CAP1400壓力容器外壁面臨界熱通量試驗(yàn)

史國寶， 鄭明光， 張 琨， 匡 波， 劉鵬飛

(1. 上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233； 2. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

大型先進(jìn)壓水堆重大專項(xiàng)CAP1400的安全性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性需要在AP1000基礎(chǔ)上有新的發(fā)展和提高[1]，熔融物堆內(nèi)滯留(IVR)是CAP1400最為關(guān)鍵的嚴(yán)重事故緩解措施[2].在嚴(yán)重事故工況下，安全殼內(nèi)置換料水箱(IRWST)排水進(jìn)入環(huán)路隔間，壓力容器保溫層流道進(jìn)口和出口開啟，形成自然循環(huán)流動(dòng)，對壓力容器內(nèi)熔融物進(jìn)行有效冷卻，將堆芯熔融物滯留在壓力容器內(nèi)，上述動(dòng)作均不需要?jiǎng)恿﹄娫矗哂懈呖煽啃?IVR使大量非揮發(fā)性裂變產(chǎn)物滯留在壓力容器內(nèi)，防止可能威脅安全殼完整性的堆外嚴(yán)重事故現(xiàn)象的發(fā)生.IVR成功的熱工準(zhǔn)則為熔融物向壓力容器壁面?zhèn)鬟f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(yàn)研究是IVR研究工作的重要組成部分.

文獻(xiàn)[3]針對Loviisa核電廠的有利條件進(jìn)行IVR應(yīng)用改造，對壓力容器橢球形下封頭外壁面開展了CHF試驗(yàn)(ULPU-I/II)，后續(xù)在先進(jìn)非能動(dòng)壓水堆AP600/AP1000 IVR應(yīng)用[4-5]中開展了半球形下封頭外壁面CHF試驗(yàn)(ULPU-III/IV/V).為了應(yīng)對AP1000功率提升帶來的挑戰(zhàn)，將壓力容器下封頭保溫層設(shè)計(jì)改為半球形，以挖掘CHF裕量.在試驗(yàn)中，研究了壓力容器/保溫層各種間隙、銅加熱段表面狀態(tài)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(yàn)對IVR措施工程的應(yīng)用起到了支撐作用，然而AP1000 壓力容器外壁面CHF試驗(yàn)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(shè)計(jì)，對流體工質(zhì)、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(zhì)對CHF影響的試驗(yàn)研究[6-9]，但這些試驗(yàn)均局限于小尺寸和單因素.與此同時(shí)，一些歐洲學(xué)者對AP1000 壓力容器外壁面CHF試驗(yàn)結(jié)果存有疑慮.

CAP1400功率的提升使得IVR成為CAP1400研發(fā)中最卡關(guān)的技術(shù)之一，因此CAP1400壓力容器外流動(dòng)模擬和壓力容器下封頭外壁面的CHF試驗(yàn)研究十分重要.本文根據(jù)試驗(yàn)?zāi)；瓌t建立試驗(yàn)臺(tái)架，采用爆炸焊技術(shù)制造試驗(yàn)段，解決了大型試驗(yàn)段模擬真實(shí)表面特性這個(gè)難題.通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)流道、壓力、過冷度、流體水化學(xué)、表面狀態(tài)等關(guān)鍵因素對壓力容器外壁面CHF的影響規(guī)律，驗(yàn)證了CAP1400熔融物堆內(nèi)滯留下壓力容器外流動(dòng)和傳熱工藝.對壓力容器外壁面CHF的試驗(yàn)研究可為CAP1400熔融物堆內(nèi)滯留有效性分析評價(jià)提供試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)?zāi)；图訜岫卧O(shè)計(jì)

在充分調(diào)研已有試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過分析將影響CHF關(guān)鍵因素梳理為壓力、入口溫度、流量、流體工質(zhì)、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(guān)鍵因素Fig.1 Main affecting factors of CHF

試驗(yàn)臺(tái)架模化原則是采用與原型相同的工質(zhì)、與原型相同的參數(shù)，使其滿足影響CHF的關(guān)鍵因素.同時(shí)，考慮試驗(yàn)臺(tái)架建設(shè)費(fèi)用，對原型進(jìn)行縮比.

由于壓力容器下封頭、保溫層以及進(jìn)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(tái)架可以保證壓力容器下封頭外壁面流體溫度上升、汽泡產(chǎn)生帶來的自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力，形成符合實(shí)際的自然循環(huán)流量，使CHF發(fā)生點(diǎn)的流體壓力、流量及其波動(dòng)特性、來自上游的汽泡積累情況與實(shí)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(yán)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?duì)罱Y(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用了如圖2(b)所示的片狀結(jié)構(gòu).采用瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)存在很多困難：① 如采用插入電加熱棒的銅塊構(gòu)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(qū)域，因流道寬度太小，流道側(cè)壁會(huì)對流動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重的邊界效應(yīng)；③ 流道與加熱段之間密封困難.事實(shí)上，在低角度區(qū)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(tài)這些有利因素能抵消氣泡不易擴(kuò)散帶來的影響，使低角度區(qū)域CHF不會(huì)顯著下降，因而不是模擬的重點(diǎn)；在高角度區(qū)域，熱通量較大，要求CHF大于熱通量，因而是模擬的重點(diǎn)，然而高角度區(qū)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(jié)構(gòu)加熱段.

