熔鹽冷凍壁厚度測量方法

周金豪，孫波，佘長鋒，竇強，李晴暖，吳國忠（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 0800；中國科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點實驗室，上海 0800）

研究開發(fā)

熔鹽冷凍壁厚度測量方法

周金豪1，2，孫波1，2，佘長鋒1，2，竇強1，2，李晴暖1，2，吳國忠1，2
（1中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800；2中國科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點實驗室，上海 201800）

熔鹽冷凍壁防腐蝕技術(shù)是采用凝固熔鹽層阻止氣液介質(zhì)與金屬器壁直接接觸，冷凍壁厚度的準(zhǔn)確監(jiān)測及控制是其成功應(yīng)用的關(guān)鍵。本文以混合硝酸鹽熔鹽為實驗介質(zhì)，研究了冷凍壁形成及維持過程中不同在線厚度監(jiān)測方法，并與機械卡尺的直接測量值進行對比分析。結(jié)果表明，溫度梯度推算法在非穩(wěn)態(tài)及厚度較小時誤差較大，在平衡維持態(tài)時則能較準(zhǔn)確地判定厚度，但需要設(shè)置合適的熱電偶組；冷卻熱量推算法可通過外夾套換熱量及換熱壁面溫度推算冷凍壁厚度，但其穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性取決于冷卻量的精確衡算，其優(yōu)點是不需增加額外設(shè)備；在線圖像處理法能比較直觀地反映冷凍壁厚度，但需要配備穩(wěn)定可靠的高溫攝像系統(tǒng)。鑒于未來熔鹽冷凍壁應(yīng)用是在無水無氧密閉容器中，這幾種在線監(jiān)測方法在真實高溫熔鹽化學(xué)體系的適用性還有待于進一步研究和評估。

熔鹽；腐蝕；冷凍壁；傳熱；測量

熔鹽反應(yīng)堆是國際上推薦的6種先進四代堆中唯一的液態(tài)燃料反應(yīng)堆。熔鹽堆中鹵化物燃料均勻溶解在同為鹵化物的冷卻劑中，構(gòu)成燃料鹽，并在反應(yīng)堆的第一回路內(nèi)循環(huán)流動，可以在不影響反應(yīng)堆運行的情況下對燃料鹽進行處理，因鹵化物熔鹽本身是良好的溶劑，干法后處理技術(shù)成為熔鹽堆燃料處理的天熱選擇［1］。干法后處理技術(shù)是在高溫、無水狀態(tài)下處理輻照核燃料的分離工藝過程，主要工藝包括氟化揮發(fā)、減壓蒸餾及熔鹽電化學(xué)等。由于高溫氟鹽的腐蝕性，對工藝設(shè)備長期穩(wěn)定運行提出了挑戰(zhàn)，尤其是在氟化揮發(fā)工藝中，強氧化性氟氣和高溫氟鹽共存，對材料的腐蝕更為嚴(yán)重。美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）曾經(jīng)采用氟化揮發(fā)法回收熔鹽反應(yīng)堆實驗（molten salt reactor experiment，MSRE）燃料鹽中的鈾，在氟化反應(yīng)過程中，由于F2和熔融的燃料鹽雙重作用，燃料處理罐的腐蝕速率大于 2.54μm/h［2］。因此在干法后處理過程中，工藝容器的腐蝕是一個亟待解決的問題，以凝固鹽層作為容器保護層的熔鹽冷凍壁技術(shù)被認(rèn)為是一種非?？尚械募夹g(shù)［3-5］。熔鹽冷凍壁技術(shù)是通過對容器外部強制冷卻，使工藝容器內(nèi)壁上產(chǎn)生一定厚度且相對穩(wěn)定的固體層（熔鹽冷凍層），實現(xiàn)金屬器壁與腐蝕源的隔離，從而降低設(shè)備材料的腐蝕，提高設(shè)備使用壽命。冷凍壁厚度的準(zhǔn)確監(jiān)測及控制是確保防腐蝕效果的前提，而在高溫及高腐蝕性環(huán)境中厚度的直接測量存在一定困難，因此有必要發(fā)展冷凍壁厚度在線測量或判定技術(shù)。本文在自行研制的冷凍壁技術(shù)研究實驗裝置上，使用混合硝酸鹽熔鹽開展了相關(guān)實驗研究，試驗了溫度梯度推算法、冷卻熱量推算法及在線圖像處理等方法，并將測量結(jié)果與機械卡尺直接測量值進行對比分析，驗證了冷凍壁厚度在線判定方法的可靠性，為后續(xù)氟化物熔鹽冷凍壁的研究及應(yīng)用積累了經(jīng)驗。

