噴淋霧滴中徑對噴淋冷卻效果影響的試驗研究

王芳

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

1 背景

乏燃料池冷卻系統(tǒng)是核電站的重要輔助系統(tǒng)之一，其主要功能是在各類工況下移除乏燃料池中的衰變熱。AP1000核電廠為乏燃料水池設置了噴淋冷卻系統(tǒng)，在極端事件導致乏池水排空、乏燃料裸露等情況下，通過噴淋冷卻水的方式帶走乏燃料衰變熱，防止乏燃料組件由于高溫而損壞。日本福島事件之后，乏燃料的安全貯存受到廣泛關注。噴淋冷卻的現(xiàn)象復雜，影響因素眾多，難以通過模擬計算得到可信的結(jié)果，因此需要對噴淋冷卻的影響因素開展敏感性試驗研究。針對燃料棒位置，燃料棒高度，噴淋流量，噴淋位置，噴淋角度，噴嘴選型、性能、數(shù)量、布置方式等關鍵因素影響，前期已開展了一系列的調(diào)研工作和噴淋冷態(tài)試驗研究。噴嘴作為噴淋子系統(tǒng)的重要組成部分，其選型對噴淋冷卻效果具有較大的影響。本文基于噴淋冷卻中的噴嘴敏感性的熱態(tài)試驗，著重研究分析噴淋霧滴中徑對加熱棒束的噴淋冷卻效果的影響，為核電站中乏燃料噴淋系統(tǒng)的設計提供支持和依據(jù)。

2 試驗介紹

圖1為乏燃料棒束噴淋試驗系統(tǒng)圖，本試驗由凈水系統(tǒng)、試驗段、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)以及相應噴淋管道和閥門組成。試驗中分別選用不同霧滴中徑的多個噴嘴進行試驗。

圖2為試驗段的結(jié)構(gòu)圖。本試驗以第三代壓水堆AP1000核電廠乏燃料組件為原型，選取真實17×17燃料組件中局部5×5燃料棒束進行試驗，電加熱棒是按照核電廠燃料棒1：1設計、制造，其總長度、發(fā)熱段長度以及直徑都與真實乏燃料棒相同。加熱棒采用間接加熱方式，以此模擬核電廠乏燃料組件衰變熱功率。本試驗選用的測溫元件為熱電偶，如圖3與4所示，實驗分別在6根加熱棒的內(nèi)部沿不同高度填埋6個熱電偶，用于采集不同位置的燃料棒包殼溫度信號，并以每根棒的最高溫度作為該棒冷卻效果的評價標準。

圖1 試驗系統(tǒng)圖

圖2 試驗段

圖3 帶有熱電偶燃料棒位置

圖4 加熱棒軸向熱電偶分布

3 試驗及結(jié)果分析

在噴淋冷卻過程中，噴淋霧滴中徑是影響冷卻效果的重要因素之一。噴淋冷卻乏燃料時希望更多的水滴到達燃料組件，盡量減少在空氣中的耗散。噴淋霧滴中徑太小會導致耗散在空氣中的水量增加，霧滴中徑太大會影響噴灑在燃料組件上的液滴的均勻性，降低冷卻效果。在前期的噴淋冷態(tài)試驗階段，已通過一系列的調(diào)研工作，得知霧滴中徑范圍在800～1400微米左右，對乏燃料噴淋冷卻效果比較理想。因此，本文選取了該范圍內(nèi)的多種霧滴中徑的噴嘴分別進行試驗研究。

3.1 試驗條件

本試驗選取單棒加熱功率280W，噴淋水溫25℃，加熱棒初始壁溫25℃，最高溫度限值500℃的工況，采用相同的噴淋流量密度 3．876（m3/h）/m2，分別針 對 不 同 霧 滴 中 徑（750～850μm，850～950μm，950～1050μm，1300～1400μm，）的噴嘴進行試驗，觀察噴淋霧滴中徑對乏燃料棒束冷卻效果的影響。由于試驗設備條件的原因，難以保證每組試驗的噴淋流量密度完全一致，本試驗中噴淋流量密度允許±5%偏差。

3.2 試驗結(jié)果

選取試驗結(jié)果中最關鍵的數(shù)據(jù)即最熱加熱棒的溫度數(shù)值，并繪制曲線如圖5、圖6、圖7、圖8。

圖5 最熱棒溫度變化（750～850μm）

圖6 最熱棒溫度變化（850～950μm）

圖7 最熱棒溫度變化（950～1050μm）

圖8 最熱棒溫度變化（1300～1400μm）

由圖8可得，采用霧滴中徑750～850μm噴嘴，棒束最終穩(wěn)定溫度為485℃；采用霧滴中徑850～950μm噴嘴，棒束最終穩(wěn)定溫度為438℃；采用霧滴中徑950～1050μm噴嘴，棒束最終穩(wěn)定溫度為493℃；采用霧滴中徑1300～1400μm噴嘴，棒束最終穩(wěn)定溫度為484℃。

3.3 試驗結(jié)果分析

不同的噴淋霧滴中徑試驗工況匯總?cè)绫?所示。本試驗中噴淋流量密度誤差均控制在允許的±5%范圍內(nèi)。

圖9所示為四種霧滴中徑試驗棒束最高穩(wěn)定溫度的對比曲線。根據(jù)不同霧滴中徑試驗工況的最終穩(wěn)定溫度，繪制出溫度隨霧滴中徑變化的冷卻效果曲線，如圖10所示。根據(jù)上述比對圖，可以看到霧滴中徑為 750～850μm、950～1050μm、1300～1400μm 范圍內(nèi)的三種噴嘴冷卻效果大致相同，而霧滴中徑在850～950μm范圍內(nèi)的噴嘴冷卻效果較好，棒束穩(wěn)定溫度較其他三個噴嘴低約50℃。可定性分析，得出在相同加熱功率和噴淋流量密度下，霧滴中徑的改變對加熱棒束的冷卻效果有一定的影響。

圖9 噴淋霧滴中徑對冷卻效果的影響

表1 噴淋霧滴中徑試驗工況數(shù)據(jù)匯總

圖10 不同霧滴中徑冷卻效果曲線圖

表2定量地列出了不同霧滴中徑對加熱棒束的冷卻效果，以霧滴中徑為950～1050μm的噴嘴為參考，霧滴中徑為850～950μm工況的穩(wěn)定溫差比達到-11．1%，冷卻效果相對于其他霧滴中徑噴嘴較好。

表2 噴淋霧滴中徑試驗工況最高溫度對比表

4 結(jié)語

本文通過噴淋冷卻中的霧滴中徑敏感性試驗研究得出，在噴淋流量密度相同情況下，噴淋霧滴中徑的變化對加熱棒束的冷卻效果有一定的影響。通過本試驗，可得出霧滴中徑為850～950μm的噴嘴冷卻效果較好。該結(jié)論可為乏燃料池噴淋冷卻系統(tǒng)中噴嘴的選型和布置設計提供支持和依據(jù)。工程設計中可著重考慮噴淋霧滴中徑的影響，推薦選用霧滴中徑為850～900μm的噴嘴進行設計。考慮到試驗裝置與實際的乏燃料組件有區(qū)別，即本試驗裝置加熱棒束上部沒有設置上管座，噴淋水直接噴射到加熱棒束頂端，而實際情況下乏燃料組件上方設有上管座，對噴淋水進行分流，在這種情況下霧滴中徑對加熱棒束冷卻效果的影響將會削弱。工程設計中，應結(jié)合上管座的分流影響，綜合考慮噴嘴的選型。

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