CN115732107B - 一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统与方法 - Google Patents

一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统与方法，该实验系统包括实验段、与实验段连接的熔盐炉和导热油罐、高压气罐、高速摄像仪、红外热像仪、冷却回路以及电源、控制设备与数据采集系统。实验段由不锈钢与石英玻璃板组成，其内部安装有加热棒、双节点热电偶，贴附在石英玻璃内壁面的电加热丝。熔盐炉依靠高压气罐注入的气体推动熔盐注入实验段，并通过真空泵将实验段内的熔盐回收。导热油罐依靠重力向实验段内注入高温导热油。高速摄像仪、红外热像仪拍摄实验过程中的熔盐与导热油界面和实验段内部的温度分布。本发明能够获得不同工况熔盐硬壳厚度和壁面热流密度分布、熔盐与导热油的相界面变化、熔盐内部的传热特性。

Description

一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统与方法
技术领域
本发明涉及核反应堆严重事故后压力容器下封头双层熔融池自然对流换热特性研究领域，具体为一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统与方法。
背景技术
当核反应堆发生设计基准事故时，如果不能够为堆芯提供有效的冷却，堆芯材料将会熔化，产生的高温熔融物将会迁移至压力容器下封头并形成单层或者多层结构的熔融池。熔融物的显热与衰变热将会给下封头壁面带来巨大的热负荷，如果不采取有效的严重事故缓解措施，将会导致放射性物质泄露造成更严重的危害。熔融物堆内滞留技术通过向堆腔注水，下封头外壁面冷却水带走衰变热，能够有效地的缓解事故后果，下封头是否失效受下封头壁面热流密度影响，而壁面的热流密度分布与熔融池的自然对流特性密切相关，因此研究核反应堆熔融池传热特性对熔融物堆内滞留分析具有非常重要的意义。
基于真实材料开展的RASPLAV与MASCA实验发现熔融池可能会出现分层现象，金属铀与金属锆会从氧化物相中分离出来，由于金属与氧化层的密度差异，将会形成熔融池上部的金属层和熔融池下部的氧化层。熔融池的分层现象将会改变压力容器下封头壁面处的热流密度分布，因此需要对双层熔融池的自然对流换热特性进行研究。
中国专利申请号CN201811289027.1公布了一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统与方法，其可以开展两层流体的自然对流传热特性实验，且能够捕捉两层流体间的界面行为。但是其实验段前后两侧为透明PC板结构，无法承受250℃左右的高温，该结构只适用于乙醇-水溶液和氟化物溶液FC-70，无法应用于高温熔盐实验。乙醇-水溶液和氟化物溶液FC-70不能够模拟真实核反应堆下封头熔融池中温度降低导致的结壳现象，测量得到的壁面热流密度不能够准确反应真实反应堆下封头壁面热流密度分布规律。此外，其通过多节点热电偶测量实验段内部的温度场分布，该种测量方法仅能够测量实验段内部多个独立点的温度，不能够准确的反应整个实验段内部的温度分布。
文献(Zhou YK,Wu SH,Zhang YP,et al.Experimental research on heattransfer behavior of large scale two-layer salt melt pool based on COPRAfacility[J].Annals of Nuclear Energy,2020,138:107166.)介绍了一种核反应堆双层熔池自然对流传热特性实验装置COPRA，其采用硝酸钠与硝酸钾混合物作为熔融物模拟物。为了实现双层熔融池构型的模拟，实验段内部焊接一层不锈钢板，人为的将熔盐分隔成为了两个区域，其不能够模拟两层熔融物之间的界面相互作用，且其认为不锈钢板的厚度为两层熔融物之间的硬壳厚度，没有办法模拟和观察硬壳的生长过程。此外，对于实验段侧壁面的硬壳厚度，其通过侧壁面上布置的多节点热电偶测量温度变化推算得到，计算得到的硬壳厚度与实际硬壳厚度有一定的差异。