CAP1400壓力容器外壁面臨界熱通量試驗

史國寶， 鄭明光， 張 琨， 匡 波， 劉鵬飛

(1. 上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233； 2. 上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

大型先進壓水堆重大專項CAP1400的安全性、經濟性、先進性需要在AP1000基礎上有新的發展和提高[1]，熔融物堆內滯留(IVR)是CAP1400最為關鍵的嚴重事故緩解措施[2].在嚴重事故工況下，安全殼內置換料水箱(IRWST)排水進入環路隔間，壓力容器保溫層流道進口和出口開啟，形成自然循環流動，對壓力容器內熔融物進行有效冷卻，將堆芯熔融物滯留在壓力容器內，上述動作均不需要動力電源，具有高可靠性.IVR使大量非揮發性裂變產物滯留在壓力容器內，防止可能威脅安全殼完整性的堆外嚴重事故現象的發生.IVR成功的熱工準則為熔融物向壓力容器壁面傳遞的熱通量小于壓力容器下封頭外壁面臨界熱通量(CHF).因此，下封頭外壁面CHF試驗研究是IVR研究工作的重要組成部分.

文獻[3]針對Loviisa核電廠的有利條件進行IVR應用改造，對壓力容器橢球形下封頭外壁面開展了CHF試驗(ULPU-I/II)，后續在先進非能動壓水堆AP600/AP1000 IVR應用[4-5]中開展了半球形下封頭外壁面CHF試驗(ULPU-III/IV/V).為了應對AP1000功率提升帶來的挑戰，將壓力容器下封頭保溫層設計改為半球形，以挖掘CHF裕量.在試驗中，研究了壓力容器/保溫層各種間隙、銅加熱段表面狀態對CHF的影響，還利用很小的裝置(BETA)研究了碳鋼表面以及含硼和磷酸三鈉溶液對CHF的影響[4].這些開拓性試驗對IVR措施工程的應用起到了支撐作用，然而AP1000 壓力容器外壁面CHF試驗還存在一些不足之處，如未反映壓力容器保溫層出口的最新設計，對流體工質、壁面材料以及表面特性研究不夠深入.近年來，國際上開展了不少加熱壁面以及特性、流體工質對CHF影響的試驗研究[6-9]，但這些試驗均局限于小尺寸和單因素.與此同時，一些歐洲學者對AP1000 壓力容器外壁面CHF試驗結果存有疑慮.

CAP1400功率的提升使得IVR成為CAP1400研發中最卡關的技術之一，因此CAP1400壓力容器外流動模擬和壓力容器下封頭外壁面的CHF試驗研究十分重要.本文根據試驗模化原則建立試驗臺架，采用爆炸焊技術制造試驗段，解決了大型試驗段模擬真實表面特性這個難題.通過試驗發現流道、壓力、過冷度、流體水化學、表面狀態等關鍵因素對壓力容器外壁面CHF的影響規律，驗證了CAP1400熔融物堆內滯留下壓力容器外流動和傳熱工藝.對壓力容器外壁面CHF的試驗研究可為CAP1400熔融物堆內滯留有效性分析評價提供試驗依據.

1 試驗模化和加熱段設計

在充分調研已有試驗的基礎上，通過分析將影響CHF關鍵因素梳理為壓力、入口溫度、流量、流體工質、流道形狀、加熱功率和分布等宏觀因素和表面可潤濕性、表面孔隙率等微觀因素，如圖1所示.

圖1 影響CHF的關鍵因素Fig.1 Main affecting factors of CHF

試驗臺架模化原則是采用與原型相同的工質、與原型相同的參數，使其滿足影響CHF的關鍵因素.同時，考慮試驗臺架建設費用，對原型進行縮比.

由于壓力容器下封頭、保溫層以及進出口符合360° 周向一致性，可以采用切片型流道.全高度切片型臺架可以保證壓力容器下封頭外壁面流體溫度上升、汽泡產生帶來的自然循環驅動力，形成符合實際的自然循環流量，使CHF發生點的流體壓力、流量及其波動特性、來自上游的汽泡積累情況與實際情況保持一致.

