CN110415842A - 一种熔池传热特性模拟材料、制备方法及其应用 - Google Patents

一种熔池传热特性模拟材料、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种熔池传热特性模拟材料，是一种三层熔池传热特性模拟材料，以金属Na模拟严重事故中反应堆下封头内三层熔池中的轻金属层，共晶熔盐LiCl/KCl模拟氧化物层，金属Sn模拟重金属层。本发明的模拟材料具有工艺简单、易于实现、性能稳定和成本较低等特点。由于各组分间物理性质不同可形成自然分层，使用金属材料来模拟真实反应堆中熔池顶部及底部金属层，材料的特性相近，可有效降低实验结果的不确定度，可用于反应堆严重事故机理及缓解措施的问题实验研究。

Description

一种熔池传热特性模拟材料、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及严重事故后下封头内熔池模拟材料技术领域，具体涉及一种熔池传热特性模拟材料、制备方法及其应用，可用于反应堆严重事故机理及缓解措施的问题实验研究。
背景技术
当反应堆发生严重事故时，如果堆芯不能得到有效冷却，会快速升温发生熔化在堆芯内部形成熔池。随着严重事故的发展，堆芯内部熔池向侧面及下方迁移，最终进入到下封头内部。下封头内部的熔融物会逐渐积累形成熔融池结构，不断向下封头壁面传递衰变热，当衰变热不能经壁面充分导出时，压力容器的完整性则会受到严重威胁。熔融物堆内滞留策略有效性的量化直接取决于两个参数：熔池加载于压力容器壁面的热流密度和压力容器外部冷却的排热能力。压力容器完整性与下封头壁面热负荷分布密切相关，下封头内熔池传热特性是熔融物堆内滞留策略能否成功的关键点之一。
下封头内熔池传热特性取决于熔池的瞬态及稳态条件(例如熔融池结构、衰变热功率及分布、冷却边界条件等)对熔池的温度分布和下封头壁面热流密度分布有着重要的影响。熔池分层试验结果表明下封头内熔池存在分层现象，可能出现的最危险分层结构为三层结构：顶层为未氧化的不锈钢、锆等构成的轻金属层，中层为UO2和ZrO2构成的氧化物层，底层为U等金属构成的重金属层。相对于现在实验研究中主要采用的单层熔池结构模型，上、下部的金属层导热会明显改变氧化物层传热特性。
目前研究中，有少部分实验研究针对多层熔池模型换热特性进行了研究。COPO实验中采用薄铜板将模拟材料分为两层，以研究两层熔池的换热特性，LIVE实验也采用了类似的方法。此外，SIMECO实验采用了三种不同的流体：氯苯-水-石蜡油研究了三层熔池传热特性。对于使用隔板实现的两层熔池实验，在一定程度上可以模拟两层熔融物传热特性，但由于金属隔板的存在，对下层的熔融物流动有一定影响，整体不确定型偏大。对于SIMECO中使用不同密度不互溶的液体实现的三层熔池，可以较准确模拟三层熔池中层间的换热以及对流造成的相互影响。但由于上下金属层模拟材料为氯苯及石蜡油，两种流体与导热性能强的熔融金属物性差异较大，难以准确模拟金属层的聚焦效应。
由于原型材料中二氧化铀、二氧化锆等材料熔化温度高，使用原型材料开展熔融池传热研究受测量技术、实验成本等条件限制，国内外已开展的多数实验选择采用模拟材料对下封头内熔池对流传热行为进行模拟。相对于原型熔融物，模拟材料选择应尽量与原型材料特性相近，能反映原型熔融物的热力学性质，存在明显的固液相分布，不易与容器及仪表反应，易于控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有实现模拟技术方案得到传热特性偏差较大，导致实验获得的传热关系式不确定度较高，本发明提供了解决上述问题的一种熔池传热特性模拟材料、制备方法及其应用。
本发明通过下述技术方案实现：
一种熔池传热特性模拟材料，模拟材料依次包括金属Na层、共晶熔盐LiCl/KCl层和金属Sn层；所述金属Na层用于模拟三层熔池结构中的轻金属层，共晶熔盐LiCl/KCl层用于模拟三层熔池结构氧化物层，金属Sn层用于模拟三层熔池结构重金属层。
进一步地，所述共晶熔盐LiCl/KCl层中，熔盐LiCl和KCl的摩尔质量配比为：LiCl，35～75％；KCl，25～65％。
上述一种熔池传热特性模拟材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤A，制备共晶熔盐LiCl/KCl：首先，将LiCl和KCl分别进行预干燥处理；然后，称取预干燥处理后的将LiCl和KCl混合；最后，在惰性气氛下加热熔化LiCl和KCl，以获取熔融态LiCl/KCl；通过预干燥处理分别除去LiCl和KCl中的结晶水。
步骤B，加入金属Sn：在共晶熔盐LiCl/KCl处于熔融状态下，向共晶熔盐LiCl/KCl中加入金属Sn；