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统与方法，能够可视化的研究核反应堆双层熔融池之间的界面行为、自然对流传热特性、界面和侧壁面的硬壳生长行为。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统，其特征在于：包括可视化实验段1，其由内部空间、侧面冷却通道和上部冷却通道组成，侧面冷却通道和上部冷却通道与冷却回路相连，实验段1内部空间中安装有模拟衰变热的加热棒；冷却回路与板式换热器7的二次侧连接，冷却回路包括与板式换热器7的二次侧出口依次连接的第十一阀门111、冷却塔13、第二过滤器14、第四流量计304、第二离心泵15、第十二阀门112、第八热电偶208，最后回到板式换热器7二次侧入口；熔盐炉2顶部安装有通过第九阀门109控制的注盐管道和第十阀门110控制的排盐管道，注盐管道和排盐管道与实验段1相连,熔盐炉2顶部还安装有第一真空泵4、第一压力表401、第六热电偶206和第十三阀门113；高压气罐3通过第八阀门108与熔盐炉2顶部连接；处在高位的导热油罐5通过第七阀门107与实验段1相连，其内部安装有第七热电偶207,顶部安装有第二真空泵6和第十四阀门114；冷却回路中板式换热器7的一次侧与实验段1的冷却流道连接，其一次侧出口依次通过冷却水箱8、第一过滤器9、第一离心泵10、第一阀门101，之后通过第三阀门103与实验段1侧面冷却流道连接，通过第四阀门104与上部冷却通道连接，第一离心泵10的上下游连接有第二阀门102调节流量；实验段1的侧面冷却通道和上部冷却通道的进口处分别安装有第一热电偶201和第四热电偶204，侧面冷却通道的出口处安装有第二热电偶202和第三热电偶203，上部冷却通道的出口处安装有第五热电偶205，用于检测冷却水的温度变化，第二热电偶202、第三热电偶203、第五热电偶205和第二热电偶202处也分别安装了第一流量计301、第二流量计302和第三流量计303；之后侧面冷却通道和上部冷却通道的出口管道通过第六阀门106进入板式换热器7的一次侧入口；高速摄像仪11与红外热像仪12用于拍摄实验段1内的熔盐与导热油的自然对流传热特性；其余的配套系统还包括电源16、控制设备17与数据采集系统18。
实验段1为半圆形的二维切片结构，其背面不锈钢板上安装有电加热棒，正面为石英玻璃板，石英玻璃板内壁面贴有电加热丝，且电加热丝分区加热，防止熔盐在石英玻璃上凝固阻碍高速摄像仪11与红外热像仪12拍摄。
实验段1的侧壁面安装有多个双节点热电偶，用于监测壁面温度和壁面热流密度。
熔盐炉2中的熔融物模拟物为摩尔比例为1:1的硝酸钠和硝酸钾，其液相线温度为221℃。
与第九阀门109连接的注盐管道端口置于熔盐炉2的底部，并保证在整个实验过程中注盐管道端口在熔盐液位以下；与第十阀门110连接的排盐管道端口要置于熔盐炉2的顶部，并保证在整个实验过程中其在熔盐液位以上。
导热油罐5内导热油的使用温度要高于300℃，且其自燃点要高于300℃，防止实验过程中导热油燃烧，且导热油注入管道为软管，实验结束后开启第二真空泵6将导热油抽回到导热油罐5。
导热油罐5外部安装有加热丝并包覆保温棉，在实验前给导热油预热并去除挥发性物质，防止注入过程中导热油飞溅。
在实验开始前，将熔盐炉2、导热油罐5、注盐管道加热至230至300℃范围内开始保温，开启冷却回路、实验段侧面冷却通道与上部冷却通道，并保持侧面冷却通道的左侧和右侧出口流量相同和稳定；之后开启实验段1内部电加热棒，当实验段1内部温度达到80至150℃时，打开数据采集系统18、高速摄像仪11和红外热像仪12，开始进行实验；首先，打开第八阀门108和第九阀门109，高压气体注入到熔盐炉2中，推动熔盐通过注盐管道流入实验段1内部指定高度；然后，关闭第八阀门108和第九阀门109，开启第十三阀门113排出高压气体后关闭第十三阀门113；根据实验设计的总功率，分区加载实验段1内部加热棒与石英玻璃板电加热丝的功率，保证实验段内部功率密度相同；当红外热像仪12和壁面双节点热电偶的温度保持不变时，开启第七阀门107与第十四阀门114，导热油依靠重力注入到实验段1内并到达指定高度后，关闭第七阀门107与第十四阀门114；待到实验段1温度稳定后，结束实验；结束实验前，首先开启第二真空泵6和第七阀门107，使用注油管道抽出实验段1内部的导热油，之后关闭第二真空泵6和第七阀门107；然后，将排盐管道插入到实验段1底部，打开第一真空泵4和第十阀门110，观察压力表401压力，抽出实验段1内部熔盐后关闭第一真空泵4和第十阀门110；关闭实验段1加热棒与电加热丝、高速摄像仪11和红外热像仪12；待实验段1壁面双节点热电偶温度为室温时，关闭冷却回路；最后关闭电源16、控制设备17和数据采集系统18，完成实验。
