熔融物碎裂試驗項目簡介

1、一、熔融物碎裂試驗項目簡介盡管鈉冷快堆的安全性極高，發(fā)生嚴(yán)重事故的概率極低，但也必須充分考量并制定其發(fā)生嚴(yán)重事故時的應(yīng)對措施，尤其當(dāng)堆芯熔融物與冷卻劑鈉發(fā)生相互作用時導(dǎo)致堆芯熔融物的碎裂，二者間的傳熱面積增加導(dǎo)致堆芯冷卻劑氣化比例提高，引入正反應(yīng)性，加重嚴(yán)重事故的后果；此外，堆芯熔融物在冷卻劑鈉中的碎裂行為決定了堆芯熔融物在反應(yīng)主容器下部形成碎片床的形態(tài)以及能否實現(xiàn)堆芯熔融物堆內(nèi)滯留的目標(biāo)。我國正在自主開發(fā)鈉冷快堆嚴(yán)重事故分析程序，用于鈉冷快堆設(shè)計方案的安全評估和可靠性驗證。由于熔融物在冷卻劑中的碎裂現(xiàn)象的重要性，并且現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)不完善，缺乏必要的實驗參數(shù)，因此需要開展熔融物碎裂特性實驗，為

2、我國鈉冷快堆嚴(yán)重事故分析程序的開發(fā)提供支撐，建立標(biāo)準(zhǔn)例題，驗證鈉冷快堆嚴(yán)重事故分析程序，評估此程序?qū)Χ研救廴谖镌诶鋮s劑中碎裂行為的模擬能力。整個試驗項目的研究內(nèi)容可分為低熔點金屬實驗、高熔點金屬實驗、金屬氧化物實驗以及金屬與氧化物混合實驗四部分，其中高熔點金屬實驗、金屬氧化物實驗以及金屬與氧化物混合實驗又分為初始溫度實驗（熔融物和冷卻劑）、熔融物初始質(zhì)量實驗、鈉池初始深度實驗以及熔融物射流實驗四大部分。表1列出了在熔融物碎裂實驗項目所需要完成的試驗內(nèi)容。表1 熔融物碎裂試驗內(nèi)容列表試驗類別主要試驗內(nèi)容低熔點金屬實驗開展12組液態(tài)低熔點金屬在液態(tài)金屬鈉中的碎裂實驗，熟悉和掌握實驗技術(shù)的操作規(guī)程，

3、驗證實驗技術(shù)的可行性和安全性；高熔點金屬實驗?zāi)M堆芯燃料包殼（不銹鋼）熔化后在冷卻劑鈉中的碎裂特性，包含初始溫度、初始質(zhì)量、射流直徑以及鈉池深度，研究上述因素與碎裂特性關(guān)聯(lián)性；金屬氧化物實驗?zāi)M堆芯燃料（氧化燃料）熔化后在冷卻劑鈉中的碎裂特性，包含初始溫度、初始質(zhì)量、射流直徑以及鈉池深度，研究上述因素與碎裂特性關(guān)聯(lián)性；金屬與氧化物混合實驗?zāi)M堆芯材料燃料（不銹鋼包殼+氧化燃料）熔化后在冷卻劑鈉中的碎裂特性，包含初始溫度、初始質(zhì)量、射流直徑以及鈉池深度，研究上述因素與碎裂特性關(guān)聯(lián)性，在不同比例混合條件下，探索混合物碎裂特性與高熔點金屬和金屬氧化物在冷卻劑中單一碎裂特性的有關(guān)性；綜合以上試驗的試驗

4、數(shù)據(jù)為鈉冷快堆嚴(yán)重事故分析程序的開發(fā)和驗證提供數(shù)據(jù)支撐，驗證程序中模型的正確性。為完成該項目的全部實驗內(nèi)容，滿足全部實驗要求，既能熔化高熔點金屬和金屬氧化物使其與液態(tài)金屬鈉相互作用，又能實現(xiàn)液態(tài)金屬鈉的儲存、輸送、過濾和沉淀，需要對實驗設(shè)備和材料進行采購。由于該實驗的冷卻劑采用金屬鈉，實驗溫度較高，必須嚴(yán)格保證實驗設(shè)備和管道連接的密封性，采用加強法蘭連接和焊接方式；每組實驗工況需要對實驗容器進行打開，取出實驗產(chǎn)物，因此需要安裝吊裝提升機構(gòu)；金屬鈉及其氧化物具有一定的腐蝕特性，所有涉鈉容器及管道均需采用316L不銹鋼材質(zhì)；在實驗過程中采用不同容器的壓差和重力實現(xiàn)液態(tài)金屬鈉在管道和容器間的流動；每