為了考慮形狀變換帶來的影響，對加熱段進(jìn)行功率整形.功率整形的原則是原型與試驗(yàn)之間在發(fā)生CHF時(shí)的上下游條件相當(dāng).對于CHF發(fā)生點(diǎn)的上游，使蒸汽流率逐漸積累，從而在發(fā)生CHF處“光滑地”達(dá)到所需流率值，并自然地形成所有上游區(qū)域內(nèi)兩相邊界層，以保證CHF發(fā)生點(diǎn)與上游條件接近.

片狀結(jié)構(gòu)與瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)之間的幾何關(guān)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(jié)構(gòu)與瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)之間的幾何關(guān)系(展開)Fig.3 Relationship between plate type and slice type (unfolded)

圖4 CHF試驗(yàn)臺(tái)架Fig.4 CHF test facility

試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)段寬度；δ為保溫層與壓力容器壁面的間距；qe(θ) 為試驗(yàn)段熱通量隨角度θ的分布.考慮Je(θm)與Jp(θm)相等，經(jīng)過化簡可以獲得滿足“功率整形”法則的CHF發(fā)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(yàn)段寬度.試驗(yàn)熱通量分布的原型須在熱通量分布基礎(chǔ)上進(jìn)行上述轉(zhuǎn)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(dǎo)熱性能較差，產(chǎn)生所需的熱通量將使碳鋼超過熔點(diǎn).為此，采用爆炸焊技術(shù)將銅塊與碳鋼薄層緊密結(jié)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(yàn)段不能反映真實(shí)表面特性這個(gè)難題.另外，采用真實(shí)的含硼和磷酸三鈉溶液在大臺(tái)架上開展CHF試驗(yàn)，保證了流體工質(zhì)的一致性.

2 試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)臺(tái)架如圖4所示，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下.

(1) 采用全高度切片型流道，模擬保溫層進(jìn)出口的形狀、模擬堆腔上部環(huán)廊空間及主管道貫穿孔等流道，使自然循環(huán)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(diào)節(jié)，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(shù)將銅塊與碳鋼薄層緊密結(jié)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(tǒng)進(jìn)行分組控制.確定試驗(yàn)工況后，利用功率整形程序計(jì)算得到該試驗(yàn)工況的熱通量分布，并根據(jù)熱通量分布計(jì)算得出電加熱棒功率分布，將數(shù)據(jù)輸入到加熱系統(tǒng)控制面板，在試驗(yàn)中，功率因子不變，總功率提升.

(3) 為了保證回路的水質(zhì)，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(shí)的含硼和磷酸三鈉溶液在大臺(tái)架上開展CHF試驗(yàn).

(4) 測量系統(tǒng).采用電磁流量計(jì)測量自然循環(huán)流量，壓力/壓差傳感器測量壓力/壓差，液位計(jì)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(yàn)段側(cè)壁留有幾個(gè)視窗，可目察或利用高速攝像機(jī)觀察汽泡的積累.

(5) 輔助系統(tǒng)包括冷凝與冷卻系統(tǒng)、水化學(xué)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、供水與預(yù)熱系統(tǒng)、回路清洗系統(tǒng)等；支持系統(tǒng)包括循環(huán)冷卻系統(tǒng)、造水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、試驗(yàn)段準(zhǔn)備系統(tǒng)等.

試驗(yàn)臺(tái)架主要性能參數(shù)如表1所示.

表1 CHF試驗(yàn)臺(tái)架主要性能參數(shù)Tab.1 Main parameters of CHF test facility

3 CHF試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)過程和流動(dòng)特性

在試驗(yàn)過程中，根據(jù)工況設(shè)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(yīng)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(fā)生位置的試驗(yàn)段溫度；t為時(shí)間；線型TCA4x-XXb的含義為，TCA為熱電偶試驗(yàn)，4代表試驗(yàn)段的第4個(gè)分區(qū)，x為熱電偶安裝深度，10～15代表熱電偶所在位置編號(hào)，b代表熱電偶屬于3排中的第2排.由圖5可知，對應(yīng)角度已發(fā)生偏離泡核沸騰，前一時(shí)刻對應(yīng)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(shù)穩(wěn)定后，逐步提高功率，再次確認(rèn)傳熱極限所對應(yīng)的功率.根據(jù)加熱棒的功率，可以計(jì)算得到其傳給流體的熱通量，極限功率對應(yīng)于臨界熱通量.