圖2 加熱段形狀變換Fig.2 Alternation of heating block shape

壓力容器下封頭將熔融物熱量傳遞給流體，利用加熱段來模擬，對壓力容器下封頭作嚴格的切片處理，加熱段形狀變換如圖2所示.原型切片為如圖2(a)所示的瓣狀結構，在試驗設計中采用了如圖2(b)所示的片狀結構.采用瓣狀結構存在很多困難：① 如采用插入電加熱棒的銅塊構成加熱段，就需要很多種不同長度的弧形加熱棒，加工和安裝難度很大；② 在低角度區域，因流道寬度太小，流道側壁會對流動產生嚴重的邊界效應；③ 流道與加熱段之間密封困難.事實上，在低角度區域熱通量較小，而入口流體直接沖刷表面和主流體處于過冷狀態這些有利因素能抵消氣泡不易擴散帶來的影響，使低角度區域CHF不會顯著下降，因而不是模擬的重點；在高角度區域，熱通量較大，要求CHF大于熱通量，因而是模擬的重點，然而高角度區域流道寬度變化很小，如70° 與90° 流道的寬度之比為0.94.因此，采用片狀結構加熱段.

為了考慮形狀變換帶來的影響，對加熱段進行功率整形.功率整形的原則是原型與試驗之間在發生CHF時的上下游條件相當.對于CHF發生點的上游，使蒸汽流率逐漸積累，從而在發生CHF處“光滑地”達到所需流率值，并自然地形成所有上游區域內兩相邊界層，以保證CHF發生點與上游條件接近.

片狀結構與瓣狀結構之間的幾何關系如圖3所示，其中：θm為原型中的某一角度位置.該位置處的氣相表觀速度可以表示為

(1)

式中：Jp(θm)為原型θm處的氣相表觀速度；Am為θm處的流道流通面積；ρg為氣相密度；hfg為比焓；qp(θ) 為壓力容器下封頭壁面熱通量隨角度θ的分布，θ為壓力容器下封頭的傾角；R為壓力容器下封頭外半徑.

圖3 片狀結構與瓣狀結構之間的幾何關系(展開)Fig.3 Relationship between plate type and slice type (unfolded)

圖4 CHF試驗臺架Fig.4 CHF test facility

試驗段中某一角度位置θm處的汽相表觀速度為

(2)

式中：Je(θm)為試驗段θm處的氣相表觀速度；M為曲率半徑除以單位體積汽相的潛熱；b為一維試驗段寬度；δ為保溫層與壓力容器壁面的間距；qe(θ) 為試驗段熱通量隨角度θ的分布.考慮Je(θm)與Jp(θm)相等，經過化簡可以獲得滿足“功率整形”法則的CHF發生位置θm上游熱流的分布為

(3)

θ<θm

式中：b(θ)、b(θm)分別為θ、θm處的一維試驗段寬度.試驗熱通量分布的原型須在熱通量分布基礎上進行上述轉換.

加熱段表面采用碳鋼材料并模擬其表面特性，可保證表面可潤濕性、表面孔隙率等微觀因素，然而碳鋼導熱性能較差，產生所需的熱通量將使碳鋼超過熔點.為此，采用爆炸焊技術將銅塊與碳鋼薄層緊密結合，插入銅塊的電加熱棒通過碳鋼薄層傳熱至流體，解決了國際上大型CHF試驗段不能反映真實表面特性這個難題.另外，采用真實的含硼和磷酸三鈉溶液在大臺架上開展CHF試驗，保證了流體工質的一致性.

2 試驗臺架

試驗臺架如圖4所示，其設計特點如下.

(1) 采用全高度切片型流道，模擬保溫層進出口的形狀、模擬堆腔上部環廊空間及主管道貫穿孔等流道，使自然循環回路阻力與原型保持一致.壓力容器下封頭加熱段與保溫層之間的流道間隙可以調節，以研究流道間隙對CHF的影響.上水箱連有換熱器，可控制上水箱溫度.

(2) 采用爆炸焊技術將銅塊與碳鋼薄層緊密結合，插入銅塊的電加熱棒通過碳鋼薄層傳熱至流體.將加熱棒分為30組，每3° 為一組，每組加熱棒的功率因子相等，由電加熱棒功率控制系統進行分組控制.確定試驗工況后，利用功率整形程序計算得到該試驗工況的熱通量分布，并根據熱通量分布計算得出電加熱棒功率分布，將數據輸入到加熱系統控制面板，在試驗中，功率因子不變，總功率提升.