5、次實驗完成后采用過濾裝置對液態(tài)金屬鈉進行過濾凈化，保證液態(tài)金屬鈉的純度；由于涉及金屬鈉，故本實驗采用氬氣提供惰性環(huán)境，并提供實驗過程所需的壓差；此外，液態(tài)金屬鈉的回流依靠重力完成，鈉流通管道均安裝成具有傾斜角度，保證排鈉操作后管道及反應(yīng)容器內(nèi)全部排凈。由于金屬鈉在常溫下為固態(tài)，所有鈉流通管道及儲存容器外壁面均需要布置加熱及保溫裝置，儲鈉罐和沉淀罐中橫向安裝多層加熱棒；鈉流通管道及閥門需要布置有熱電偶，對其溫度進行監(jiān)測，避免鈉凝固堵塞；儲存鈉的容器中采用壓差方式實現(xiàn)液態(tài)金屬鈉的注入，因而對其壓力和液位進行監(jiān)視；實驗過程中需要對反應(yīng)容器內(nèi)液體空間和氣體空間內(nèi)壓力的變化進行采集，利用耐高溫的高頻動態(tài)

6、壓力傳感器進行采集；高溫熔融物落入液態(tài)金屬鈉后，液態(tài)金屬鈉的溫度分布會發(fā)生較大的變化，利用多層布置的四點式熱電偶進行測量。對金屬及金屬氧化物進行加熱熔化環(huán)節(jié)，由于加熱溫度極高，采用電磁感應(yīng)加熱爐對物質(zhì)進行加熱熔化，由于金屬氧化物無法采用電磁感應(yīng)方式直接加熱，間接通過高純度石墨坩堝實現(xiàn)，熔液由石墨坩堝內(nèi)部嵌套的氧化鋯坩堝進行容納，避免石墨坩堝對物料的雜質(zhì)污染。熔化后的熔融物需要注入到下部液態(tài)金屬鈉中，需要在坩堝底部打孔并匹配陶瓷塞，陶瓷塞連接這具有一定高度的釋放桿（陶瓷塞連接陶瓷桿，陶瓷桿連接不銹鋼桿），釋放桿頂部焊接具有一定厚度和面積的不銹鋼盤，通過電磁鐵通電和斷電的方式，實現(xiàn)對不銹鋼盤的提高

7、與降落，從而實驗坩堝底孔的開通與關(guān)閉；高溫熔融物在液態(tài)鈉中碎裂后產(chǎn)生的碎片顆粒，在取出后不可避免的會凝結(jié)有殘留金屬鈉，利用酒精和水進行殘留金屬鈉的清洗。圖1是初步規(guī)劃的熔融物碎裂特性實驗設(shè)備和實驗管道連接示意圖。圖1 熔融物碎裂特性實驗設(shè)備和實驗管道連接示意圖如圖所示，不同實驗設(shè)備由不銹鋼管道進行連接，根據(jù)功能的不同，在管道上布置有氣閥、鈉閥及安全閥等裝置，實驗系統(tǒng)為軸向高度安裝，儲鈉罐、廢鈉罐及其相互連接的管路和過濾裝置位于底部，實現(xiàn)金屬鈉的儲存和過濾。反應(yīng)容器為實驗的核心部件，分布上中下三層空間，下部空間為液態(tài)金屬鈉的儲存和與高溫熔化物的反應(yīng)場所；中部空間為加熱熔爐所在地；上部空間為電磁鐵

8、安裝位置。此外，與加熱系統(tǒng)配套的油冷回路實現(xiàn)對電磁線圈的冷卻。三個容器均與氬氣回路及真空泵相連，實現(xiàn)實驗設(shè)備和管道的氬氣保護功能。二、實驗設(shè)備技術(shù)要求及參數(shù)2.1儲鈉罐容器本項目采用金屬鈉作為冷卻劑進行實驗，需要金屬鈉的儲存容器，且實驗完成后的液態(tài)金屬鈉含有雜質(zhì)，需要對其進行過濾和凈化，過濾和凈化后的金屬鈉再次灌裝到儲鈉罐中，需要兩個相同的儲鈉罐。儲鈉罐的儲存介質(zhì)為金屬鈉，其設(shè)計壓力為1.0MPa，設(shè)計溫度為350，材質(zhì)選用316L不銹鋼，壁厚為10mm，內(nèi)徑為DN600mm，軸向直管段長度為400mm，兩端封頭根據(jù)國標(biāo)要求進行設(shè)計，內(nèi)壁面剖光。儲鈉罐底部焊接基座，便于放置和保溫；頂部焊接有吊

