上海交通大学学报

上海交通大学学报（自然版）, 2022, 56(1): 14-20 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.395

CAP1400压力容器外壁面临界热通量试验

史国宝1, 郑明光1, 张琨,1, 匡波2, 刘鹏飞2

1.上海核工程研究设计院有限公司,上海 200233

2.上海交通大学 机械与动力工程学院,上海 200240

Test of Critical Heat Flux on Outer Surface of CAP1400 Pressurized Reactor Vessel

SHI Guobao1, ZHENG Mingguang1, ZHANG Kun,1, KUANG Bo2, LIU Pengfei2

1. Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200233, China

2. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

通讯作者: 张 琨,男,高级工程师,电话(Tel.):021-61864136;E-mail:zhangkun@snerdi.com.cn.

责任编辑: 石易文

收稿日期: 2020-11-26  

基金资助: 国家科技重大专项资助项目(2018ZX06002004)

Received: 2020-11-26  

作者简介 About authors

史国宝(1965-),男,浙江省宁波市人,研究员级高级工程师,主要从事核电厂总体设计和安全分析.

摘要

根据模化原则建立了全高度切片型试验台架,采用爆炸焊技术研制了加热段,表面碳钢薄层可以真实模拟压力容器表面特性,开展了流道、压力、过冷度、流体水化学、表面状态等关键因素对压力容器外壁面临界热通量影响试验研究,获得了CAP1400压力容器外壁面传热极限规律,验证了熔融物堆内滞留措施中压力容器外流动和传热过程.

关键词： 压力容器外壁面; 临界热通量试验; 熔融物堆内滞留

Abstract

A full height sliced test facility is established based on the modeling process. The heating test section is manufactured by adopting the explosive welding technology, and the surface of carbon steel can simulate the actual surface characteristic of a pressurized reactor. Critical heat flux tests on flow, pressure, subcooling degree, chemical material in water, and surface characteristics are performed on the outer surface of the pressurized reactor vessel. Therefore, the law of heat transfer limit on the outer surface of the CAP1400 pressurized reactor vessel is obtained, and the process of flow and heat transfer for in-vessel retention is validated.

Keywords： outer surface of pressurized reactor vessel; critical heat flux test; in-vessel retention

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本文引用格式

史国宝, 郑明光, 张琨, 匡波, 刘鹏飞. CAP1400压力容器外壁面临界热通量试验[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2022, 56(1): 14-20 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.395

SHI Guobao, ZHENG Mingguang, ZHANG Kun, KUANG Bo, LIU Pengfei. Test of Critical Heat Flux on Outer Surface of CAP1400 Pressurized Reactor Vessel[J]. Journal of shanghai Jiaotong University, 2022, 56(1): 14-20 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.395

大型先进压水堆重大专项CAP1400的安全性、经济性、先进性需要在AP1000基础上有新的发展和提高[1],熔融物堆内滞留(IVR)是CAP1400最为关键的严重事故缓解措施[2].在严重事故工况下,安全壳内置换料水箱(IRWST)排水进入环路隔间,压力容器保温层流道进口和出口开启,形成自然循环流动,对压力容器内熔融物进行有效冷却,将堆芯熔融物滞留在压力容器内,上述动作均不需要动力电源,具有高可靠性.IVR使大量非挥发性裂变产物滞留在压力容器内,防止可能威胁安全壳完整性的堆外严重事故现象的发生.IVR成功的热工准则为熔融物向压力容器壁面传递的热通量小于压力容器下封头外壁面临界热通量(CHF).因此,下封头外壁面CHF试验研究是IVR研究工作的重要组成部分.

文献[3]针对Loviisa核电厂的有利条件进行IVR应用改造,对压力容器椭球形下封头外壁面开展了CHF试验(ULPU-I/II),后续在先进非能动压水堆AP600/AP1000 IVR应用[4,5]中开展了半球形下封头外壁面CHF试验(ULPU-III/IV/V).为了应对AP1000功率提升带来的挑战,将压力容器下封头保温层设计改为半球形,以挖掘CHF裕量.在试验中,研究了压力容器/保温层各种间隙、铜加热段表面状态对CHF的影响,还利用很小的装置(BETA)研究了碳钢表面以及含硼和磷酸三钠溶液对CHF的影响[4].这些开拓性试验对IVR措施工程的应用起到了支撑作用,然而AP1000 压力容器外壁面CHF试验还存在一些不足之处,如未反映压力容器保温层出口的最新设计,对流体工质、壁面材料以及表面特性研究不够深入.近年来,国际上开展了不少加热壁面以及特性、流体工质对CHF影响的试验研究[6,7,8,9],但这些试验均局限于小尺寸和单因素.与此同时,一些欧洲学者对AP1000 压力容器外壁面CHF试验结果存有疑虑.

