CN110415840A - 一种提升压力容器外部临界热流密度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升压力容器外部临界热流密度的方法,解决了现有技术解决无法通过简单有效的手段实现核反应堆严重事故下堆芯熔融物滞留的问题。本发明包括:在堆芯出口温度高于事故临界值时,将氧化铝纳米流体注入到压力容器外部的流道中。本发明通过使用氧化铝纳米流体,基于纳米微粒沉积形成的覆盖层会影响接触角和毛细现象的原理,有效提升核反应堆严重事故下压力容器外部临界热流密度。
Description
技术领域
本发明涉及核安全领域,具体涉及一种提升压力容器外部临界热流密度的方法。
背景技术
压水型核反应堆在发生堆芯熔化的严重事故时,堆芯材料熔化,最后会在压力容器下封头内形成高温的堆芯熔融物,其热量会持续向压力容器壁传递,如果外部没有足够的带热手段,则压力容器壁将会失效,堆芯熔融物将流出压力容器造成更为严重的后果。如果压力容器外部有流体,则堆芯熔融池传给压力容器壁的热量可通过流体与压力容器壁之间的沸腾换热带出,从而实现堆芯熔融物的滞留。该沸腾传热的带热极限就是临界热流密度。
目前,从反应堆核功率提升后采用堆芯熔融物滞留策略的可能性以及提升现有反应堆堆芯熔融物滞留的安全裕量两方面来看,都有进一步提升临界热流密度的需求。但现有技术中并没有公开能够对临界热流密度进行显著提升进而提高沸腾传热的带热极限的相应技术手段,无法通过简单有效的手段实现核反应堆严重事故下堆芯熔融物滞留的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升压力容器外部临界热流密度的方法,解决无法通过简单有效的手段实现核反应堆严重事故下堆芯熔融物滞留的问题。
本发明通过下述技术方案实现:
一种提升压力容器外部临界热流密度的方法,在堆芯出口温度高于事故临界值时,将氧化铝纳米流体注入到压力容器外部的流道中。
纳米流体,是指把金属、金属氧化物或非金属纳米粉体分散到水等传统换热介质中,制备成的新型换热介质,其在某些条件下的临界热流密度提升效果很好,被认为是很有希望的一种措施。因此,本发明采取合适的纳米流体,明确相应的使用条件,以提升核反应堆严重事故下压力容器外部临界热流密度,进而有利于实现核反应堆严重事故下堆芯熔融物滞留。本发明选择的纳米流体为氧化铝纳米流体。
采用氧化铝纳米流体提升核反应堆严重事故下压力容器外部临界热流密度的原理如下:氧化铝纳米流体加入到压力容器外部的流道后,在氧化铝纳米流体沸腾时,一段时间后氧化铝纳米微粒会沉积在加热表面,形成类似多孔介质的覆盖层。
覆盖层会带来两个效应。一方面,相对于无覆盖层的加热表面,氧化铝纳米流体在加热表面的接触角会减小,接触角减小时,表面张力的垂直分力(沸腾时其维持气泡在加热表面)减小,气泡脱离频率较去离子水增加,这将提升临界热流密度,如图1所示。另一方面,由于覆盖层类似于多孔介质,这将带来毛细现象,这有利于周围液体向气泡下面的微液层供应液体,这将使得液膜蒸干延迟,也会提升临界热流密度。
同时,临界热流密度的提升与加热面倾斜角(垂直加热时的倾斜角为90度,水平面朝下加热时的倾斜角为180度)有关,小角度时获得的提升比例大于大角度时,但都能提升临界热流密度。堆芯熔融物传热给压力容器壁时的倾斜角范围是90度至180度,因此,采用氧化铝纳米流体能提升核反应堆严重事故下压力容器外部的临界热流密度。
进一步,临界热流密度的提升也与纳米微粒浓度有关,当纳米氧化铝的体积浓度控制到适当的范围时,能够保证沸腾时沉积到表面的量足够多。并且,本发明在一定浓度范围之上,纳米微粒浓度的影响较小,但在较小浓度范围内,浓度越大,临界热流密度提升效果越好。本发明中,所述氧化铝纳米流体中氧化铝纳米微粒的体积浓度设置为大于0.001%,优选地,所述氧化铝纳米流体中氧化铝纳米微粒的体积浓度大于0.001%且小于0.1%。所述氧化铝纳米流体的换热介质为水。
更进一步,如果氧化铝纳米微粒的平均粒径超过本发明中规定的范围,换热增强难以保证明显的效果。通过控制氧化铝纳米流体注入到流道中的沸腾时间,能够保证氧化铝纳米微粒具有足够的沉积时间,时间少则沉积量不足,影响效果。对流道宽度的控制:流道较窄则流动沸腾机理发生变化,气泡会拥挤,换热增强效果不好。
因此,所述氧化铝纳米流体中氧化铝纳米微粒的平均直径为10-100nm。所述流道的宽度控制范围为0.1-3m。所述流道中液体的沸腾形式为池式沸腾。所述氧化铝纳米流体注入到流道中的时间大于60分钟。
临界热流密度的提升还与系统压力有关,在一定压力范围内,系统压力上升,临界热流密度增加,因而,本发明中流道内的压力范围控制为0.1MPa至2MPa。