9、耳，便于吊裝和移動；在軸向305mm和505mm的高度上周向分別均勻分布三個預(yù)留的外螺紋焊接管，焊接管內(nèi)部呈梯形結(jié)構(gòu)，在安裝電加熱棒時起到密封的效果。頂部封頭上預(yù)留6個外螺紋焊接管，中心焊接管為金屬鈉的進出口，向外為周向均勻分布的三個熱電偶插入口，最外邊分別為氬氣的連接口和液位探針的插入口。儲鈉罐上所有需要的打孔和焊接外螺紋接管，均需要在儲鈉罐主體焊接之前完成，避免在儲鈉罐內(nèi)部殘留鐵削等雜質(zhì)，并且外螺紋的焊接需要內(nèi)外兩端進行密封焊接。2.2 氬氣緩沖罐在本實驗中，需要通過氬氣提供惰性氣體環(huán)境，由于購買的氬氣瓶初始內(nèi)壓為10MPa，需要采用減壓閥和氬氣緩沖罐對氬氣進行降壓穩(wěn)壓后方可利用。氬氣緩沖

10、罐的設(shè)計壓力為1.5MPa，設(shè)計溫度為常溫，儲存介質(zhì)為氬氣，材質(zhì)選用304不銹鋼，氬氣入口和出口采用法蘭或與氬氣管路焊接方式連接，排污口、壓力表接口以及安全閥接口采用DN15的法蘭進行與相關(guān)設(shè)備的連接，氬氣緩沖罐底部焊接支撐腿。2.3 中頻電磁感應(yīng)熔爐70kW自動控制型中頻感應(yīng)設(shè)備中冷卻系統(tǒng)采用5P油冷壓縮機驅(qū)動的油冷回路，熔煉用的電磁感應(yīng)線圈直徑30cm，高度30cm，并采用打結(jié)料密封。電磁感應(yīng)線圈安裝在反應(yīng)容器內(nèi)部，供電系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)位于外部空間，因此，供電線纜和冷卻回路通過法蘭與反應(yīng)容器連接，確保貫穿的密封性。70kW自動控制型中頻感應(yīng)設(shè)備，其型號及主要技術(shù)參數(shù)如下：型 號GP-70AB

11、輸入電壓三相380V 50-60Hz最大振蕩功率70KW輸出振蕩頻率2080KHz加熱電流10A110A保溫電流10A110A加熱時間0.199.9秒保溫時間0.199.9秒負(fù)載持續(xù)率100%外形尺寸主機：600×270×550分機：550×270×420耦合級數(shù)2級主分機纜線長度2米（可訂制最長6米）其中：負(fù)載持續(xù)率：100%，功率元件，整流模塊和諧振電容需采用國內(nèi)外知名品牌，如（功率元件采用采用德國西門子進口IGBT模塊400A/1200V，整流模塊采用采用日本富士1600V/400A，諧振電容采用臺灣AV電容器公司的H.01-2000V等），其他配

12、置元件和設(shè)備均需要具備質(zhì)量保證和用戶單位高度認(rèn)可的公司生產(chǎn)。與中頻感應(yīng)熔煉爐相配套的裝置還包括氧化鎂或氧化鋯坩堝，高純度石墨坩堝，其中熔煉不銹鋼的最大量為10kg，氧化鋯坩堝內(nèi)徑120mm，高250mm，呈倒錐形結(jié)構(gòu)，石墨坩堝外徑約為180mm，內(nèi)部車加工為氧化鋯坩堝形狀，能夠與氧化鋯坩堝緊密貼合，坩堝底部打孔（便于熔化物流凈）并連接長約30cm內(nèi)徑1020mm的漏斗形陶瓷管進行導(dǎo)流，底孔采用陶瓷塞子進行配套堵塞，不銹鋼熔化后達(dá)到一定溫度，通過對電磁鐵通電將連接陶瓷塞子的桿進行提升，鋼水通過陶瓷管進行導(dǎo)流，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。氧化鋯坩堝（1）、石墨坩堝（2）及電磁線圈（7）以及倒錐形漏斗（8）和