CAP1400功率的提升使得IVR成为CAP1400研发中最卡关的技术之一,因此CAP1400压力容器外流动模拟和压力容器下封头外壁面的CHF试验研究十分重要.本文根据试验模化原则建立试验台架,采用爆炸焊技术制造试验段,解决了大型试验段模拟真实表面特性这个难题.通过试验发现流道、压力、过冷度、流体水化学、表面状态等关键因素对压力容器外壁面CHF的影响规律,验证了CAP1400熔融物堆内滞留下压力容器外流动和传热工艺.对压力容器外壁面CHF的试验研究可为CAP1400熔融物堆内滞留有效性分析评价提供试验依据.

1 试验模化和加热段设计

在充分调研已有试验的基础上,通过分析将影响CHF关键因素梳理为压力、入口温度、流量、流体工质、流道形状、加热功率和分布等宏观因素和表面可润湿性、表面孔隙率等微观因素,如图1所示.

图1

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图1   影响CHF的关键因素

Fig.1   Main affecting factors of CHF


试验台架模化原则是采用与原型相同的工质、与原型相同的参数,使其满足影响CHF的关键因素.同时,考虑试验台架建设费用,对原型进行缩比.

由于压力容器下封头、保温层以及进出口符合360° 周向一致性,可以采用切片型流道.全高度切片型台架可以保证压力容器下封头外壁面流体温度上升、汽泡产生带来的自然循环驱动力,形成符合实际的自然循环流量,使CHF发生点的流体压力、流量及其波动特性、来自上游的汽泡积累情况与实际情况保持一致.

压力容器下封头将熔融物热量传递给流体,利用加热段来模拟,对压力容器下封头作严格的切片处理,加热段形状变换如图2所示.原型切片为如图2(a)所示的瓣状结构,在试验设计中采用了如图2(b)所示的片状结构.采用瓣状结构存在很多困难:① 如采用插入电加热棒的铜块构成加热段,就需要很多种不同长度的弧形加热棒,加工和安装难度很大;② 在低角度区域,因流道宽度太小,流道侧壁会对流动产生严重的边界效应;③ 流道与加热段之间密封困难.事实上,在低角度区域热通量较小,而入口流体直接冲刷表面和主流体处于过冷状态这些有利因素能抵消气泡不易扩散带来的影响,使低角度区域CHF不会显著下降,因而不是模拟的重点;在高角度区域,热通量较大,要求CHF大于热通量,因而是模拟的重点,然而高角度区域流道宽度变化很小,如70° 与90° 流道的宽度之比为0.94.因此,采用片状结构加热段.

图2

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图2   加热段形状变换

Fig.2   Alternation of heating block shape


为了考虑形状变换带来的影响,对加热段进行功率整形.功率整形的原则是原型与试验之间在发生CHF时的上下游条件相当.对于CHF发生点的上游,使蒸汽流率逐渐积累,从而在发生CHF处“光滑地”达到所需流率值,并自然地形成所有上游区域内两相边界层,以保证CHF发生点与上游条件接近.

片状结构与瓣状结构之间的几何关系如图3所示,其中:θm为原型中的某一角度位置.该位置处的气相表观速度可以表示为

Jp(θm)=1Amρghfg∫0θmqp(θ)(2πRsinθ)Rdθ

图3

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图3   片状结构与瓣状结构之间的几何关系(展开)

Fig.3   Relationship between plate type and slice type (unfolded)


式中:Jp(θm)为原型θm处的气相表观速度;Am为θm处的流道流通面积;ρg为气相密度;hfg为比焓;qp(θ) 为压力容器下封头壁面热通量随角度θ的分布,θ为压力容器下封头的倾角;R为压力容器下封头外半径.

试验段中某一角度位置θm处的汽相表观速度为

Je(θm)=1ρghfgbδ∫0θmqe(θ)bRdθ=M∫0θmqe(θ)bRdθ

式中:Je(θm)为试验段θm处的气相表观速度;M为曲率半径除以单位体积汽相的潜热;b为一维试验段宽度;δ为保温层与压力容器壁面的间距;qe(θ) 为试验段热通量随角度θ的分布.考虑Je(θm)与Jp(θm)相等,经过化简可以获得满足“功率整形”法则的CHF发生位置θm上游热流的分布为

qe(θ)=qp(θ)b(θ)b(θm)=qp(θ)sinθsinθmθ<θm

式中:b(θ)、b(θm)分别为θ、θm处的一维试验段宽度.试验热通量分布的原型须在热通量分布基础上进行上述转换.