现有技术没有给出需要通过何种方式改变临界热流密度。本发明通过对氧化铝纳米流体在平均微粒直径、体积浓度、沸腾时间、流道宽度、沸腾形式、系统压力范围等方面进行控制,确定平均微粒直径、体积浓度、沸腾时间、流道宽度、沸腾形式、系统压力范围等方面的使用条件,使得氧化铝纳米流体可提升核反应堆严重事故下压力容器外部临界热流密度。本发明不需要使用泵来提供强迫循环流量,不需要对压力容器外部流道进行各种复杂的优化,提高了核反应堆严重事故下堆芯熔融物滞留策略的可靠性。
一种在核反应堆严重事故下提高堆芯熔融物滞留的方法,包括:在堆芯出口温度高于事故临界值时,将氧化铝纳米流体注入压力容器外部空间即可。所述事故临界值的温度为650℃。
本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
1、本发明通过使用氧化铝纳米流体,基于纳米微粒沉积形成的覆盖层会影响接触角和毛细现象的原理,有效提升核反应堆严重事故下压力容器外部临界热流密度;
2、本发明同时合理确定氧化铝纳米流体在平均微粒直径、体积浓度、沸腾时间、流道宽度、沸腾形式、系统压力范围等方面的使用条件,可进一步提升核反应堆严重事故下压力容器外部临界热流密度,可应用于核反应堆严重事故下堆芯熔融物滞留策略中;
3、发明不需要使用泵来提供强迫循环流量,不需要对压力容器外部流道进行各种复杂的优化,提高了核反应堆严重事故下堆芯熔融物滞留策略的可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为本发明氧化铝纳米流体提升临界热流密度示意图。
图2为氧化铝纳米流体使用条件示意图。
图3为不同倾斜角下纳米流体临界热流密度值相对去离子水的增幅示意图。
图4为热流密度结果对照示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种提升压力容器外部临界热流密度的方法,包括:
(1)制备氧化铝纳米流体:
将氧化铝纳米微粒分散到水中,制备成体积浓度为0.05%的氧化铝纳米流体。
(2)在严重事故发生后,利用堆芯出口温度高于650℃作为信号,将氧化铝纳米流体注入到压力容器外部的流道中,如图2所示。
本实施例中所述氧化铝纳米微粒的平均直径为60nm。所述流道的宽度控制范围为1.5m。所述流道内的压力范围控制为0.1MPa至2MPa。所述流道中液体的沸腾形式为池式沸腾。所述氧化铝纳米流体注入到流道中的时间大于60分钟。
如此,可通过氧化铝纳米流体的池式沸腾,带走堆芯熔融物的热量,通过检测得知,堆芯出口温度降低至200℃,实现堆芯熔融物的滞留。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例中的参数不同,具体设置如下:
一种提升压力容器外部临界热流密度的方法,包括:
(1)制备氧化铝纳米流体:
将氧化铝纳米微粒分散到水中,制备成体积浓度为0.003%的氧化铝纳米流体。
(2)在严重事故发生后,利用堆芯出口温度高于650℃作为信号,将氧化铝纳米流体注入到压力容器外部的流道中,如图2所示。
本实施例中所述氧化铝纳米微粒的平均直径为20nm。所述流道的宽度控制范围为0.3m。所述流道内的压力范围控制为0.1MPa至2MPa。所述流道中液体的沸腾形式为池式沸腾。所述氧化铝纳米流体注入到流道中的时间大于60分钟。
通过本实施例方法带走堆芯熔融物的热量后检测得知,堆芯出口温度降低至200℃,实现堆芯熔融物的滞留。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例中的参数不同,具体设置如下:
一种提升压力容器外部临界热流密度的方法,包括:
(1)制备氧化铝纳米流体:
将氧化铝纳米微粒分散到水中,制备成体积浓度为0.1%的氧化铝纳米流体。
(2)在严重事故发生后,利用堆芯出口温度高于650℃作为信号,将氧化铝纳米流体注入到压力容器外部的流道中,如图2所示。
本实施例中所述氧化铝纳米微粒的平均直径为90nm。所述流道的宽度控制范围为2.5m。所述流道内的压力范围控制为0.1MPa至2MPa。所述流道中液体的沸腾形式为池式沸腾。所述氧化铝纳米流体注入到流道中的时间大于60分钟。
通过本实施例方法带走堆芯熔融物的热量后检测得知,堆芯出口温度降低至200℃,实现堆芯熔融物的滞留。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例参数不同,具体设置如下:
本实施例中氧化铝纳米流体中氧化铝纳米微粒的体积浓度为0.0005%,所述氧化铝纳米微粒的平均直径为60nm。所述流道的宽度控制范围为4m。所述流道内的压力范围控制为0.1MPa至2MPa。所述流道中液体的沸腾形式为池式沸腾。所述氧化铝纳米流体注入到流道中的时间大于60分钟。
通过本实施例方法带走堆芯熔融物的热量后检测得知,堆芯出口温度降低至200℃,实现堆芯熔融物的滞留。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例参数不同,具体设置如下:
