鈉霧化噴射技術研究

王榮東，杜海鷗，王國芝，石文濤，徐永興，劉 晨

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413)

快堆運行、退役中放射性廢鈉處理問題一直是困擾快堆發(fā)展的關鍵問題之一，而鈉霧化噴射技術是開展放射性廢鈉處理工藝中鈉水反應研究的基礎。因此，通過開展鈉霧化噴射技術的研究，能提升我國快堆在放射性廢鈉處理方面的研究能力，為快堆放射性廢鈉處理平臺及鈉火研究平臺的建設提供技術支持。雖然液態(tài)金屬鈉具有很好的流動性，但由于其固有黏性、遇冷凝固、含有雜質等特性，因而對于液態(tài)金屬鈉霧化噴射的實現(xiàn)就非常困難。國際上僅法國對于不同裝置鈉的總流量進行了描述，對于液滴如何實現(xiàn)及其大小沒有具體報道。我國尚處在研究萌芽階段，與發(fā)達國家技術相比存在較大差距。中國原子能科學研究院利用液態(tài)金屬在高溫下具有良好流動性這一特性，通過專門的回路、動力驅動裝置將鈉流分散為粒狀。

本文研究不同壓力下噴射裝置在氬氣氣氛下所噴射的液態(tài)鈉的粒徑和軌跡，通過與水模擬噴射對比，獲得鈉噴射裝置對應的鈉噴射特性曲線，了解鈉霧化噴射的動力學性能。

1 試驗臺架

鈉噴射臺架由儲鈉罐、進鈉罐、緩沖罐、鈉噴射接收罐、加熱器、電磁泵、冷阱、阻塞計、流量計及相應的閥門、管道等組成。該試驗裝置能利用擴散式冷阱實現(xiàn)鈉的凈化，利用阻塞計實現(xiàn)鈉中雜質的在線測量，利用電磁泵提供鈉噴射的動力，利用測量儀表實現(xiàn)關鍵數(shù)據(jù)的監(jiān)測，具有進行氬氣氣氛鈉噴射試驗的功能。回路總鈉量200 L，設計壓力0.6 MPa，設計溫度450 ℃。鈉噴射回路流程示意圖如圖1所示。

2 試驗原理

首先在250～350 ℃區(qū)間運行鈉回路，利用擴散式冷阱凈化鈉，用阻塞計測得阻塞溫度不大于160 ℃，然后使回路在正常工況下運行。當鈉噴射主回路處于正常運行工況時，在電磁泵的驅動下將膨脹箱中的鈉通過1號加熱器、冷阱后由噴射支路通往鈉噴射裝置，鈉噴射裝置將液態(tài)鈉噴射到處于氬氣保護狀態(tài)的鈉噴射接收罐內(nèi)。

圖1 鈉噴射回路流程示意圖Fig.1 Flow diagram of sodium spray circuit

鈉噴射試驗由安裝在鈉噴射接收罐外部的激光粒度儀進行粒徑分布測量，從而獲得相關數(shù)據(jù)，為進一步鈉水反應模擬分析和噴霧鈉火熱動力學后果分析提供技術支持。激光粒度儀采用激光衍射技術測量顆粒在衍射光不同角度下的強度分布，利用Fraunhofer近似理論和Mie氏理論來解釋粒度分布的結果。通過激光粒度儀對不同噴嘴在不同壓力下產(chǎn)生的噴射液滴進行監(jiān)測，分析鈉霧化噴射液滴的粒徑大小和分布軌跡。

2.1 鈉噴射中位粒徑分布

試驗采用斯普瑞1514號噴嘴，結構示意圖如圖2所示。噴嘴采用旋片式結構，直徑為2.4 mm，鈉溫為250 ℃，測量垂直方向上距噴頭150 mm處的鈉噴射液滴粒徑作為典型的粒徑分布。

氬氣氣氛下，試驗測得噴射壓力為0.15、0.1和0.05 MPa時，水平徑向上經(jīng)過噴射中心、垂直方向上距噴射中心150 mm處的液滴粒徑分布，利用激光粒度儀對液滴粒徑的分布進行連續(xù)測量，每秒測量1次，將多次測量結果求平均，形成的粒徑分布示于圖3。經(jīng)分析，3種壓力下，噴射中位粒徑分別為544.2、554.8和567.2 μm；在不同壓力下，鈉噴射液滴在464.2～735.6 μm區(qū)間的粒徑分布最多，占總分布的50%以上。

圖2 噴嘴結構示意圖Fig.2 Nozzle structure diagram

噴射壓力：a——0.15 MPa；b——0.1 MPa；c——0.05 MPa圖3 不同噴射壓力下鈉噴射中心區(qū)域的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution in central region of sodium spray at different spray pressures

2.2 鈉噴射中位粒徑和壓力的關系

不同壓力下粒子下落到150 mm處鈉噴射中位粒徑與噴射壓力的關系如圖4所示，擬合得到不同壓力下粒子下落到150 mm處鈉噴射中位粒徑和噴射壓力的關系：

RS=-220p+577.67

(1)

式中：RS為鈉噴射中位粒徑，μm；p為噴射壓力，MPa。

圖4 中位粒徑與噴射壓力的關系Fig.4 Relation between median particle size and spray pressure

擬合表達式的相關性系數(shù)為0.997，說明鈉噴射中位粒徑與噴射壓力具有線性相關性。利用噴射壓力與中位粒徑的關系，可用于估算其他壓力條件下的粒徑分布。

2.3 鈉噴射中位粒徑的空間分布

由于鈉噴射試驗周期長、后處理困難等問題，要試驗測得鈉噴射中位粒徑的空間分布需耗費大量的時間和精力。考慮到鈉噴射和水噴射的相似性，本文采用水噴射中位粒徑的空間分布來模擬鈉噴射中位粒徑的空間分布。

