高溫鈉熱管在熔鹽堆事故工況下的運(yùn)行特性研究

高溫鈉熱管在熔鹽堆事故工況下的運(yùn)行特性研究

新概念的熔鹽堆是國(guó)際能源事務(wù)委員會(huì)提出的六種先進(jìn)能源系統(tǒng)中唯一的液體核糖堆。它在安全、經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境方面具有顯著的創(chuàng)造性和競(jìng)爭(zhēng)力。目前,國(guó)際上已對(duì)新概念熔鹽堆堆芯開(kāi)展了廣泛研究,但對(duì)熔鹽堆事故條件下余熱導(dǎo)出的研究甚少。在國(guó)外,美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)70年代對(duì)熔鹽堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)提出了許多概念設(shè)計(jì),但由于當(dāng)時(shí)科技以及資金的限制于1975年停止了對(duì)熔鹽堆的研究。在我國(guó),新型熔鹽堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)還處于起步階段,中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所近年來(lái)啟動(dòng)了“釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”項(xiàng)目,旨在5年內(nèi)建成2MW(t)實(shí)驗(yàn)堆。鈉熱管是一種高效的傳熱裝置,由于它具有超常的熱傳導(dǎo)能力,且?guī)缀鯚o(wú)熱損,因此常被稱(chēng)為熱的超導(dǎo)體。目前,以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家均已成功將高溫鈉熱管應(yīng)用到工業(yè)高溫?zé)崮芑厥?、新能源開(kāi)發(fā)利用等高技術(shù)領(lǐng)域。近年來(lái),由于對(duì)高溫鈉熱管包殼材料的研究越發(fā)成熟,已研發(fā)出與熔鹽相容性非常好的哈氏合金包殼而不影響鈉熱管的性能。因此,將高溫鈉熱管應(yīng)用于熔鹽堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)具有重要意義。本工作從基本質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程出發(fā),采用有限元方法,對(duì)新概念熔鹽堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)中的高溫鈉熱管進(jìn)行瞬態(tài)特性研究,這對(duì)我國(guó)早日建成新概念熔鹽堆具有重要意義。1熔鹽堆事故原理圖1為新概念熔鹽堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖。系統(tǒng)主要由反應(yīng)堆容器、冷凍閥、卸料箱、高溫鈉熱管和排熱煙囪組成。當(dāng)熔鹽堆發(fā)生事故時(shí),反應(yīng)堆容器中的燃料鹽溫度迅速上升使冷凍閥熔斷,燃料鹽依靠重力快速下泄到卸料箱中。高溫鈉熱管迅速啟動(dòng)將燃料鹽的余熱釋放到排熱煙囪內(nèi),最終通過(guò)空氣的自然循環(huán)將熱量釋放到環(huán)境中。熔鹽堆事故包括:1)一回路系統(tǒng)大破口;2)失流事故;3)冷凍閥意外熔斷;4)主泵機(jī)械失效;5)主回路泄漏。根據(jù)ORNL4541報(bào)告,在熔鹽堆發(fā)生以上事故狀態(tài)下,卸料箱中燃料鹽的余熱主要包括兩方面:一是燃料鹽的顯熱約占52.4%,二是裂變產(chǎn)物的衰變熱,如放射性氣體Kr、Xe,重金屬Nb、Rh,其總的余熱約為53MW,占系統(tǒng)總熱功率的2.6%。據(jù)此,我國(guó)擬建成的2MW(t)新概念熔鹽實(shí)驗(yàn)堆,其事故工況下燃料的衰變余熱約為52kW。