1　實驗部分

1.1實驗裝置

實驗研究在自行研制的冷凍壁技術(shù)研究實驗裝置上開展，該裝置由冷凍壁試驗罐、熔鹽回路及導(dǎo)熱油回路系統(tǒng)組成［6-7］，如圖1所示。

1.1.1冷凍壁試驗罐

冷凍壁試驗罐是材質(zhì)為 316L不銹鋼的錐形罐［圖2（a）］，壁厚6mm，底部入口內(nèi)徑200mm，錐形角度5°，有效高度620mm，有效體積約40L。在入口之上100mm、300mm、500mm的3個截面的徑向上分別布置了11支熱電偶（OMEGA，TJ36-CASS-18E-定制-CC，精度±0.1℃），用于實驗中測量試驗罐內(nèi)的溫度場分布。從壁面至中心的1#～7#熱電偶相互間隔 5mm，7#～11#熱電偶相互間隔10mm，其中 1#熱電偶緊貼金屬內(nèi)壁，熱電偶分布如圖2（b）所示。

圖1　熔鹽冷凍壁技術(shù)研究實驗系統(tǒng)

試驗罐內(nèi)壁點焊螺旋鋼絲拉筋，用于提高冷凍壁的附著性。試驗罐外壁復(fù)合有寬度為50mm的換熱夾套，用于通入循環(huán)導(dǎo)熱油冷卻冷凍壁試驗罐外壁，換熱夾套內(nèi)帶有螺旋式導(dǎo)流槽以提高熱交換效果。

冷凍壁試驗罐蓋子可移開形成敞開式容器，如圖2（c）所示，可設(shè)置機械卡尺直接測量冷凍壁的厚度。冷凍壁試驗罐中間設(shè)置一根電加熱棒，安裝固定在DN50mm法蘭接管上，用于模擬燃料鹽中裂變產(chǎn)物衰變發(fā)熱，最大加熱功率為3kW。

1.1.2熔鹽回路

熔鹽回路主要包括熔鹽加熱儲罐1、熔鹽加熱儲罐2、熔鹽泵、熔鹽流量計、三通分流閥及閘閥等。熔鹽加熱儲罐1和2的材質(zhì)均為Inconel600，最大加熱功率均為15kW。加熱儲罐1（鎮(zhèn)江三維電加熱器有限公司）用于運行時加熱熔鹽以維持其溫度，加熱儲罐2（鎮(zhèn)江三維電加熱器有限公司）用于初始硝酸鹽加載熔融及回路停止運行后或緊急情況下儲存熔鹽。熔鹽泵為超耐熱型屏蔽泵（大連帝國泵業(yè)有限公司，型號KA71-316Y4M-0204S1L-BV），揚程22m，額定流量1.2m3/h，最高工作溫度330℃。熔鹽流量計采用耐高溫的靶式流量計（泉州日新流量儀器儀表有限公司，型號SBL-AY25GENIX，量程30～500L/h）。三通分流閥及閘閥均為遠程控制電動操作，調(diào)節(jié)三通分流閥可控制主實驗段與旁通回路間熔鹽流量分配。熔鹽管路設(shè)置電伴熱及保溫層，熔鹽泵及閥門均設(shè)置通導(dǎo)熱油（單獨的循環(huán)導(dǎo)熱油機）的夾套，用于預(yù)熱及保溫。