13、陶瓷導(dǎo)流管（11）通過鎂砂打結(jié)在一起，整個熔爐由底部的支撐架（9）進行支撐，并通過軸向活動卡槽（10）與反應(yīng)容器內(nèi)壁面焊接的螺栓進行固定連接。鎂砂打結(jié)體（6）的頂部安裝陶瓷蓋，減少電磁加熱的散熱了，提高加熱效率。圖4 中頻感應(yīng)熔煉結(jié)構(gòu)示意圖其中陶瓷導(dǎo)流管及錐形漏斗的結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5 陶瓷導(dǎo)流管及錐形漏斗結(jié)構(gòu)示意圖再者熔爐坩堝的底部開孔，用于釋放熔化后的物質(zhì)，底孔的開通與關(guān)閉通過陶瓷塞（12）和陶瓷提升桿（3）構(gòu)成的提升機構(gòu)完成。提升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，底部為陶瓷塞，與坩堝底孔配合控制熔融物的釋放，并連接一段耐高溫的陶瓷桿，其上連接不銹鋼結(jié)構(gòu)，二者通過橫線固定螺栓進行連接。不銹鋼結(jié)構(gòu)包括隔

14、熱作用，固定作用以及貼合作用，隔熱作用的凸盤貫穿反應(yīng)容器中間部分上頂面，固定作用通過彈簧與反應(yīng)容器的壁面實現(xiàn)，從而將陶瓷塞與坩堝底孔緊密貼合，防止泄漏，貼合作用是通過電磁鐵與不銹鋼凸盤的磁場作用，控制提升機構(gòu)的提升和下降，從而控制熔融物的滯留和釋放。通電式電磁鐵，提升重量不低于10kg，與被吸物體間隙為10mm左右，可耐受600的高溫，通過遙控開關(guān)進行控制，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖6 提升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖圖7 通電式電磁鐵示意圖2.4 NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本實驗中需要對溫度，壓力等信號進行數(shù)據(jù)采集，由于采用PCB壓力傳感器，采樣頻率高達(dá)200kS/s，并且需要采集系統(tǒng)提供激勵電壓，至少需要配置2通道的

15、同步高頻數(shù)據(jù)采集；此外，需要對熔融物的速度進行測量，輸出信號為±5V的壓力信號，故選用NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的PXIe-4464的模塊對壓力進行高頻采集；此外，儲鈉罐、回鈉罐、反應(yīng)容器及流鈉管道和閥門上的溫度需要進行測量和監(jiān)測，溫度信號需要選用2個32通道的溫度采集模塊，包括1個32通道的熱電偶信號專用采集模塊PXIe-4353，1個32通道的高頻低精度的熱電偶信號采集模塊；機箱及控制選用中低端配置。2.5 壓力傳感器本實驗中需要對熔融物與液態(tài)金屬鈉相互作用過程中的壓力進行測量，由于此過程屬于瞬態(tài)過程，并且液態(tài)金屬鈉的溫度為350450左右，且屬于微妙毫秒量級，因此需要耐高溫的高頻瞬態(tài)壓力

16、傳感器對反應(yīng)容器中的液態(tài)金屬鈉及上部氬氣空間的壓力進行測量，壓力傳感器的采樣頻率不低于200kS/s，使用溫度不低于300，壓力傳感器膜片采用不銹鋼材質(zhì)，并配置相關(guān)的信號調(diào)理模塊，便于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)識別和采集。通過調(diào)研和查詢，本實驗中采用PCB品牌的112A05型號的壓力傳感器，采樣頻率高于200kS/s，最高使用溫度為315，膜片及殼體采用不銹鋼材質(zhì)，此外配備信號放大模塊及相關(guān)的信號傳輸線纜。2.6 高精度壓力表及真空壓力表實驗過程中，需要對儲鈉罐、回鈉罐、氬氣緩沖罐及泄壓罐中的壓力進行監(jiān)測，避免內(nèi)部壓力過高或過低，由于不需要對此壓力進行采集和記錄，故選用高精度大表盤的壓力表和真空表進行內(nèi)部壓

17、力的顯示即可，本實驗中選用西安儀表廠生產(chǎn)的量程為01.5MPa的不銹鋼壓力表。2.7 真空泵金屬鈉與空氣和水發(fā)生強烈的化學(xué)反應(yīng)，需要對實驗系統(tǒng)內(nèi)殘留空氣進行去除，包括抽真空，充氬氣等操作。真空泵選用雙級直聯(lián)旋片F(xiàn)X-32真空泵，額定抽氣速率不低于32L/min，極限壓力6X10-1（pa）。2.8 手動調(diào)壓器由于本實驗設(shè)計液態(tài)金屬鈉的加熱和保溫，需要安裝大量的加熱棒和加熱絲等需要進行功率調(diào)節(jié)的電氣設(shè)備，選用帶電壓數(shù)字顯示的手動調(diào)壓器對加熱棒和加熱絲的功率進行調(diào)節(jié)和控制，4個10kVA和6個15kVA的調(diào)壓器。2.9 配電柜及控制柜本實驗需要的電氣設(shè)備包括中頻電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)，調(diào)壓器及數(shù)據(jù)采集系