(3) 為了保證回路的水質，除了加熱段外，均采用304不銹鋼模擬流道；采用去離子水、真實的含硼和磷酸三鈉溶液在大臺架上開展CHF試驗.

(4) 測量系統.采用電磁流量計測量自然循環流量，壓力/壓差傳感器測量壓力/壓差，液位計測量水位，采用熱電偶測量流體和加熱段固壁溫度.另外，試驗段側壁留有幾個視窗，可目察或利用高速攝像機觀察汽泡的積累.

(5) 輔助系統包括冷凝與冷卻系統、水化學調節系統、供水與預熱系統、回路清洗系統等；支持系統包括循環冷卻系統、造水系統、廢水處理系統、試驗段準備系統等.

試驗臺架主要性能參數如表1所示.

表1 CHF試驗臺架主要性能參數Tab.1 Main parameters of CHF test facility

3 CHF試驗結果

3.1 試驗過程和流動特性

在試驗過程中，根據工況設定每組加熱棒的功率因子，逐步提高功率，觀察加熱段最大功率因子對應角度附近壁面溫度，越接近極限功率提高幅度越小，直至壁面溫度飛升，如圖5所示.其中：Tm為CHF發生位置的試驗段溫度；t為時間；線型TCA4x-XXb的含義為，TCA為熱電偶試驗，4代表試驗段的第4個分區，x為熱電偶安裝深度，10～15代表熱電偶所在位置編號，b代表熱電偶屬于3排中的第2排.由圖5可知，對應角度已發生偏離泡核沸騰，前一時刻對應的功率就是傳熱的極限功率.快速切除部分功率(如20%)待參數穩定后，逐步提高功率，再次確認傳熱極限所對應的功率.根據加熱棒的功率，可以計算得到其傳給流體的熱通量，極限功率對應于臨界熱通量.

圖5 發生CHF位置附近區域的加熱塊溫度飛升Fig.5 Temperature jump of heating block in the CHF region

在較高功率時，從流道視窗可以看到，隨著加熱段傾角的提高，加熱段附近產生的汽泡數量逐漸增多，汽泡層逐漸變厚，如圖6(a)所示，但主流體仍處于過冷狀態.進入上升段，汽泡在過冷主流體中迅速冷凝，如圖6(b)所示.至上升段出口附近由于壓力降低，發生閃蒸現象，又產生一定量的汽泡，如圖6(c)所示.

試驗臺架自然循環流量較穩定，隨總加熱功率增大呈同步增大的趨勢，如圖7(a)所示.其中：qFL為自然循環流量；P為總加熱功率；線型SF-XX-X的含義為，SF代表實驗工況，第2部分的數字代表CHF發生的傾角角度，第3部分數字代表發生CHF位置下游的加熱功率因子.一個工況下的流量有一定波動，如圖7(b)所示.這主要由加熱段流道內過冷沸騰、上升段冷凝以及上升段出口處的閃蒸引起的，與ULPU-V試驗中自然循環流量大幅度波動存在明顯差別.AP1000原設計中保溫層與4個大的排汽通道相連，ULPU-V試驗模擬了原設計，這造成了流量的大幅度波動.

圖6 流道可視化觀測結果Fig.6 Visualization observation of flow path

圖7 自然循環流量變化Fig.7 Flow rate of natural circulation

3.2 CHF試驗結果和機理分析

在全高度試驗臺架上針對CHF所有關鍵因素開展試驗研究，在真實含硼和磷酸三鈉溶液試驗和加熱段表面采用碳鋼材料之前，開展銅加熱段和去離子水試驗，以了解CHF特性.試驗中CHF的測量不確定度小于10%.

在絕對壓力為0.1 MPa、上水箱溫度為飽和溫度下，CHF隨角度的增大而有所增大.與銅表面相比，采用原型材料表面的CHF可提升10%～15%，如圖8所示，其中：Q為臨界熱通量.