1.1.3導(dǎo)熱油冷卻系統(tǒng)

導(dǎo)熱油回路主要包括導(dǎo)熱油槽、導(dǎo)熱油泵、冷卻器及流量計等。導(dǎo)熱油溫度由油槽加熱器及冷卻器進行調(diào)節(jié)，加熱器功率 10kW，導(dǎo)熱油泵為變頻高溫離心泵（常州市熱油泵廠有限公司，型號WRY26-20-100），揚程20m，導(dǎo)熱油流量大小通過導(dǎo)熱油泵的變頻功率調(diào)節(jié)，測定采用靶式流量計（泉州日新流量儀器儀表有限公司，型號SBL-AY32GENIX，量程 1.5～15m3/h）。冷卻器采用一臺風(fēng)冷器（南京奧德機械有限公司，型號SCH-05ASZH3）和一臺水冷板式換熱器（上海將星化工設(shè)備有限公司，型號 JXQ12-N），總最大冷卻功率約為15kW。

實驗過程所有操作采用DCS系統(tǒng)遠程控制，如加熱器、泵、閥門等的開啟，裝置運行參數(shù)及實驗所需數(shù)據(jù)如溫度、流量、壓力等，均可實時采集并記錄，數(shù)據(jù)記錄間隔為1s，可根據(jù)需要選取。

1.2試劑

實驗中使用的熔鹽（實驗介質(zhì)）為市場采購的固體混合硝酸鹽（HITEC，山東濰坊昌盛硝鹽有限公司生產(chǎn)，40.0-7.0-53.0%NaNO2-NaNO3-KNO3，熔點142℃），熔鹽裝載量220kg。

導(dǎo)熱油為市場采購的美孚 605，使用溫度-6～300℃，密度 0.86g/mL（15℃），比熱容1.87kJ/（kg·℃）（50℃）。

1.3實驗方法

1.3.1厚度測量方法

圖2　冷凍壁試驗罐結(jié)構(gòu)及熱電偶分布

（1）機械卡尺法采用機械卡尺對冷凍壁厚度進行直接測量，為接觸式的方法。將冷凍壁罐蓋子移開，卡尺安裝固定在法蘭上，探測桿伸至罐內(nèi)中部，與中層熱電偶組位于同一水平上，探測桿上部通過滑塊在標(biāo)尺上水平移動，探測桿貼住容器壁處設(shè)為零點。零點確定好后，將探測桿放至靠中心位置，隨著冷凍壁形成，手動操作緩慢移動探測凝固鹽的位置，然后從卡尺上讀數(shù)。

圖3　冷凍壁層熱傳導(dǎo)示意

（2）溫度梯度推算法圖3示意了冷凍壁層熱傳導(dǎo)，徑向上設(shè)置了11支熱電偶組，從容器內(nèi)壁至中心依次編號為1～11，其中1#熱電偶緊貼金屬內(nèi)壁，從熔鹽中心至容器外壁溫度逐漸降低，形成溫度梯度。

根據(jù)圖3熱傳導(dǎo)示意，當(dāng)所有位置的熱電偶溫度Tn＞TL時，則可判斷冷凍壁厚度為0；當(dāng)僅有位置R1處溫度T1＜TL，其他位置Rn的溫度Tn＞TL，則判斷冷凍壁厚度≤5mm；當(dāng)有2個以上的熱電偶溫度Tn＜TL后，根據(jù)圓筒壁熱傳導(dǎo)原理（將試驗罐近似為圓筒）［8-10］，各位置溫度滿足式（1）的關(guān)系。

取 n值為與臨界溫度最接近的那支熱電偶編號，由公式（1）可計算得到 RL，則冷凍壁的厚度 D即為R1與RL的差值，如式（2）所示。

（3）冷卻熱量推算法冷凍壁厚度變化時，冷凍壁層的熱阻發(fā)生變化，對應(yīng)的熱傳導(dǎo)也在發(fā)生變化，根據(jù)熱量守恒，忽略其他熱損失，冷凍壁層熱傳導(dǎo)熱量即為冷卻介質(zhì)帶走的熱量，將試驗罐近似為圓筒壁，存在式（3）所示的關(guān)系，當(dāng) T1＞TL時冷凍壁厚度為0，當(dāng)T1≤TL時冷凍壁厚度D，即為Rl與RL的差值，如式（4）所示。

