50～400 kg/(m2·s)]內,CHF值隨質量流量的增加而增加,與本實驗的數據點展現出了完全不同的趨勢。同時本實驗所獲得的CHF值普遍低于Park實驗所獲得的CHF值,取流量最接近兩點進行計算,本實驗流量值比Park實驗低15%左右。由于CHF值與加熱表面氣泡脫離速度關系很大,強迫循環下氣泡受到一定的外力作用加快脫離,改善了加熱表面傳熱條件,故Park實驗的CHF值相對較高。

4 總結

本實驗采用半徑為476 mm的傾斜向下弧形加熱表面、二維模擬切片、自然循環和直接加熱的方式進行實驗,主要對模擬壓力容器下封頭外壁面CHF值進行了記錄和研究。本文主要闡述了實驗中CHF特性實驗部分的結果,主要對自然循環高度和入口水溫對CHF值的影響進行分析,并與國內外主要的同類實驗進行對比,得出以下結論。

(1)傾斜向下弧形加熱表面的CHF值受自然循環流量的影響,而本實驗中,自然循環流量通過入口過冷度和自然循環高度進行調節。在自然循環高度為2.5 m和3.0 m時,CHF值隨自然循環流量增加而增加,當循環高度為3.5 m時,CHF值隨循環流量呈先增后減的變化趨勢,值得深入研究。

(2)自然循環流量對CHF值的作用明顯不同于強迫循環流量對CHF值的作用。強迫循環實驗中CHF值隨循環流量增大而增大,但在本實驗中,CHF值與自然循環流量的關系呈現完全不同的變化趨勢,該現象可能與自然循環高度的影響有關。

(3)在其他實驗條件相似時,相近流量下自然循環實驗獲得的CHF值比強迫循環實驗獲得的CHF值低15%左右。