CN111430051B - 金属层熔池传热特性模拟材料、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

金属层熔池传热特性模拟材料、制备方法及应用，金属层模拟材料包括金属铋和碘化铋，所述模拟材料在500℃条件下的普朗特数Pr为0.08～0.12。模拟材料的制备工艺包括：配置碘化铋熔盐；加热金属铋至金属铋完全熔化，继续加热至温度T；在温度T下，向熔化的金属铋中多次、缓慢地加入配置的碘化铋熔盐；金属铋表层的碘化铋晶体完全熔化后，得到金属层模拟材料。本发明提供的金属层模拟材料在工作状态下的Pr数为0.08～0.12，更加接近真实材料的普朗特数，故能够更加准确地、可靠地模拟金属层真实材料，更加准确地反映反应堆原型下封头中金属层熔池的金属层的传热特性，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数据支持。

Description

金属层熔池传热特性模拟材料、制备方法及应用

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，具体涉及金属层熔池传热特性模拟材料、制备方法及应用，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。

在严重事故条件下，下封头内部的熔融物会逐渐积累形成熔融池结构，在某些情况下，熔融池分层演化并顶部形成主要由金属材料构成的金属层熔融池。IVR策略中，金属层熔融池从下部氧化物层熔融物接收热量，并最终通过向顶部辐射及向侧壁面传热，最终将热量导出。由于金属层材料导热能力强，金属层厚度有限，可能导致壁面局部热流密度超过外壁面热流密度限值，导致IVR策略的失效。因此金属层传热特性成为IVR策略成功与否的关键因素之一，已受到各国核安全部门的重点关注。

严重事故中金属层熔池传热特性取决于熔池的瞬态及稳态条件，同时与材料本身的热物理性质密切相关。使用真实材料的MASCA实验结果表明，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，顶层由未氧化的不锈钢、锆、铀等构成的轻金属层，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，其中顶部熔融金属层表征流动传热特性的普朗特数Pr≈0.1。

在已展开的研究中，金属层模拟材料主要为水和低熔点金属或合金，但在300～500℃时，这类金属层模拟材料的Pr值均远小于0.1，无法模拟实际情况中金属层的传热和流动特性。

为了解决上述问题，发明人在专利CN110415842A中提供了一种熔池传热特性模拟材料，该材料从上至下依次包括金属Na层、共晶熔盐LiCl/KCl层和金属Sn层。金属Na层作为金属层能够使普朗特数Pr达到0.08，能够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。但是，金属Na为碱金属，其与真实材料所产生的不锈钢、锆、铀构成的轻金属层存在物性差异，普朗特数Pr无法超过0.01，在模拟准确度、可靠度上仍有待提高。

因此，发明人持续研究，提供了一种Pr值接近0.1且物性与真实金属层更贴近的金属层模拟材料。

发明内容

本发明的目的在于提供金属层熔池传热特性模拟材料、制备方法及应用，以解决现有技术中金属层在高温状态下普朗特数与真实材料的普朗特数、物理性质存在差异，进而导致的模拟结果准确度、可靠度较低的问题，为严重事故金属层传热特性实验研究提供合理可行的模拟材料。

所述模拟材料用于模拟反应堆发生严重事故时，进入到下封头内部的三层结构熔池的最上层——金属层。通过研究真实材料的MASCA实验表明，真实材料的金属层由未氧化的不锈钢、锆、铀等物质构成，其代表传热和流动性能的普朗特常数Pr约为0.1。现有技术中，对金属层的模拟材料主要采用水和低熔点金属如锡构成，但是，水在常用条件下的Pr为5～10，流动传热特性同真实的金属层材料存在较大差异，而在300～500°条件下，低熔点金属锡的Pr为0.009～0.012，也无法合理地反应真实金属层的流动传热特性。发明人经过大量实验研究，在专利CN110415842A中提供的熔池传热特性模拟材料的金属层采用金属钠，该金属层在工作状态下的普朗特数能够达到0.008。