（4）在線圖像處理法運用Image J圖像處理軟件，對在線拍照圖片進行二維化處理，得到其灰度圖像，區(qū)分出熔鹽凝固層與液相界面，在軟件上得到冷凍鹽層寬度（像素數(shù)），選取與冷凍壁層視角及對焦位置近似相同的熱電偶作為參照物，并獲得圖像上該熱電偶寬度（像素數(shù)），由于熱電偶的實際尺寸已知（3mm），則可通過圖像中冷凍壁層與熱電偶寬度比計算得到冷凍壁層的真實厚度。

1.3.2實驗操作步驟

根據(jù)冷凍壁技術(shù)在干法后處理中實際應(yīng)用特點，以硝酸熔鹽為介質(zhì)分兩種工況進行厚度測量方法研究。

（1）冷凍壁靜態(tài)形成工況①將固體鹽在排泄罐內(nèi)加熱至 250℃熔融并保溫，同時開啟電伴熱將熔鹽泵、管道、閥門等預(yù)熱至 200℃；②通過氣體壓送的方式將熔鹽從排泄罐中轉(zhuǎn)移到加熱罐中，同時對熔鹽泵進行充液灌泵，然后啟動熔鹽旁通循環(huán)回路，并通過加熱罐的加熱及電伴熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)熔鹽到預(yù)期的溫度；③開啟導(dǎo)熱油循環(huán)泵并控制實驗所需流量，通過導(dǎo)熱油槽電加熱器及冷水機調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油到實驗所需溫度，即保證進試驗罐夾套的導(dǎo)熱油溫度恒定；④調(diào)節(jié)三通分流閥讓熔鹽進入冷凍壁試驗罐，到達溢流口后三通分流閥調(diào)回原位，旁通回路中的熔鹽則繼續(xù)循環(huán)備用，此時試驗罐內(nèi)熔鹽處于靜止?fàn)顟B(tài)，并且與導(dǎo)熱油進行換熱；⑤保持導(dǎo)熱油進口溫度及流量穩(wěn)定，使冷凍壁逐漸形成，在線拍攝罐內(nèi)圖片，并用機械卡尺測量不同時刻冷凍壁厚度，DCS系統(tǒng)自動記錄試驗罐內(nèi)溫度分布及導(dǎo)熱油流量及進出口溫度；⑥冷凍壁達到預(yù)期厚度后，結(jié)束本工況試驗，將殘余熔鹽排掉以觀察冷凍壁形態(tài)及均勻性，或者直接開啟三通閥分流用熔鹽將冷凍壁沖刷熔化，以進行下一組工況的實驗；⑦所有工況實驗結(jié)束后，關(guān)閉系統(tǒng)運行，打開閘閥將所有熔鹽排放至排泄罐中冷卻儲存，以備下次實驗使用。

（2）冷凍壁靜態(tài)平衡維持工況開展冷凍壁靜態(tài)維持實驗時，則在完成上述工況（1）的步驟④后，即試驗罐中充滿熔鹽并保持靜止時，開啟試驗罐中心加熱棒（設(shè)置為恒定功率），以模擬燃料鹽衰變熱，同時保持導(dǎo)熱油溫度及流量恒定，DCS系統(tǒng)自動記錄溫度、流量等信息，同時在線拍攝罐內(nèi)圖片，并用機械卡尺監(jiān)測冷凍壁厚度，直至達到持續(xù)60～90min的平衡狀態(tài)。