步骤C，加入金属Na：待金属Sn熔化并聚集于熔盐底部后，继续加入金属Na，待金属Na完全熔化并形成轻金属层后，三种模拟材料最终形成三层熔融池结构。
进一步地，所述步骤A中，加热融化LiCl和KCl混合盐的温度为550℃。
进一步地，所述步骤C中，共晶熔盐LiCl/KCl层温度控制在450～650℃。
上述一种熔池传热特性模拟材料的应用，所述熔池传热特性模拟材料用于模拟事故后下封头内熔池分层结构，进行熔池传热特性实验研究。
进一步地，所述熔池传热特性模拟材料在工作温度范围内由于密度差异自然形成三层分层结构。
进一步地，所述熔池传热特性模拟材料工作温度为400～650℃。
由于熔融态状态下金属Na的密度约为930kg/m3、共晶熔盐LiCl/KCl的密度约为1600kg/m3、金属Sn的密度约为6980kg/m3，因此三种材料的密度有较大差异，在LiCl/KCl熔盐处于熔融态时，三种材料可以自然形成三层熔池结构。
本发明采用金属Na模拟轻金属层模，在模拟材料设定工作温度(如400℃)下，Na金属的密度为919.8kg/m3，定压比热容为1278J/kg·K，热导率为71.6W/m·K，Pr数为0.012。其较低的Pr数可以较准确地模拟三层熔池模型中轻金属层的强导热特性，实验获得的传热特性与实际情况更加接近；部分Na金属会在熔融LiCl/KCl盐中溶解，可以降低共晶熔盐LiCl/KCl层的Pr数，使其对流换热特性与原型材料氧化物层特性更加接近。
本发明采用共晶熔盐LiCl/KCl模拟氧化物层，其中熔融LiCl/KCl盐配比为LiCl(35～75％mol)/KCl(25～65％mol)，该配比下，LiCl/KCl混合物接近其共晶点，熔盐熔点为350℃，较低的熔点可以有效降低实验中加热、测量以及实验容器的技术难度，便于实验研究的开展。LiCl/KCl熔盐在边界温度低于凝固点时发生凝固，硬壳生成与原型反应堆类似，可以较准确模拟原型反应堆下封头内部熔池的特性。
本发明采用金属Sn模拟重金属层，在模拟材料设定工作温度(如400℃)下，Sn金属的密度为6877kg/m3，定压比热容为241J/kg·K，热导率为33.4W/m·K，Pr数为0.1。其较低的Pr数可以较准确地模拟熔池模型中重金属层的导热主导的传热过程，实验获得的传热特性与实际情况更加接近。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提供了一种严重事故后反应堆下封头内三层熔池传热特性模拟材料，解决下封头内三层熔池中传热特性及金属层聚焦效应的模拟问题，能够在高温条件下维持材料物理性质稳定。
本发明针对严重事故后反应堆下封头内三层熔池传热特性研究中，现有实现方案得到传热特性偏差较大的问题，选择Na-LiCl/KCl-Sn作为三层模拟材料，由于材料密度差可以自然形成三层分层结构，不易与容器及仪表反应，易于控制；同时各层材料可以较准确反映反应堆原型下封头中三层熔池各层的传热特性。采用本发明提供的材料开展下封头内三层熔池传热特性实验研究，可以有效降低实验获得的传热关系式不确定度，为熔融物堆内滞留策略的制定和实施提供支持。
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，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
本发明涉及一种三层熔池传热特性模拟材料，依次由金属Na、共晶熔盐LiCl/KCl、金属Sn构成，其中金属Na模拟三层熔池结构中轻金属层，共晶熔盐LiCl/KCl模拟氧化物层，金属Sn模拟重金属层。其中共晶熔盐中LiCl摩尔质量含量为35％，KCl摩尔质量含量为65％。
模拟材料由如下方法制备：
首先制备合适的共晶熔盐：制备共晶熔盐样品的各组分盐做烘干处理，除去盐中的结晶水；按摩尔质量配比分别称取组分盐LiCl和KCl；在氩气氛围保护的熔盐炉中加热混合熔盐到550℃，待熔盐完全熔化后，转移进入实验装置内，启动装置加热组件，以保证熔盐处于熔融状态。其次，根据实验研究需要，向熔盐中缓慢加入金属Sn，金属Sn在高温熔盐中熔化，由于密度差金属Sn自动下沉并在熔盐层底部形成重金属层。最后，通过观察发现金属Sn完全熔化并聚集于熔盐底部后，缓慢加入金属Na，待金属Na完全熔化并形成稳定轻金属层后，三种模拟材料自然形成三层熔融池结构，可用于三层熔池传热实验。
实施例2
本发明涉及一种三层熔池传热特性模拟材料，依次由金属Na、共晶熔盐LiCl/KCl、金属Sn构成，其中金属Na模拟三层熔池结构中轻金属层，共晶熔盐LiCl/KCl模拟氧化物层，金属Sn模拟重金属层。其中共晶熔盐中LiCl摩尔质量含量为75％，KCl摩尔质量含量为65％。