圖8 加熱壁面材料對CHF的影響Fig.8 Effect of heating surface material on CHF

圖9 入口水溫對CHF的影響Fig.9 Effect of inlet water temperature on CHF

在其他試驗條件相同的情況下，入口水溫降低有利于提高CHF，相對而言，入口水溫對于低角度的影響更為顯著，如圖9所示.基于CHF與入口過冷度和角度的試驗數據，擬合得到了以下經驗關系式：

QCHF=(3 029.07-104.89θ+

1.91θ2-0.011θ3)×

[1.0+ΔT(0.028-0.000 22θ)]

(4)

式中：QCHF為臨界熱通量；ΔT為入口過冷度.該CHF 關系式的適用范圍為：保溫層流道入口水溫為75～100 ℃，壓力容器下封頭外壁與保溫層之間流道的間隙為94～156 mm(平滑過渡)，加熱段表面為壓力容器原型材料.

為模擬實際運行工況下壓力容器外表面的真實狀況，對試驗段表面進行300 ℃下烘烤一周處理，使其表面狀況與真實狀況一致.系統壓力對CHF的影響如圖10所示.試驗表明，CHF進一步提高約10%；系統壓力升高對于CHF具有顯著的提升作用.針對加熱表面，在高倍率電鏡下觀察微觀結構，如圖11所示.加熱表面呈現針羽狀/細片狀密集分布的形貌，表明加熱表面由于氧化形成了多孔交聯的結構.從宏觀角度，加熱表面的氧化層如圖12所示.加熱表面形成一層氧化膜，其厚度不均勻，而且氧化膜與基體之間存在明顯縫隙.而系統壓力升高對CHF有所影響是因為在低壓狀態下，壓力的提高會顯著影響物性參數.

圖10 系統壓力對CHF的影響Fig.10 Effect of system pressure on CHF

圖11 加熱表面微觀形貌Fig.11 Microcosmic observation of heating surface

圖12 加熱表面的氧化層Fig.12 Oxidation layer of heating surface

與去離子水相比，采用磷酸三鈉和硼酸的混合溶液(表征嚴重事故下安全殼地坑內水質)對提高CHF有一定好處，但其與表面特性帶來的好處有一定的重疊效應.

結合國際上已開展的加熱壁面以及特性、流體工質對CHF影響的小尺寸和單因素試驗[6-9]、底層微液層試驗[10]，發現CAP1400壓力容器外壁面臨界熱通量影響因素和增強效應可由微液層蒸干理論來解讀.汽泡與加熱面之間存在底層微液層，在大汽泡掠過微液層的間隙，微液層得到了補充，補充后微液層的厚度與加熱表面的親水性能和表面特性有關，而大汽泡的流動特性與壓力、流量、空泡份額和加熱面角度有關.如果在一個時間間隙內，進入微液層的液體量不足以補充加熱面汽化所需要的液體量，微液層蒸干就會導致CHF.如果加熱表面是親水和多孔的，毛細作用能增強液體在交聯孔隙中的流動，及時補充微液層中的液體.與銅表面相比，原型材料表面親水性好，CHF有所提升；對試驗段表面進行烘烤后，加熱表面氧化，并具有縫隙，CHF進一步提高.

4 結語

根據模化原則建立了全高度切片型試驗臺架，采用爆炸焊技術研制了加熱段，表面碳鋼薄層可以真實模擬壓力容器表面特性.在此基礎上，開展了流道、壓力、過冷度、流體水化學、表面狀態等關鍵因素對壓力殼外壁面CHF影響的試驗研究.

試驗結果表明：與銅表面相比，原型材料表面的CHF可提升10%～15%；入口過冷度增大有利于提高CHF，而且對于低角度的影響更顯著；試驗段表面進行老化處理后，CHF進一步提高約10%；系統壓力升高對于CHF具有顯著的提升作用；與去離子水相比，采用磷酸三鈉和硼酸的混合溶液可進一步提高CHF.

本研究獲得了CAP1400壓力容器外壁面傳熱極限(臨界熱通量)影響規律，驗證了熔融物堆內滯留措施中壓力容器外流動和傳熱過程.通過技術交流使一些歐洲學者改變了其原有的疑慮，在國際上達成了下列共識：半球形保溫層設計有利于CHF、進口過冷度對低角度CHF有較大的提升、碳鋼表面和老化特性有利于CHF.下一階段將進一步開展系統壓力對CHF影響的試驗，以更好地滿足工程應用的需求.