2　結(jié)果與討論

2.1冷凍壁靜態(tài)形成工況

冷凍壁形成時采用無衰變熱的載體空白熔鹽，形成過程是通過維持熱流一維傳導(dǎo)［10-11］使熔鹽凝固界面向逆熱流方向推進，容器的冷卻夾套內(nèi)通入循環(huán)導(dǎo)熱油使壁面溫度降低，高溫熔鹽在內(nèi)壁凝固形成冷凍鹽層。冷凍壁形成速率是重要的工藝參數(shù)，其形成過程中是非穩(wěn)態(tài)傳熱，為有效控制冷凍壁厚度，準(zhǔn)確測量或判定厚度變化至關(guān)重要。

實驗中冷凍壁試驗罐中充入的熔鹽初始溫度為180℃，冷卻夾套內(nèi)導(dǎo)熱油入口溫度為 40℃，導(dǎo)熱油流量為2.3m3/h。冷凍壁形成過程中用機械卡尺每間隔5min測量厚度的變化，結(jié)果見表1?？刂葡到y(tǒng)自動實時記錄溫度分布及導(dǎo)熱油溫度流量等數(shù)據(jù)，另外在實驗過程不同時刻對試驗罐內(nèi)進行拍照。

如圖4所示為冷凍壁形成過程中試驗罐中間層徑向布置的熱電偶溫度變化情況，1～11#溫度隨時間逐漸下降，徑向上出現(xiàn)了明顯的溫度梯度。根據(jù)不同時刻T1～Tn的規(guī)律，取相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式（2）計算得到溫度梯度法的冷凍壁厚度，結(jié)果見表1。

圖5所示為冷凍壁形成過程中導(dǎo)熱油進出口溫度及溫差的變化，隨著時間推移，進出口溫差逐漸降低，表明隨著冷凍壁形成，導(dǎo)熱層熱阻增大，冷卻熱流量逐漸減小。入口導(dǎo)熱油溫度波動是因為導(dǎo)熱油循環(huán)使用，回路上冷卻器對溫度調(diào)節(jié)有一些滯后性。根據(jù)不同時刻T1、T入口、T出口，以及中間層熱電偶處R1為0.250m，圓筒壁長度h為0.62m，代入式（4）即可計算得到冷卻熱量法的冷凍壁厚度，結(jié)果見表1。

圖4　冷凍壁形成過程中溫度梯度變化（熔鹽初始溫度180℃，導(dǎo)熱油入口溫度40℃，流量2.3m3/h）

圖5　冷凍壁形成過程中導(dǎo)熱油溫度變化（熔鹽初始溫度180℃，導(dǎo)熱油入口溫度40℃，流量2.3m3/h）

圖6為不同時刻拍攝到的罐內(nèi)情況，黃色液體為硝酸熔鹽，壁面上白色為凝固的冷凍熔鹽，隨著時間推移，白色部分逐漸增多。將熱電偶的直徑（3mm）作為參照尺寸，通過圖像處理獲得冷凍層的厚度，結(jié)果見表1。

表1列出了各種方法得到的測量結(jié)果，卡尺的測量結(jié)果認(rèn)為是冷凍壁實際厚度，作為對比標(biāo)準(zhǔn)，計算了其他方法的結(jié)果與卡尺測量值的相對偏差。從表1結(jié)果可以看出，在開始一段時間內(nèi)利用溫度梯度法得到的冷凍壁厚度與卡尺測量值偏差較大，隨著時間推移逐漸趨于吻合，但結(jié)果稍微偏大，這是由于熔鹽實際凝固過程存在一些過冷現(xiàn)象，熱電偶雖然達到臨界溫度，但熔鹽尚未完全凝固成冷凍壁。冷卻熱量推算法得到的厚度值與卡尺測量值偏差較大，可能是因為冷凍壁形成過程傳熱量一直在發(fā)生變化，而所選取的的數(shù)據(jù)均是瞬態(tài)值，不能準(zhǔn)確反映冷凍壁層導(dǎo)熱情況。在線圖像比較直觀地反映了冷凍壁層的變化，通過圖像處理得到的結(jié)果與卡尺測量接近。