然而，金属钠为碱金属，其物性与金属材料的不锈钢存在差异，同时，普朗克数较真实材料仍相差一个数量级。为了在工作状态下进一步逼近真实材料的普朗特数和物理性质，提高模拟数据的准确性和可靠性，发明人持续研究，提出了金属层模拟材料的成分、比例改进设计，以使得金属层模拟材料在工作状态下的普朗特数为0.08～0.12，在优选的实施例中达到0.095～0.105，更加贴近真实材料0.1的普朗特数。

具体地，本发明通过下述技术方案实现：

金属层熔池传热特性模拟材料，包括金属铋和碘化铋，所述模拟材料在450～550℃条件下的普朗特数Pr为0.08～0.12。

在该模拟材料中，熔融的金属铋作为基体材料，熔融的碘化铋为物性调节材料。在模拟材料设定的工作温度，也即450～550℃下，金属铋的Pr数为0.009～0.012，碘化铋的Pr数为1～9。通过向熔融的金属铋中添加碘化铋并加热到450℃以上，使熔融的金属铋与碘化铋达到共熔状态，通过调节碘化铋的含量，可以使模拟材料的Pr在0.08～0.12范围内变化，以满足金属层模拟材料物性的要求。该种材料能更加准确地反映反应堆原型下封头中金属层熔池的金属层的传热特性，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数据支持。

进一步地，按质量百分比计，所述金属铋的含量为60～85％，所述碘化铋的含量为15～40％。优选地，所述金属铋的含量为80～85％，碘化铋的含量为15～25％。

进一步地，所述模拟材料在450～550℃条件下的普朗特数Pr为0.095～0.105。

进一步地，所述模拟材料的工作状态为熔融态，在工作状态下金属铋和碘化铋处于共熔状态。

本发明还提供上述任一种金属层模拟材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

配置碘化铋熔盐；

熔盐优选选择分析纯以上纯度的碘化铋，根据所需模拟材料质量选择合适的熔盐量。碘化铋使用前应做烘干处理，称取适量的干燥后碘化铋，在惰性气体保护下，重复完成熔融、结晶过程，完成熔盐的制备。

加热金属铋至金属铋完全熔化，继续加热至温度T；

优选地，所述温度T为450～550℃，进一步优选地，所述温度T为500℃。

在温度T下，向熔化的金属铋中多次、缓慢地加入配置的碘化铋熔盐；

金属铋表层的碘化铋晶体完全熔化后，得到金属层模拟材料。

本发明还提供上述任一种金属层模拟材料的应用，所述模拟材料用于模拟事故后下封头内的金属层，进行熔池传热特性实验研究。

进一步地，所述模拟材料的工作温度为450～550℃。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明采用金属铋和碘化铋的熔融态作为模拟材料模拟反应堆严重事故是下封头内熔池的金属层真实材料，金属铋和碘化铋的物理性质更接近于真实材料中不锈钢的物理性质，同时在工作状态下，模拟材料的普朗特数达到0.08～0.12，更加接近真实材料的普朗特数，故能够更加准确地、可靠地模拟金属层真实材料，更加准确地反映反应堆原型下封头中金属层熔池的金属层的传热特性，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数据支持；

2、本发明的模拟材料具有组分种类简单，易于实现，工艺成熟、性能稳定和成本较低等多种优点，具有广泛的应用价值。

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。

本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法即可制备。本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用分析纯。

本发明所有原料，其牌号和简称均属于本领域常规牌号和简称，每个牌号和简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据牌号、简称以及相应的用途，能够从市售中购买得到或者通过常规方法制备得到。

实施例1：

金属层熔池传热特性模拟材料，包括金属铋和碘化铋，按质量百分比计，所述金属铋的含量为82％，所述碘化铋的含量为18％。

所述模拟材料的制备方法为：

首先调配适用的熔盐，熔盐应当选择分析纯以上纯度的碘化铋，根据所需模拟材料质量选择合适的熔盐量。碘化铋使用前应做烘干处理，称取适量的干燥后碘化铋，在惰性气体保护下，重复完成熔融、结晶过程，完成熔盐的制备。