由于衰變余熱隨時(shí)間的變化率(以d計(jì)算)要遠(yuǎn)大于鈉熱管從啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間(以s計(jì)算),且卸料箱中的熱源是均勻分布的,因此,鈉熱管蒸發(fā)段可視為常熱流邊界條件,熱流密度為0.96×105W/m2。表1列出單根鈉熱管的結(jié)構(gòu)尺寸及運(yùn)行參數(shù)。2鈉熱管啟動(dòng)模擬根據(jù)鈉熱管的結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài),建立鈉熱管的物理模型,其簡(jiǎn)化模型示于圖2。圖2中,Qin為蒸發(fā)段熱流密度,Qout為冷凝段熱流密度,x、y分別為笛卡爾坐標(biāo),yw、yws、yg分別為管壁、吸液芯和蒸汽區(qū)到軸線的距離。模型中包含鈉熱管管壁、吸液芯及蒸汽區(qū)域3部分。針對(duì)鈉熱管啟動(dòng)過(guò)程中的物理特性,作如下假設(shè):1)忽略卸料箱壁厚,因此鈉熱管絕熱段長(zhǎng)度為0;2)蒸汽流動(dòng)為亞音速流動(dòng)且為可壓縮;3)氣液流動(dòng)均為層流流動(dòng);4)熱物性只隨溫度變化;5)啟動(dòng)限制只考慮音速極限;6)假設(shè)蒸汽流動(dòng)為一維流動(dòng)。2.1熱管溫度及管口溫度分布熱量通過(guò)鈉熱管管壁的傳入和傳出以純導(dǎo)熱的方式完成,相應(yīng)的控制方程為:式中:Cw為管壁的體積熱容;Tw為管壁溫度;Kw為管壁熱導(dǎo)系數(shù);t為時(shí)間;x為橫坐標(biāo);y為縱坐標(biāo)。2.2吸液芯中na流動(dòng)的控制方程根據(jù)文獻(xiàn)的研究,由于液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)很高,液態(tài)金屬流動(dòng)所導(dǎo)致的溫差非常小。因此,可使用純導(dǎo)熱模型來(lái)模擬吸液芯飽和液相的傳熱。吸液芯中Na流動(dòng)的控制方程為:式中:Ceff為有效體積熱容。由于吸液芯同時(shí)存在液態(tài)Na和固態(tài)材料,所以其體積熱容和導(dǎo)熱系數(shù)必須進(jìn)行加權(quán)平均。根據(jù)Chi的公式可得:式中:下標(biāo)l代表液相,s表示固相;ε為吸液芯孔隙率;C為體積熱容。由于鈉熱管的啟動(dòng)溫度為20℃,低于Na的熔點(diǎn),因此應(yīng)考慮鈉的相變,根據(jù)文獻(xiàn)的研究結(jié)果,可采用熱焓法模擬相變過(guò)程。2.3交界面運(yùn)行條件根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)可壓縮蒸汽流動(dòng)的研究結(jié)果并考慮到蒸汽流動(dòng)中的液滴夾帶,其蒸汽密度ρ、干度Xq、速度v、壓力p和溫度T的微分方程組如下:式中:V為軸向截面平均速度;F、Mf和Ef分別為摩擦系數(shù)、動(dòng)量系數(shù)和能量系數(shù),其值可根據(jù)文獻(xiàn)的研究結(jié)果確定;υ、υg、υf分別為流體比容、飽和氣體比容和飽和液體比容;hfg為蒸發(fā)潛熱;M為相對(duì)分子質(zhì)量;Ru為統(tǒng)一氣體常數(shù);D為蒸汽區(qū)寬度;ue57fm0為交界面蒸發(fā)或冷凝率;h0、h分別為交界面處和整個(gè)蒸汽區(qū)域的焓;v0為交界面氣體吸入速度;cp為氣體比定壓熱容。2.4鈉熱管氣液交界面邊界條件鈉熱管初始處于環(huán)境溫度下,初始條件為:鈉熱管兩端的端部為絕熱的無(wú)滑移邊界條件,表達(dá)如下:式中:l為熱管總長(zhǎng);vg為氣體速度。鈉熱管管壁與吸液芯交界處:鈉熱管氣液交界面處,它的溫度假定為當(dāng)?shù)氐娘柡蜏囟取ｂc熱管啟動(dòng)過(guò)程中,蒸汽流動(dòng)形式隨溫度而變化,因此,不同時(shí)刻處鈉熱管交界面的邊界條件也隨之改變。1)當(dāng)蒸汽流動(dòng)處于分子流動(dòng)時(shí),氣液交界面為絕熱邊界條件:2)當(dāng)蒸汽流動(dòng)處于連續(xù)流動(dòng)時(shí),氣液交界面的蒸發(fā)率為:鈉熱管外壁面熱量輸入和輸出邊界條件由下式表示:式中:h為對(duì)流換熱系數(shù);下標(biāo)∞表示環(huán)境;σ為黑體輻射常數(shù);ε為鈉熱管外表面黑度。