表1　冷凍壁靜態(tài)形成過程不同方法厚度測量結(jié)果

2.2冷凍壁靜態(tài)平衡維持工況

在批次化干法后處理流程中，在附有冷凍壁保護的容器中熔鹽為非流動態(tài)，需要建立靜態(tài)傳熱平衡維持狀態(tài)，以確保冷凍壁層的穩(wěn)定性及防腐蝕效果，因此在穩(wěn)態(tài)傳熱工況中冷凍壁厚度更加需要準(zhǔn)確監(jiān)測。

圖6　冷凍壁靜態(tài)形成過程圖

根據(jù)燃料鹽衰變熱功率（以加熱棒模擬）及外壁冷卻條件的不同，實驗中共進行了11組平衡工況研究，每組平衡態(tài)維持時間為60～70min。如圖7所示為其中一種平衡工況下（加熱功率2kW，導(dǎo)熱油入口溫度40℃，導(dǎo)熱油流量2.3m3/h）的在線拍攝圖片及試驗罐中間層徑向溫度分布情況，可觀察到白色冷凍壁層保持穩(wěn)定，徑向各點溫度基本保持穩(wěn)定。

圖7　冷凍壁靜態(tài)平衡狀態(tài)及溫度分布隨時間變化（加熱棒功率為2kW，導(dǎo)熱油入口溫度40℃，流量2.3m3/h）

在所有平衡工況下均采用不同測量方法得到了冷凍壁厚度值，并計算了與卡尺測量值的相對偏差，見表2所示。從表2可以看出，在線圖像處理法依然與卡尺測量結(jié)果最接近。穩(wěn)定平衡態(tài)下，當(dāng)冷凍壁厚度大于 5mm時，溫度梯度推算得到的厚度與卡尺測量值之間的偏差較小；當(dāng)厚度小于5mm時，由于熱電偶直徑及布置上的局限，不能準(zhǔn)確反應(yīng)凝固鹽層所在位置，故無法判斷厚度。冷卻熱量推算法的部分結(jié)果存在較大偏差，可能是由于受到容器上某些部位散熱影響，冷卻側(cè)熱量無法真實反映冷凍壁層的熱傳導(dǎo)，后續(xù)在全密閉工況中熱量損失可以有效控制，該方法的準(zhǔn)確性應(yīng)該會提高。

通過以上非穩(wěn)態(tài)傳熱及穩(wěn)態(tài)傳熱兩種不同工況中的實驗表明，溫度梯度推算法、冷卻熱量推算法、在線圖像處理法等均能以在線方式監(jiān)測冷凍壁厚度， 但均存在一定的技術(shù)挑戰(zhàn)。溫度梯度推算法在穩(wěn)態(tài)下厚度判定較準(zhǔn)確，而在非穩(wěn)態(tài)及厚度較小時存在較大誤差，且此方法對熱電偶的設(shè)置有一定要求，熱電偶本身的腐蝕也是較大問題，這對裝置設(shè)計及后期損壞更換增加復(fù)雜性。冷卻熱量推算法可通過外夾套換熱量及金屬壁面溫度推算冷凍壁厚度，不需增加額外設(shè)備，但必須減少容器散熱損失，以確保獲到精確的冷卻熱量。在線圖像處理法能比較直觀反映冷凍壁厚度，與卡尺測量值也最接近，但需要配備穩(wěn)定可靠的高溫攝像系統(tǒng)，并且需要定期維護，給工藝裝置增加難度。干法處理中密閉工況應(yīng)用環(huán)境比較苛刻（氟鹽體系內(nèi)無水無氧操作），對厚度監(jiān)測的穩(wěn)定性有更高要求，因此這些方法還有待于進一步研究優(yōu)化。

3　結(jié)　論

在以熔鹽冷凍壁作為容器保護內(nèi)襯的工藝技術(shù)應(yīng)用中，為準(zhǔn)確監(jiān)測熔鹽冷凍壁厚度，在硝酸鹽體系中研究了冷凍壁形成及維持工況下各種可能的在線厚度測定方法，包括溫度梯度推算法、冷卻熱量推算法、在線圖像處理法等，將各自測量結(jié)果與機械卡尺直接測量值進行了對比分析。