随后称取820g金属铋，放入坩埚中在惰性气体保护下加热，待金属完全融化后，继续加热金属材料至500℃。随后称取180g的处理后的碘化铋，多次缓慢加入金属内。待金属铋表层的碘化铋晶体完全熔化后，即得到金属层模拟材料，所述金属层模拟材料用于金属层熔池传热实验。

在500℃下，该金属层模拟材料的Pr数为0.10。

实施例2：

金属层熔池传热特性模拟材料，包括金属铋和碘化铋，按质量百分比计，所述金属铋的含量为85％，所述碘化铋的含量为15％。

所述模拟材料的制备方法为：

首先调配适用的熔盐，熔盐应当选择分析纯以上纯度的碘化铋，根据所需模拟材料质量选择合适的熔盐量。碘化铋使用前应做烘干处理，称取适量的干燥后碘化铋，在惰性气体保护下，重复完成熔融、结晶过程，完成熔盐的制备。

随后称取850g金属铋，放入坩埚中在惰性气体保护下加热，待金属完全融化后，继续加热金属材料至500℃。随后称取150g的处理后的碘化铋，多次缓慢加入金属内。待金属铋表层的碘化铋晶体完全熔化后，即得到金属层模拟材料，所述金属层模拟材料用于金属层熔池传热实验。

在500℃下，该金属层模拟材料的Pr数为0.08。

实施例3：

金属层熔池传热特性模拟材料，包括金属铋和碘化铋，按质量百分比计，所述金属铋的含量为75％，所述碘化铋的含量为25％。

所述模拟材料的制备方法为：

首先调配适用的熔盐，熔盐应当选择分析纯以上纯度的碘化铋，根据所需模拟材料质量选择合适的熔盐量。碘化铋使用前应做烘干处理，称取适量的干燥后碘化铋，在惰性气体保护下，重复完成熔融、结晶过程，完成熔盐的制备。

随后称取750g金属铋，放入坩埚中在惰性气体保护下加热，待金属完全融化后，继续加热金属材料至500℃。随后称取250g的处理后的碘化铋，多次缓慢加入金属内。待金属铋表层的碘化铋晶体完全熔化后，即得到金属层模拟材料，所述金属层模拟材料用于金属层熔池传热实验。

在500℃下，该金属层模拟材料的Pr数为0.12。

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.金属层熔池传热特性模拟材料，其特征在于，包括金属铋和碘化铋，所述模拟材料在500℃条件下的普朗特数Pr为0.08～0.12；按质量百分比计，所述金属铋的含量为60～85％，所述碘化铋的含量为15～40％。

2.根据权利要求1所述的金属层熔池传热特性模拟材料，其特征在于，所述模拟材料在500℃条件下的普朗特数Pr为0.095～0.105。

3.根据权利要求1所述的金属层熔池传热特性模拟材料，其特征在于，所述模拟材料的工作状态为熔融态，在工作状态下金属铋和碘化铋处于共熔状态。

4.金属层熔池传热特性模拟材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1～2中任一项所述的模拟材料，制备方法包括以下步骤：

配置碘化铋熔盐；

加热金属铋至金属铋完全熔化，继续加热至温度T；

在温度T下，向熔化的金属铋中多次、缓慢地加入配置的碘化铋熔盐；

金属铋表层的碘化铋晶体完全熔化后，得到金属层模拟材料。

5.根据权利要求4所述的金属层熔池传热特性模拟材料的制备方法，其特征在于，所述温度T为450～550℃。

6.根据权利要求4所述的金属层熔池传热特性模拟材料的制备方法，其特征在于，碘化铋熔盐的配置步骤包括：称取适量干燥后的碘化铋，在惰性气体保护下重复完成熔融、结晶过程得到碘化铋熔盐。

7.权利要求1～2中任一项所述的模拟材料的应用，其特征在于，所述模拟材料用于模拟事故后下封头内的金属层，进行熔池传热特性实验研究。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述模拟材料的工作温度为450～550℃。