18、統(tǒng)等儀器設(shè)備，需要根據(jù)現(xiàn)有配電柜進行改造并添加配電柜和控制柜，以滿足實驗要求。其中，將三相及兩相設(shè)備用電隔開，三相用電功率不低于150kVA，兩相用電設(shè)備單獨設(shè)置控制柜，用于調(diào)壓器用電控制，其中控制通道不低于12，采用遠(yuǎn)程式進行控制，每個調(diào)壓器分別由單個控制開關(guān)控制。配電柜及控制柜內(nèi)部元器件選用合資以上廠商制作，并滿足國家相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)。三、實驗材料技術(shù)規(guī)格及要求3.1 加熱棒儲鈉罐和回鈉罐的軸向高度上各布置兩層電加熱棒，每層均勻分布3根，共12根單端電加熱棒，外加4根備用加熱棒；其功率為1kW，直徑20mm，總長500mm，插入深度230mm，引線長度為1m，外包殼材質(zhì)選用316L不銹鋼。3.

19、2 加熱絲儲鈉罐、回鈉罐、反應(yīng)容器及流鈉管道和閥門處需要纏繞加熱絲，控制金屬鈉的溫度。儲鈉罐、回鈉罐及反應(yīng)容器上采用5m/根的鎧裝加熱絲，直徑2mm，功率2kW，共20根；流鈉管道及閥門由于其管徑較小，采用3m/根的鎧裝加熱絲，直徑2mm，功率1kW，共10根。3.3 熱電偶3.3.1 四點式鎧裝熱電偶在對反應(yīng)容器內(nèi)液態(tài)金屬鈉進行溫度變化測量時，采用四點式熱電偶進行測量，熱電偶直徑6mm，插入深度為120mm，90mm，60mm和30mm，保護管材質(zhì)選用316L不銹鋼，熱電偶測量液態(tài)金屬鈉溫度，溫度低于700，采用固定卡套連接方式，補償導(dǎo)線長度5m，需要10組。3.3.2 單點式鎧裝熱電偶儲鈉

20、罐和回鈉罐中金屬鈉的溫度需要進行測量和監(jiān)測，由儲鈉罐和回鈉罐頂部封頭進行插入，熱電偶直徑2mm，插入深度150mm，300mm和425mm各5根，保護管材質(zhì)選用316L不銹鋼，采用固定卡套連接方式，補償導(dǎo)線長度5m；此外，直徑2mm，插入深度300mm，保護管材質(zhì)選用316L不銹鋼，補償導(dǎo)線長度5m的熱電偶25根；直徑3mm的熱電偶15根。3.3.3 鎢錸熱電偶采用中頻電磁感應(yīng)加熱爐對不銹鋼等物料進行熔化時，需要測量熔液的溫度，最高溫度達(dá)1800，由于普通熱電偶無法達(dá)到測量要求，故選用鎢錸熱電偶進行鋼水等熔液溫度的測量，一般采用鎧裝的鎢錸熱電偶外部額外添加剛玉保護套管的方式，其插入深度為800

21、mm，固定卡套方式連接，數(shù)量為2根。3.4 液位探針儲鈉罐和回鈉罐中液態(tài)金屬鈉的液位需要實時進行監(jiān)測，避免過高由氬氣孔溢出以及防止過低將底部沉淀的雜質(zhì)引入實驗系統(tǒng)中，需要自制液態(tài)金屬鈉液位探針對內(nèi)部液位進行監(jiān)測。液位探針的材質(zhì)選用316L不銹鋼，卡套連接密封，對內(nèi)部5個不同高度上的液位采用紅綠指示燈進行顯示，需要10根探針，10個指示燈及調(diào)試開關(guān)。3.5 電纜系統(tǒng)里中頻電磁感應(yīng)熔爐功率70kw,加熱絲，加熱棒所有用電設(shè)備一起用電功率達(dá)到了50KW，系統(tǒng)合計使用功率120KW。動力線纜，并柜母線排，及部分控制線，屏蔽信號線，熱電偶溫度補償導(dǎo)線。3.6管道閥門及臺架鋼材系統(tǒng)金屬鈉主管道采用優(yōu)質(zhì)316L不銹鋼管，配材質(zhì)證明文件。型號為30*5，氣體管道為304不銹鋼管道，型號為14*