圖5 發(fā)生CHF位置附近區(qū)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(shí)，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(chǎn)生的汽泡數(shù)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(tài).進(jìn)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(fā)生閃蒸現(xiàn)象，又產(chǎn)生一定量的汽泡，如圖6(c)所示.

試驗(yàn)臺(tái)架自然循環(huán)流量較穩(wěn)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(huán)流量；P為總加熱功率；線型SF-XX-X的含義為，SF代表實(shí)驗(yàn)工況，第2部分的數(shù)字代表CHF發(fā)生的傾角角度，第3部分?jǐn)?shù)字代表發(fā)生CHF位置下游的加熱功率因子.一個(gè)工況下的流量有一定波動(dòng)，如圖7(b)所示.這主要由加熱段流道內(nèi)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(yàn)中自然循環(huán)流量大幅度波動(dòng)存在明顯差別.AP1000原設(shè)計(jì)中保溫層與4個(gè)大的排汽通道相連，ULPU-V試驗(yàn)?zāi)M了原設(shè)計(jì)，這造成了流量的大幅度波動(dòng).

圖6 流道可視化觀測結(jié)果Fig.6 Visualization observation of flow path

圖7 自然循環(huán)流量變化Fig.7 Flow rate of natural circulation

3.2 CHF試驗(yàn)結(jié)果和機(jī)理分析

在全高度試驗(yàn)臺(tái)架上針對CHF所有關(guān)鍵因素開展試驗(yàn)研究，在真實(shí)含硼和磷酸三鈉溶液試驗(yàn)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(yàn)，以了解CHF特性.試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到了以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)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(guān)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(shí)際運(yùn)行工況下壓力容器外表面的真實(shí)狀況，對試驗(yàn)段表面進(jìn)行300 ℃下烘烤一周處理，使其表面狀況與真實(shí)狀況一致.系統(tǒng)壓力對CHF的影響如圖10所示.試驗(yàn)表明，CHF進(jìn)一步提高約10%；系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，如圖11所示.加熱表面呈現(xiàn)針羽狀/細(xì)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(lián)的結(jié)構(gòu).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(tǒng)壓力升高對CHF有所影響是因?yàn)樵诘蛪籂顟B(tài)下，壓力的提高會(huì)顯著影響物性參數(shù).

圖10 系統(tǒng)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(yán)重事故下安全殼地坑內(nèi)水質(zhì))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(yīng).

結(jié)合國際上已開展的加熱壁面以及特性、流體工質(zhì)對CHF影響的小尺寸和單因素試驗(yàn)[6-9]、底層微液層試驗(yàn)[10]，發(fā)現(xiàn)CAP1400壓力容器外壁面臨界熱通量影響因素和增強(qiáng)效應(yīng)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(bǔ)充，補(bǔ)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(guān)，而大汽泡的流動(dòng)特性與壓力、流量、空泡份額和加熱面角度有關(guān).如果在一個(gè)時(shí)間間隙內(nèi)，進(jìn)入微液層的液體量不足以補(bǔ)充加熱面汽化所需要的液體量，微液層蒸干就會(huì)導(dǎo)致CHF.如果加熱表面是親水和多孔的，毛細(xì)作用能增強(qiáng)液體在交聯(lián)孔隙中的流動(dòng)，及時(shí)補(bǔ)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(yàn)段表面進(jìn)行烘烤后，加熱表面氧化，并具有縫隙，CHF進(jìn)一步提高.

4 結(jié)語

根據(jù)?；瓌t建立了全高度切片型試驗(yàn)臺(tái)架，采用爆炸焊技術(shù)研制了加熱段，表面碳鋼薄層可以真實(shí)模擬壓力容器表面特性.在此基礎(chǔ)上，開展了流道、壓力、過冷度、流體水化學(xué)、表面狀態(tài)等關(guān)鍵因素對壓力殼外壁面CHF影響的試驗(yàn)研究.

試驗(yàn)結(jié)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(yàn)段表面進(jìn)行老化處理后，CHF進(jìn)一步提高約10%；系統(tǒng)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(jìn)一步提高CHF.

本研究獲得了CAP1400壓力容器外壁面?zhèn)鳠針O限(臨界熱通量)影響規(guī)律，驗(yàn)證了熔融物堆內(nèi)滯留措施中壓力容器外流動(dòng)和傳熱過程.通過技術(shù)交流使一些歐洲學(xué)者改變了其原有的疑慮，在國際上達(dá)成了下列共識(shí)：半球形保溫層設(shè)計(jì)有利于CHF、進(jìn)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(jìn)一步開展系統(tǒng)壓力對CHF影響的試驗(yàn)，以更好地滿足工程應(yīng)用的需求.