加热段表面采用碳钢材料并模拟其表面特性,可保证表面可润湿性、表面孔隙率等微观因素,然而碳钢导热性能较差,产生所需的热通量将使碳钢超过熔点.为此,采用爆炸焊技术将铜块与碳钢薄层紧密结合,插入铜块的电加热棒通过碳钢薄层传热至流体,解决了国际上大型CHF试验段不能反映真实表面特性这个难题.另外,采用真实的含硼和磷酸三钠溶液在大台架上开展CHF试验,保证了流体工质的一致性.

2 试验台架

试验台架如图4所示,其设计特点如下.

图4

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图4   CHF试验台架

Fig.4   CHF test facility


(1) 采用全高度切片型流道,模拟保温层进出口的形状、模拟堆腔上部环廊空间及主管道贯穿孔等流道,使自然循环回路阻力与原型保持一致.压力容器下封头加热段与保温层之间的流道间隙可以调节,以研究流道间隙对CHF的影响.上水箱连有换热器,可控制上水箱温度.

(2) 采用爆炸焊技术将铜块与碳钢薄层紧密结合,插入铜块的电加热棒通过碳钢薄层传热至流体.将加热棒分为30组,每3° 为一组,每组加热棒的功率因子相等,由电加热棒功率控制系统进行分组控制.确定试验工况后,利用功率整形程序计算得到该试验工况的热通量分布,并根据热通量分布计算得出电加热棒功率分布,将数据输入到加热系统控制面板,在试验中,功率因子不变,总功率提升.

(3) 为了保证回路的水质,除了加热段外,均采用304不锈钢模拟流道;采用去离子水、真实的含硼和磷酸三钠溶液在大台架上开展CHF试验.

(4) 测量系统.采用电磁流量计测量自然循环流量,压力/压差传感器测量压力/压差,液位计测量水位,采用热电偶测量流体和加热段固壁温度.另外,试验段侧壁留有几个视窗,可目察或利用高速摄像机观察汽泡的积累.

(5) 辅助系统包括冷凝与冷却系统、水化学调节系统、供水与预热系统、回路清洗系统等;支持系统包括循环冷却系统、造水系统、废水处理系统、试验段准备系统等.

试验台架主要性能参数如表1所示.

表1   CHF试验台架主要性能参数

Tab.1  Main parameters of CHF test facility

参数取值
总高/m12.34
流道宽度/mm150
装置设计压力/MPa0.15
最大加热功率/kW600
加热段最大热通量/(MW·m-2)2.6(铜加热段)>
2.0(表面为原型材料)
上水箱加热功率/kW100
下水箱加热功率/kW75

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3 CHF试验结果

3.1 试验过程和流动特性

在试验过程中,根据工况设定每组加热棒的功率因子,逐步提高功率,观察加热段最大功率因子对应角度附近壁面温度,越接近极限功率提高幅度越小,直至壁面温度飞升,如图5所示.其中:Tm为CHF发生位置的试验段温度;t为时间;线型TCA4x-XXb的含义为,TCA为热电偶试验,4代表试验段的第4个分区,x为热电偶安装深度,10~15代表热电偶所在位置编号,b代表热电偶属于3排中的第2排.由图5可知,对应角度已发生偏离泡核沸腾,前一时刻对应的功率就是传热的极限功率.快速切除部分功率(如20%)待参数稳定后,逐步提高功率,再次确认传热极限所对应的功率.根据加热棒的功率,可以计算得到其传给流体的热通量,极限功率对应于临界热通量.

图5

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图5   发生CHF位置附近区域的加热块温度飞升

Fig.5   Temperature jump of heating block in the CHF region


在较高功率时,从流道视窗可以看到,随着加热段倾角的提高,加热段附近产生的汽泡数量逐渐增多,汽泡层逐渐变厚,如图6(a)所示,但主流体仍处于过冷状态.进入上升段,汽泡在过冷主流体中迅速冷凝,如图6(b)所示.至上升段出口附近由于压力降低,发生闪蒸现象,又产生一定量的汽泡,如图6(c)所示.

图6

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图6   流道可视化观测结果

Fig.6   Visualization observation of flow path


试验台架自然循环流量较稳定,随总加热功率增大呈同步增大的趋势,如图7(a)所示.其中:qFL为自然循环流量;P为总加热功率;线型SF-XX-X的含义为,SF代表实验工况,第2部分的数字代表CHF发生的倾角角度,第3部分数字代表发生CHF位置下游的加热功率因子.一个工况下的流量有一定波动,如图7(b)所示.这主要由加热段流道内过冷沸腾、上升段冷凝以及上升段出口处的闪蒸引起的,与ULPU-V试验中自然循环流量大幅度波动存在明显差别.AP1000原设计中保温层与4个大的排汽通道相连,ULPU-V试验模拟了原设计,这造成了流量的大幅度波动.