本发明与现有技术相比，具有以下的优点：
1、本发明的实验段一侧安装石英玻璃板，其能够透过红外线，因此能够使用高速摄像仪与红外热像仪记录实验过程中熔盐与导热油的相界面变化与温度变化。
2、本发明的实验系统通过导热油与摩尔比例为1:1的硝酸钠与硝酸钾作为双层熔池的模拟物，其能够模拟真实核反应堆下封头熔融池演化过程中的双层熔融池界面的变化行为、界面处的换热特性和硬壳的生长过程。
3、本发明的实验系统通过高速摄像仪11记录实验过程中熔盐与导热油流动特性、硬壳的生长过程和熔盐与导热油界面处的变化行为，根据得到的连续过程图像直接测量得到硬壳的厚度变化，此外还可以得到不同实验功率下的硬壳生长速率，得到实验结果更加直观和精确。
4、本发明的实验系统通过红外热像仪12记录实验段的熔盐与导热油的温度变化，能够准确全面得到熔盐与导热油的自然对流传热特性，同时将红外热像仪结果与高速摄像仪结果对比分析，可以得到实验段不同位置的主要传热类型。
附图说明
图1为本发明一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统的示意图。
图2为本发明一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统可视化实验段的示意图。
具体实施方式
为了更加清楚的对本发明进行介绍，下面结合附图，对本发明进行进一步详细的说明。本发明的实施方案介绍仅为了对本发明的优点进行解释，不作为对本发明的限定。
一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统示意图如图1所示，其包括实验段1，熔盐炉2，熔盐炉2顶部与高压气罐3和第一真空泵4连接，导热油罐5位于实验段1高处，其顶部与真空泵6连接，冷却回路与实验段冷却通道连接，实验段1石英玻璃板一侧安装有高速摄像仪11与红外热像仪12，还包括配套的电源16，控制设备17，数据采集系统18。
实验段1的示意图如图2所示，其整体由不锈钢结构与石英玻璃板制成，包括分区域布置的加热棒501，在圆弧段壁面布置的双节点热电偶502，侧面冷却通道503，上部冷却通道504，侧面冷却通道出口505a与505b，上部冷却通道进口506，上部冷却通道出口507，注油管道508，注盐管道509，分区布置的石英玻璃电加热丝510。石英玻璃板上的电加热丝的作用为补偿热耗散，防止熔盐在石英玻璃板上凝固阻碍观测。除了石英玻璃板外，整个实验段外部包覆保温棉减小散热。
熔盐炉2内部安装有加热棒，顶部安装有通过第九阀门109控制的注盐管道和第十阀门110控制的排盐管道，其中注盐管道端口在整个实验过程中要保证位于熔盐液位以下，而排盐管道端口在整个实验过程中要保证位于熔盐液位以上。同时这些管道外部安装有电加热丝给管道预热并包覆保温棉减小散热，熔盐炉2通过注盐与排盐管道与实验段1相连。熔盐炉2顶部还安装有第一真空泵4、第一压力表401、第六热电偶206和用于排气的第十三阀门113。高压气罐3通过第八阀门108与熔盐炉2顶部连接。整个熔盐炉2外面包覆一层保温棉以减小散热。
在实验段1上方安装的导热油罐5底部的注油管道为软管，软管段上安装有第七阀门107。软管段通过注油管道508插入到实验段1内，并且可以上下移动。导热油罐5内部安装有第七热电偶207用于监测导热油的温度,顶部安装有第二真空泵6和用于排气的第十四阀门114。整个导热油罐5外面包覆一层保温棉以减小散热。