圖5 流體單元受力示意圖Fig.5 Diagram of fluid element force

為對比鈉噴射中位粒徑和水噴射中位粒徑，假設一如圖5所示的圓柱體流體單元，該流體單位受兩個力的作用，其中的慣性力與流體流動方向一致。

流體慣性力公式[1]為：

IForce=ρv2A

(2)

式中：IForce為慣性力；ρ為流體密度；v為流體流速；A為流體截面積。

表面張力計算公式[1]為：

ISurface_Tension=2πRσ

(3)

式中：ISurface-Tension為表面張力；R為粒徑；σ為表面張力系數(shù)。

當慣性力等于表面張力時，也就是流體開始噴射時，可解得：

(4)

流體流速為其體積流量Q和流體截面積的比值：

(5)

對同一型號噴頭，假設在相同條件下進行鈉噴射試驗和水噴射試驗，分別求出鈉噴射粒徑和水噴射粒徑，可得：

(6)

式中，下標S和W分別表示鈉和水。

相同壓力下，鈉體積流量和水體積流量的轉化關系[2]為：

QS=QW×CF

(7)

式中，CF為轉換因子。

轉換因子CF與介質相對密度有關，即CF與介質相對密度的平方根呈反比：

(8)

由式(7)、(8)可得(QS/QW)2=ρW/ρS，代入式(6)，則：

(9)

因此同一噴頭在相同壓力下，鈉噴射中位粒徑和水噴射中位粒徑之比與其表面張力系數(shù)的比值呈正比。在實際噴射過程中，當流體從噴頭噴射之后，在空氣作用下會產(chǎn)生彼此碰撞和二次霧化的行為。鈉粒子與水粒子的行為機理較復雜，為方便比較，假設鈉粒子與水粒子的粒徑之比存在一系數(shù)k：

(10)

因此：

(11)

試驗測得0.15 MPa下粒子下落150 mm處的鈉噴射中位粒徑為544.2 μm，相同條件下水噴射中位粒徑為511.0 μm，25 ℃時水的表面張力為0.072 88 N/m，250 ℃時鈉的表面張力為0.176 57 N/m[3]，因此可計算得到k=0.440。不同噴射壓力下的k值列于表1。

表1 不同噴射壓力下k值Table 1 k value at different spray pressures

按照鈉噴射中位粒徑和水噴射中位粒徑的對比關系和水噴射液滴中位粒徑的空間分布，模擬可得鈉噴射中位粒徑的空間分布，如圖6所示。

液滴在徑向的擴散是由湍射流的徑向速度分量和空氣作用共同決定的。因此，液滴分布的變化隨速度和距噴嘴出口距離的不同呈現(xiàn)不同特點。

1) 水平方向的液滴譜變化趨勢

由于射流破碎是從核心向外緣進行的，內(nèi)層空氣擾動作用強，相對速度大，破碎形成液滴直徑小，由于內(nèi)層破碎造成能量損失，越向外空氣的動力擾動作用越弱，湍流作用導致破碎形成的液滴直徑較大。在氣體介質中運動的液滴，其運動加速度與液滴半徑呈反比，因此小液滴受氣體阻力作用大，其速度衰減較大液滴快，這導致大液滴能獲得更多向前運動的機會，擴散較大。

徑向距軸心較遠的液滴，受空氣的影響開始變大，在空氣作用下產(chǎn)生二次霧化使液滴粒徑變小，越靠近邊緣之處液滴粒徑越小。綜合來看，在靠近噴射中心處從軸心往兩側液滴粒徑變大的幅度較小，而遠離噴射中心處，從軸心往兩側液滴粒徑變小的幅度較大。

噴射壓力：a——0.15 MPa；b——0.3 MPa；c——0.6 MPa圖6 鈉噴射液滴譜的徑向變化Fig.6 Radial change of sodium spray droplet spectrum

2) 垂直方向上的液滴譜變化趨勢

在靠近噴射中心處，液滴粒徑隨下落距離的增加而減小。假設噴射粒徑譜是中心對稱，則從任意方向上經(jīng)過噴射中心的激光測得的粒徑譜能代表整個噴射的粒徑分布。因為無論粒徑譜在徑向上呈何種分布，經(jīng)過噴射中心的激光能測得任意徑向處的液滴。在液滴下落過程中，液滴在空氣作用下發(fā)生二次破碎，因此導致液滴隨下落距離的增加而減少。

在遠離噴射中心處，相同水平徑向上液滴粒徑隨下落距離的增加而增大。這主要是因為鈉噴射呈椎體形狀。隨液滴的下落，鈉噴射液滴的水平截面增大，由于液滴徑向速度的作用，液滴會向外擴散。因此，靠近中心處相對較大顆粒的液滴隨下落距離的增加會逐漸向外擴散，故擴散作用導致相同水平徑向上液滴粒徑隨下落距離的增加而增大。

3 結論

1) 隨噴射壓力的增加，鈉噴射中位粒徑變小，鈉噴射中位粒徑與噴射壓力有線性關系。

2) 鈉噴射液滴粒徑在水平方向的分布是不均勻的，中心處的液滴粒徑較小，并隨徑向距離的增大而變大，達到一最大值后又開始變小。

3) 鈉噴射液滴粒徑在垂直方向的分布是不均勻的，在靠近噴射中心處，液滴粒徑隨下落距離的增加而減小。在遠離噴射中心處，液滴粒徑隨下落距離的增加而增大。