溫度梯度推算法在非穩(wěn)態(tài)及冷凍壁厚度較小時存在較大誤差，可能是因為熔鹽凝固過程存在過冷現(xiàn)象，盡管熱電偶達到了臨界溫度，而熔鹽并沒凝固。但在傳熱穩(wěn)定的平衡維持態(tài)時該方法能較準(zhǔn)確的判定厚度。冷卻熱量推算法可通過外夾套換熱量及金屬壁面溫度推算冷凍壁厚度，比較簡單方便，但在目前實驗條件中其穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性稍差，可能是散熱影響導(dǎo)致冷卻側(cè)熱量沒有真實反映冷凍壁層的熱傳導(dǎo)。在線圖像處理法能比較直觀反映冷凍壁厚度，與卡尺測量值也很接近。

溫度梯度推算法、冷卻熱量推算法、在線圖像處理法均能實現(xiàn)在線厚度監(jiān)測，但因為干法工藝中應(yīng)用環(huán)境較苛刻，需在氟鹽體系密閉工況中無水無氧操作，冷凍壁厚度判定方法的選取可能要根據(jù)具體工藝裝置結(jié)構(gòu)，最終達到裝置維護難度低，冷凍壁防腐蝕性效果好的目的。溫度梯度推算法及在線圖像處理法均需要配備安裝于容器內(nèi)部的附件，冷卻熱量推算法的準(zhǔn)確性取決于容器散熱損失量，幾種方法仍存在一定的技術(shù)挑戰(zhàn)，在后續(xù)氟鹽冷凍壁研究及應(yīng)用中將繼續(xù)優(yōu)化這些方法及組件設(shè)計。

符號說明

C —— 比熱容，J/（kg·℃）

D —— 冷凍壁厚度，m

k —— 固體硝酸鹽導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）

h —— 試驗罐高度，m

L —— 熔鹽固液臨界面

n —— 熱電偶編號

q —— 熱流量，W/m

R —— 熱電偶離中心的距離，m

T —— 溫度，℃

W —— 質(zhì)量流量，kg/s

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Experimental study on the thickness detection of molten salt frozen-wall

ZHOU Jinhao1，2，SUN Bo1，2，SHE Changfeng1，2，DOU Qiang1，2，LI Qingnuan1，2，WU Guozhong1，2
（1Shanghai Institute of Applied Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201800，China；2Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201800，China）

Molten salt frozen-wall is proposed as an option for protecting the metallic walls from corrosion by a layer of frozen salt which can prevent gas and liquid medium contacting with metallic wall. Accurate monitoring and controlling the thickness of frozen wall is the key for its successful application. Different on-line thickness detection methods were studied in the condition of frozen-wall forming and maintaining，and results were compared and analyzed with the thickness measured by mechanical caliper. For temperature gradient calculation method the result is more accurately in a state of balance than that in the unsteady condition，but it need to layout applicable thermocouples. The thickness of frozen wall also could be detected by cooling heat calculation method，which using outside heat exchange amount and metal wall temperature，its advantage is that there is no need for additional equipment，but its stability and accuracy depends on the amount of cooling heat，Online image can reflect thickness of frozen wall visual，but it need to be equipped with stable and reliable high temperature camera system. Because molten salt frozen-wall will be used in airtight condition which there is no water and oxygen，these on-line methods should be further researched and evaluated in the real system.

molten salt；corrosion；frozen-wall；heat transfer；measurement

TL 244

A

1000-6613（2016）08-2373-08

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.11

2015-12-29；修改稿日期：2016-02-01。

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項項目（XDA02030000）。

周金豪（1986—），男，在職博士，從事核燃料干法分離技

術(shù)研究。聯(lián)系人：竇強，副研究員，從事核燃料干法分離技術(shù)研究。E-mail douqiang@sinap.ac.cn。