冷却回路中板式换热器7的一次侧与实验段1的冷却流道连接，其一次侧出口依次通过冷却水箱8、第一过滤器9、离心泵10、第一阀门101，之后通过第三阀门103与实验段1侧面冷却流道连接，通过第四阀门104与上部冷却通道连接，离心泵10的上下游连接有第二阀门102调节流量；实验段1的侧面冷却通道和上部冷却通道的进口处分别安装有第一热电偶201和第四热电偶204，侧面冷却通道的出口处安装有第二热电偶202和第三热电偶203，上部冷却通道的出口处安装有第五热电偶205，用于检测冷却水的温度变化，第二热电偶(202)、第三热电偶(203)、第五热电偶(205)和第二热电偶(202)处分别安装了第一流量计301、第二流量计302和第三流量计303。之后侧面冷却通道和上部冷却通道的出口管道通过第六阀门106进入板式换热器7的一次侧入口；板式换热器7的二次侧出口依次与第十一阀门111、冷却塔13、第二过滤器14、第四流量计304、离心泵15、第十二阀门112、第八热电偶208连接后回到二次侧入口。
高速摄像仪11与红外热像仪12安装在石英玻璃板的正面用于拍摄实验段1内的双层熔融池换热特性。其余的配套系统还包括电源16、控制设备17与数据采集系统18。
在实验开始前，将熔盐炉2、导热油罐5、注盐管道加热至250℃并保温，开启冷却回路、实验段侧面冷却通道与上部冷却通道，并保持侧面冷却通道的左侧和右侧出口流量相同和稳定；之后开启实验段1内部电加热棒，当实验段1内部温度达到100℃时，打开数据采集系统18、高速摄像仪11和红外热像仪12，开始进行实验；首先，打开第八阀门108和第九阀门109，高压气体注入到熔盐炉2中，推动熔盐通过注盐管道流入实验段1内部指定高度；然后，关闭第八阀门108和第九阀门109，开启第十三阀门113排出高压气体后关闭第十三阀门113；根据实验设计的总功率，分区加载实验段1内部加热棒与石英玻璃板电加热丝的功率，保证实验段内部功率密度相同；当红外热像仪12和壁面双节点热电偶的温度基本保持不变时，开启第七阀门107与第十四阀门114，导热油依靠重力注入到实验段1内并到达指定高度后，关闭第七阀门107与第十四阀门114；待到实验段1温度稳定后，结束实验；结束实验前，首先开启第二真空泵6和第七阀门107，使用注油管道抽出实验段1内部的导热油，之后关闭第二真空泵6和第七阀门107；然后，将排盐管道插入到实验段1底部，打开第一真空泵4和第十阀门110，观察压力表401压力，抽出实验段1内部熔盐后关闭第一真空泵4和第十阀门110；关闭实验段1加热棒与电加热丝、高速摄像仪11和红外热像仪12；待实验段1壁面双节点热电偶温度为室温时，关闭冷却回路；最后关闭电源16、控制设备17和数据采集系统18，完成实验。

Claims (6)

1.一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统，其特征在于：包括可视化实验段(1)，其由内部空间、侧面冷却通道和上部冷却通道组成，侧面冷却通道和上部冷却通道与冷却回路相连，实验段(1)内部空间中安装有模拟衰变热的加热棒；冷却回路与板式换热器(7)的二次侧连接，冷却回路包括与板式换热器(7)的二次侧出口依次连接的第十一阀门(111)、冷却塔(13)、第二过滤器(14)、第四流量计(304)、第二离心泵(15)、第十二阀门(112)、第八热电偶(208)，最后回到板式换热器(7)二次侧入口；熔盐炉(2)顶部安装有通过第九阀门(109)控制的注盐管道和第十阀门(110)控制的排盐管道，注盐管道和排盐管道与实验段(1)相连,熔盐炉(2)顶部还安装有第一真空泵(4)、第一压力表(401)、第六热电偶(206)和第十三阀门(113)；高压气罐(3)通过第八阀门(108)与熔盐炉(2)顶部连接；处在高位的导热油罐(5)通过第七阀门(107)与实验段(1)相连，其内部安装有第七热电偶(207),顶部安装有第二真空泵(6)和第十四阀门(114)；冷却回路中板式换热器(7)的一次侧与实验段(1)的冷却流道连接，其一次侧出口依次通过冷却水箱(8)、第一过滤器(9)、第一离心泵(10)、第一阀门(101)，之后通过第三阀门(103)与实验段(1)侧面冷却流道连接，通过第四阀门(104)与上部冷却通道连接，第一离心泵(10)的上下游连接有第二阀门(102)调节流量；实验段(1)的侧面冷却通道和上部冷却通道的进口处分别安装有第一热电偶(201)和第四热电偶(204)，侧面冷却通道的出口处安装有第二热电偶(202)和第三热电偶(203)，上部冷却通道的出口处安装有第五热电偶(205)，用于检测冷却水的温度变化，第二热电偶(202)、第三热电偶(203)、第五热电偶(205)和第二热电偶(202)处也分别安装了第一流量计(301)、第二流量计(302)和第三流量计(303)；之后侧面冷却通道和上部冷却通道的出口管道通过第六阀门(106)进入板式换热器(7)的一次侧入口；高速摄像仪(11)与红外热像仪(12)用于拍摄实验段(1)内的熔盐与导热油的自然对流传热特性；其余的配套系统还包括电源(16)、控制设备(17)与数据采集系统(18)；