图7

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图7   自然循环流量变化

Fig.7   Flow rate of natural circulation


3.2 CHF试验结果和机理分析

在全高度试验台架上针对CHF所有关键因素开展试验研究,在真实含硼和磷酸三钠溶液试验和加热段表面采用碳钢材料之前,开展铜加热段和去离子水试验,以了解CHF特性.试验中CHF的测量不确定度小于10%.

在绝对压力为0.1 MPa、上水箱温度为饱和温度下,CHF随角度的增大而有所增大.与铜表面相比,采用原型材料表面的CHF可提升10%~15%,如图8所示,其中:Q为临界热通量.

图8

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图8   加热壁面材料对CHF的影响

Fig.8   Effect of heating surface material on CHF


在其他试验条件相同的情况下,入口水温降低有利于提高CHF,相对而言,入口水温对于低角度的影响更为显著,如图9所示.基于CHF与入口过冷度和角度的试验数据,拟合得到了以下经验关系式:

　QCHF=(3029.07-104.89θ+1.91θ2-0.011θ3)×[1.0+ΔT(0.028-0.00022θ)]

图9

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图9   入口水温对CHF的影响

Fig.9   Effect of inlet water temperature on CHF


式中:QCHF为临界热通量;ΔT为入口过冷度.该CHF 关系式的适用范围为:保温层流道入口水温为75~100 ℃,压力容器下封头外壁与保温层之间流道的间隙为94~156 mm(平滑过渡),加热段表面为压力容器原型材料.

为模拟实际运行工况下压力容器外表面的真实状况,对试验段表面进行300 ℃下烘烤一周处理,使其表面状况与真实状况一致.系统压力对CHF的影响如图10所示.试验表明,CHF进一步提高约10%;系统压力升高对于CHF具有显著的提升作用.针对加热表面,在高倍率电镜下观察微观结构,如图11所示.加热表面呈现针羽状/细片状密集分布的形貌,表明加热表面由于氧化形成了多孔交联的结构.从宏观角度,加热表面的氧化层如图12所示.加热表面形成一层氧化膜,其厚度不均匀,而且氧化膜与基体之间存在明显缝隙.而系统压力升高对CHF有所影响是因为在低压状态下,压力的提高会显著影响物性参数.

图10

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图10   系统压力对CHF的影响

Fig.10   Effect of system pressure on CHF


图11

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图11   加热表面微观形貌

Fig.11   Microcosmic observation of heating surface


图12

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图12   加热表面的氧化层

Fig.12   Oxidation layer of heating surface


与去离子水相比,采用磷酸三钠和硼酸的混合溶液(表征严重事故下安全壳地坑内水质)对提高CHF有一定好处,但其与表面特性带来的好处有一定的重叠效应.

结合国际上已开展的加热壁面以及特性、流体工质对CHF影响的小尺寸和单因素试验[6,7,8,9]、底层微液层试验[10],发现CAP1400压力容器外壁面临界热通量影响因素和增强效应可由微液层蒸干理论来解读.汽泡与加热面之间存在底层微液层,在大汽泡掠过微液层的间隙,微液层得到了补充,补充后微液层的厚度与加热表面的亲水性能和表面特性有关,而大汽泡的流动特性与压力、流量、空泡份额和加热面角度有关.如果在一个时间间隙内,进入微液层的液体量不足以补充加热面汽化所需要的液体量,微液层蒸干就会导致CHF.如果加热表面是亲水和多孔的,毛细作用能增强液体在交联孔隙中的流动,及时补充微液层中的液体.与铜表面相比,原型材料表面亲水性好,CHF有所提升;对试验段表面进行烘烤后,加热表面氧化,并具有缝隙,CHF进一步提高.

4 结语

根据模化原则建立了全高度切片型试验台架,采用爆炸焊技术研制了加热段,表面碳钢薄层可以真实模拟压力容器表面特性.在此基础上,开展了流道、压力、过冷度、流体水化学、表面状态等关键因素对压力壳外壁面CHF影响的试验研究.

试验结果表明:与铜表面相比,原型材料表面的CHF可提升10%~15%;入口过冷度增大有利于提高CHF,而且对于低角度的影响更显著;试验段表面进行老化处理后,CHF进一步提高约10%;系统压力升高对于CHF具有显著的提升作用;与去离子水相比,采用磷酸三钠和硼酸的混合溶液可进一步提高CHF.

本研究获得了CAP1400压力容器外壁面传热极限(临界热通量)影响规律,验证了熔融物堆内滞留措施中压力容器外流动和传热过程.通过技术交流使一些欧洲学者改变了其原有的疑虑,在国际上达成了下列共识:半球形保温层设计有利于CHF、进口过冷度对低角度CHF有较大的提升、碳钢表面和老化特性有利于CHF.下一阶段将进一步开展系统压力对CHF影响的试验,以更好地满足工程应用的需求.

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