3氣液耦合階常微分控制方程本工作利用有限元方法,通過(guò)FORTRAN編程求解壁面和吸液芯區(qū)域的二維熱傳導(dǎo)問(wèn)題。蒸汽流動(dòng)問(wèn)題采用吉爾(Gear)算法求解一階常微分控制方程組,并在氣液交界面處耦合。具體方法如下。1)網(wǎng)格劃分采用簡(jiǎn)單的單向三角網(wǎng)格,如圖3所示。2)時(shí)間離散采用Dupont顯式離散方法,式(1)、(2)離散后可化為統(tǒng)一形式:式中:K為導(dǎo)熱系數(shù)矩陣;C為體積比容矩陣;Δt為時(shí)間步長(zhǎng);T為溫度矩陣;F為源項(xiàng)矩陣。3)離散的控制方程采用Chlesky分解法直接求解,避免迭代。4)采用Newton迭代法求解物性方程。4結(jié)果和分析4.1am排放系統(tǒng)熱管啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,利用本工作的熱管數(shù)學(xué)模型模擬Camarda的熱管啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)并與其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果示于圖4。從圖4可看出,熱管蒸發(fā)段出口處壁面溫度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,其最大相對(duì)偏差為10.6%。4.2鈉熱管達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段圖5示出鈉熱管在不同時(shí)刻氣液交界面處的軸向溫度分布。由圖5可看出,在起初120s內(nèi),蒸發(fā)段的溫度迅速上升,同時(shí),由于吸液芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)Keff很大,導(dǎo)致蒸發(fā)段的軸向溫差非常小,接近于等溫。而在冷凝段,一方面此時(shí)蒸汽溫度還未達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度700K,因此蒸汽還處于分子流動(dòng)狀態(tài),其密度、壓力非常小,所以與吸液芯的換熱量非常小,從而導(dǎo)致大部分熱量用來(lái)加熱蒸汽,僅有一小部分加熱冷凝段;另一方面,由于冷凝段與周?chē)諝獾膿Q熱系數(shù)較大,導(dǎo)致從蒸發(fā)段導(dǎo)入的熱量大部分由空氣帶走,最終使冷凝段的溫度基本保持在初始溫度(293K)。在120s時(shí),蒸發(fā)段的溫度已達(dá)到700K,這說(shuō)明蒸發(fā)段的蒸汽已從自由分子流態(tài)進(jìn)入連續(xù)流動(dòng)流態(tài),蒸汽與吸液芯通過(guò)氣化潛熱進(jìn)行熱量交換,可見(jiàn),在120~260s范圍內(nèi),蒸汽連續(xù)流動(dòng)區(qū)域逐漸從蒸發(fā)段向全管道過(guò)渡,由于氣液交界面的熱量交換以潛熱的方式進(jìn)行,從而導(dǎo)致冷凝段的溫度迅速上升,最終在260s時(shí),鈉熱管內(nèi)蒸汽全部達(dá)到連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)。260s后,鈉熱管進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段,此時(shí)溫度的上升主要是因?yàn)闊崃枯斎胼敵霾黄胶?最終在400s時(shí),鈉熱管穩(wěn)定運(yùn)行,運(yùn)行溫度為994.35K。圖6示出鈉熱管蒸汽平均溫度隨時(shí)間的變化。由圖6可看出,蒸汽在120s時(shí)達(dá)到連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)。起初,蒸汽溫度上升迅速,這是由于大部分導(dǎo)入的熱量用于加熱蒸發(fā)段的蒸汽,使得蒸汽與吸液芯之間溫差加大,從而增強(qiáng)了氣液交界面處的換熱。