模拟材料由如下方法制备：
首先制备合适的共晶熔盐：制备共晶熔盐样品的各组分盐做烘干处理，除去盐中的结晶水；按摩尔质量配比分别称取组分盐LiCl和KCl；在氩气氛围保护的熔盐炉中加热混合熔盐到550℃，待熔盐完全熔化后，转移进入实验装置内，启动装置加热组件，以保证熔盐处于熔融状态。其次，根据实验研究需要，向熔盐中缓慢加入金属Sn，金属Sn在高温熔盐中熔化，由于密度差金属Sn自动下沉并在熔盐层底部形成重金属层。最后，通过观察发现金属Sn完全熔化并聚集于熔盐底部后，缓慢加入金属Na，待金属Na完全熔化并形成稳定轻金属层后，三种模拟材料自然形成三层熔融池结构，可用于三层熔池传热实验。
实施例3
本发明涉及一种三层熔池传热特性模拟材料，依次由金属Na、共晶熔盐LiCl/KCl、金属Sn构成，其中金属Na模拟三层熔池结构中轻金属层，共晶熔盐LiCl/KCl模拟氧化物层，金属Sn模拟重金属层。其中共晶熔盐中LiCl摩尔质量含量为48％，KCl摩尔质量含量为52％。
模拟材料由如下方法制备：
首先制备合适的共晶熔盐：制备共晶熔盐样品的各组分盐做烘干处理，除去盐中的结晶水；按摩尔质量配比分别称取组分盐LiCl和KCl；在氩气氛围保护的熔盐炉中加热混合熔盐到550℃，待熔盐完全熔化后，转移进入实验装置内，启动装置加热组件，以保证熔盐处于熔融状态。其次，根据实验研究需要，向熔盐中缓慢加入金属Sn，金属Sn在高温熔盐中熔化，由于密度差金属Sn自动下沉并在熔盐层底部形成重金属层。最后，通过观察发现金属Sn完全熔化并聚集于熔盐底部后，缓慢加入金属Na，待金属Na完全熔化并形成稳定轻金属层后，三种模拟材料自然形成三层熔融池结构，可用于三层熔池传热实验。
性能测试：
基于实施例3提供的三层熔池传热特性模拟材料，经过在某小型实验装置中使用，在氩气保护条件下，可以在500℃条件下形成稳定三层熔融池结构，在30min实验周期内，熔融池结构稳定，顶部金属层材料未发生氧化燃烧，中部熔盐层与顶部金属层、底部金属层间界面清晰，无混溶现象。该种模拟材料工作可靠，能够达到预期功能，安全性较好，适用于中高温条件下三层熔池传热实验研究。
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 (8)

1.一种熔池传热特性模拟材料，其特征在于，模拟材料依次包括金属Na层、共晶熔盐LiCl/KCl层和金属Sn层；所述金属Na层用于模拟三层熔池结构中的轻金属层，共晶熔盐LiCl/KCl层用于模拟三层熔池结构氧化物层，金属Sn层用于模拟三层熔池结构重金属层。
2.根据权利要求1所述的一种熔池传热特性模拟材料，其特征在于，所述共晶熔盐LiCl/KCl层中，熔盐LiCl和KCl的摩尔质量配比为：LiCl，35～75％；KCl，25～65％。
3.根据权利要求1或2任一项所述的一种熔池传热特性模拟材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，制备共晶熔盐LiCl/KCl：首先，将LiCl和KCl分别进行预干燥处理；然后，称取预干燥处理后的将LiCl和KCl混合；最后，在惰性气氛下加热熔化LiCl和KCl，以获取熔融态LiCl/KCl；
步骤B，加入金属Sn：在共晶熔盐LiCl/KCl处于熔融状态下，向共晶熔盐LiCl/KCl中加入金属Sn；
步骤C，加入金属Na：待金属Sn熔化并聚集于熔盐底部后，继续加入金属Na，待金属Na完全熔化并形成轻金属层后，三种模拟材料最终形成三层熔融池结构。
4.根据权利要求3所述的一种熔池传热特性模拟材料的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，加热融化LiCl和KCl混合盐的温度为550℃。
5.根据权利要求3所述的一种熔池传热特性模拟材料的制备方法，其特征在于，所述步骤C中，共晶熔盐LiCl/KCl层温度控制在450～650℃。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种熔池传热特性模拟材料的应用，其特征在于，所述熔池传热特性模拟材料用于模拟事故后下封头内熔池分层结构，进行熔池传热特性实验研究。
7.根据权利要求6所述的一种熔池传热特性模拟材料的应用，其特征在于，所述熔池传热特性模拟材料在工作温度范围内由于密度差异自然形成三层分层结构。
8.根据权利要求6所述的一种熔池传热特性模拟材料的应用，其特征在于，所述熔池传热特性模拟材料工作温度为400～650℃。
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