本实施例中氧化铝纳米流体中氧化铝纳米微粒的体积浓度为0.2%,所述氧化铝纳米微粒的平均直径为60nm。所述流道的宽度控制范围为0.05m。所述流道内的压力范围控制为0.1MPa至2MPa。所述流道中液体的沸腾形式为池式沸腾。所述氧化铝纳米流体注入到流道中的时间大于60分钟。
通过本实施例方法带走堆芯熔融物的热量后检测得知,堆芯出口温度降低至200℃,实现堆芯熔融物的滞留。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例参数不同,具体设置如下:
本实施例中氧化铝纳米流体中氧化铝纳米微粒的体积浓度为0.2%,所述氧化铝纳米微粒的平均直径为200nm。所述流道的宽度控制范围为2m。所述流道内的压力范围控制为0.1MPa至2MPa。所述流道中液体的沸腾形式为池式沸腾。所述氧化铝纳米流体注入到流道中的时间大于60分钟。
通过本实施例方法带走堆芯熔融物的热量后检测得知,堆芯出口温度降低至200℃,实现堆芯熔融物的滞留。
采用实施例1中的氧化铝纳米颗粒分别制备成浓度为0.00001vol%、0.0001vol%、0.001vol%、0.01vol%、0.03vol%的氧化铝纳米流体,开展了实验研究,得到了加热面尺寸分别为20mm×20mm、40mm×40mm、80mm×80mm工况下的临界热流密度值,并与相同条件下的临界热流密度进行了对比。得到的不同倾斜角下纳米流体临界热流密度值相对去离子水的增幅如图3所示。从结果看出,相对于去离子水,纳米流体得到更高的临界热流密度值,几乎所有倾斜角度下纳米流体都显示出提高临界热流密度的性能,增幅最高可达70%,这对于堆芯熔融物滞留措施中使用纳米流体作外部冷却介质非常有利。
在上述实验结果的基础上,发展了纳米流体临界热流密度计算模型,并计算得到了浓度为0.001vol%的氧化铝纳米流体注入到压力容器外部的流道中(压力0.1MPa,过冷度0度,强迫循环流量为0)倾斜角90-180°范围内的临界热流密度值。本发明与现有技术中其余研究者得到的临界热流密度结果,以及600MW反应堆的堆芯熔融热流密度分布进行了对比,对比结果如图4所示。
通过图4的结果可知:本发明得到的临界热流密度值均远高于堆芯熔融物热流密度,此外,与其余研究者得到的临界热流密度值相比,可以发现,本发明的临界热流密度值最大,明显提高了临界热流密度值,与之对应也提高了堆芯熔融物滞留策略的安全裕量。
值得注意的是,在90°至110°的倾斜角范围内(安全裕量最小的区域),根据本发明得到的结果,与同样条件的去离子水相比,氧化铝纳米流体的临界热流密度值提高了约100%,考虑20%的不确定性,临界热流密度值也能提高约80%,效果十分显著。
并且,本发明的条件是池式沸腾,不需要考虑强迫循环流量,没有考虑流道优化带来的影响,这样可以简化一些系统设备,也可以提高堆芯熔融物滞留策略的可靠性,在这样的情况下,能基本维持堆芯熔融物滞留策略现有安全裕量,这说明了纳米流体用于堆芯熔融物滞留的确有其优势。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提升压力容器外部临界热流密度的方法,其特征在于,在堆芯出口温度高于事故临界值时,将氧化铝纳米流体注入到压力容器外部的流道中。
2.根据权利要求1所述的提升压力容器外部临界热流密度的方法,其特征在于,所述氧化铝纳米流体中氧化铝纳米微粒的体积浓度大于0.001%。
3.根据权利要求1所述的提升压力容器外部临界热流密度的方法,其特征在于,所述氧化铝纳米流体的换热介质为水。
4.根据权利要求1所述的提升压力容器外部临界热流密度的方法,其特征在于,所述氧化铝纳米流体中氧化铝纳米微粒的平均直径为10-100nm。
5.根据权利要求1所述的提升压力容器外部临界热流密度的方法,其特征在于,所述氧化铝纳米流体注入到流道中的时间大于60分钟。
6.根据权利要求1所述的提升压力容器外部临界热流密度的方法,其特征在于,所述流道的宽度控制范围为0.1-3m。
7.根据权利要求1所述的提升压力容器外部临界热流密度的方法,其特征在于,所述流道内的压力范围控制为0.1MPa至2MPa。
8.根据权利要求1所述的提升压力容器外部临界热流密度的方法,其特征在于,所述流道中液体的沸腾形式为池式沸腾。
9.根据权利要求1所述的提升压力容器外部临界热流密度的方法,其特征在于,所述事故临界值的温度为650℃。
10.根据权利要求1所述的提升压力容器外部临界热流密度的方法,其特征在于,所述氧化铝纳米流体中氧化铝纳米微粒的体积浓度大于0.001%且小于0.1%。
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