在200~265s范圍內(nèi),蒸汽溫度上升緩慢,這主要由以下兩方面原因造成:1)由于連續(xù)流動(dòng)的前鋒開(kāi)始向冷凝段轉(zhuǎn)移,從而大部分熱量用于加熱冷凝段處的蒸汽,導(dǎo)致溫度上升緩慢;2)此時(shí)鈉熱管的軸向最大換熱量受音速極限限制,熱量只能以有限的速率進(jìn)行傳遞,從而導(dǎo)致溫度上升緩慢。265s后,鈉熱管內(nèi)蒸汽全部達(dá)到連續(xù)流動(dòng)狀態(tài),鈉熱管進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段,最終在400s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。圖7示出鈉熱管穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),不同位置處的溫度分布。由圖7可看出,鈉熱管氣液交界面處的溫度分布幾乎為等溫,最大溫差為0.2K,這是由于鈉熱管在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),工質(zhì)的運(yùn)行溫度很高,導(dǎo)致其壓力、溫度、密度沿軸向的變化很小,交界面處的換熱主要以潛熱方式為主,所造成的溫差非常小。而鈉熱管外管壁處及管壁與吸液芯交界面處的溫差相對(duì)很大,分別為57.6K和7.8K,這是由于鈉熱管管壁及吸液芯的熱阻所造成,熱阻越小,溫差越小,從圖7中可明顯看出,吸液芯的熱阻比管壁的熱阻小。圖8示出鈉熱管氣液交界面和外壁面處的三維溫度分布。起初,外壁面處的溫度上升速率高于氣液交界面處,這是由于外部熱量直接加載于外壁面處,而只有一部分熱量最終達(dá)到氣液交界面處,從而導(dǎo)致兩者溫度的上升速率不同。鈉熱管達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段時(shí),外壁面冷凝段的溫度低于氣液交界面冷凝段的,這主要是由吸液芯和管壁的熱阻造成的。但總體來(lái)說(shuō),兩處的溫度上升趨勢(shì)大致相同。圖9示出蒸汽在286s和356s時(shí)壓力、速度、溫度和密度的軸向變化。由圖9a可見(jiàn),286s時(shí),鈉熱管內(nèi)蒸汽全部達(dá)到連續(xù)流動(dòng)狀態(tài),蒸汽具有明顯的可壓縮性,計(jì)算可得其最大馬赫數(shù)Ma為0.266。在蒸發(fā)段,蒸汽的壓力、密度和溫度隨軸向長(zhǎng)度的增加而迅速降低,而速度是升高的,壓力與速度的關(guān)系符合伯努利關(guān)系式。蒸汽速度在蒸發(fā)段出口處達(dá)到最大(173m/s),這主要是由于不斷導(dǎo)入的熱量所致。隨后,蒸汽的速度在冷凝段迅速下降,在端部速度為零。而蒸汽的壓力并未隨速度的降低而升高,這是因?yàn)檎羝c吸液芯之間有較大的摩擦損失,從而蒸汽的壓力、密度和溫度在冷凝段均隨軸向長(zhǎng)度的增加而降低,但降低的速率很慢。由圖9b可見(jiàn),鈉熱管在接近于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中,其蒸汽的可壓縮性不再那么明顯,最大馬赫數(shù)Ma為0.059。蒸汽的軸向最大速度為41m/s,蒸汽沿軸向的最大溫差為1.1K,而圖9a中蒸汽的溫差為15.1K。另外,蒸汽壓力及密度沿軸向的落差也非常小,分別為146Pa和0.00047kg/m3。這主要是由于鈉熱管在接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)運(yùn)行溫度可達(dá)920K,這時(shí)蒸汽的壓力非常大,導(dǎo)致軸向速度變小,可壓縮性可忽略不計(jì)。5鈉熱管啟動(dòng)計(jì)算模型從本工作的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可得出以下結(jié)論。1)熔鹽堆事故條件下,鈉熱管從啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)過(guò)程中運(yùn)行狀態(tài)良好,啟動(dòng)迅速,能不斷地將燃料鹽的衰變余熱導(dǎo)出,具有較高的安全性和經(jīng)濟(jì)性。2)此計(jì)算模型能較好