实验段(1)为半圆形的二维切片结构，其背面不锈钢板上安装有电加热棒，正面为石英玻璃板，石英玻璃板内壁面贴有电加热丝，且电加热丝分区加热，防止熔盐在石英玻璃上凝固阻碍高速摄像仪(11)与红外热像仪(12)拍摄；
熔盐炉(2)中的熔融物模拟物为摩尔比例为1:1的硝酸钠和硝酸钾，其液相线温度为221℃。
2.根据权利要求1所述的一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统，其特征在于：实验段(1)的侧壁面安装有多个双节点热电偶，用于监测壁面温度和壁面热流密度。
3.根据权利要求1所述的一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统，其特征在于：与第九阀门(109)连接的注盐管道端口置于熔盐炉(2)的底部，并保证在整个实验过程中注盐管道端口在熔盐液位以下；与第十阀门(110)连接的排盐管道端口要置于熔盐炉(2)的顶部，并保证在整个实验过程中其在熔盐液位以上。
4.根据权利要求1所述的一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统，其特征在于：导热油罐(5)内导热油的使用温度要高于300℃，且其自燃点要高于300℃，防止实验过程中导热油燃烧，且导热油注入管道为软管，实验结束后开启第二真空泵(6)将导热油抽回到导热油罐(5)。
5.根据权利要求1所述的一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统，其特征在于：导热油罐(5)外部安装有加热丝并包覆保温棉，在实验前给导热油预热并去除挥发性物质，防止注入过程中导热油飞溅。
6.权利要求1所述的一种可视化核反应堆双层熔融池传热特性实验系统的实验方法，其特征在于：在实验开始前，将熔盐炉(2)、导热油罐(5)、注盐管道加热至230至300℃范围内开始保温，开启冷却回路、实验段侧面冷却通道与上部冷却通道，并保持侧面冷却通道的左侧和右侧出口流量相同和稳定；之后开启实验段(1)内部电加热棒，当实验段(1)内部温度达到80至150℃时，打开数据采集系统(18)、高速摄像仪(11)和红外热像仪(12)，开始进行实验；首先，打开第八阀门(108)和第九阀门(109)，高压气体注入到熔盐炉(2)中，推动熔盐通过注盐管道流入实验段(1)内部指定高度；然后，关闭第八阀门(108)和第九阀门(109)，开启第十三阀门(113)排出高压气体后关闭第十三阀门(113)；根据实验设计的总功率，分区加载实验段(1)内部加热棒与石英玻璃板电加热丝的功率，保证实验段内部功率密度相同；当红外热像仪(12)和壁面双节点热电偶的温度保持不变时，开启第七阀门(107)与第十四阀门(114)，导热油依靠重力注入到实验段(1)内并到达指定高度后，关闭第七阀门(107)与第十四阀门(114)；待到实验段(1)温度稳定后，结束实验；结束实验前，首先开启第二真空泵(6)和第七阀门(107)，使用注油管道抽出实验段(1)内部的导热油，之后关闭第二真空泵(6)和第七阀门(107)；然后，将排盐管道插入到实验段(1)底部，打开第一真空泵(4)和第十阀门(110)，观察压力表(401)压力，抽出实验段(1)内部熔盐后关闭第一真空泵(4)和第十阀门(110)；关闭实验段(1)加热棒与电加热丝、高速摄像仪(11)和红外热像仪(12)；待实验段(1)壁面双节点热电偶温度为室温时，关闭冷却回路；最后关闭电源(16)、控制设备(17)和数据采集系统(18)，完成实验。
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