池式鼓泡條件下氣溶膠沉降效率研究

周艷民，孫中寧，谷海峰，李應治，馬釬朝

(哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

放射性氣溶膠是核反應堆嚴重事故中最重要的產物之一，主要來源于固體裂變產物外漏和氣體裂變產物的凝聚成核，如90Sr、140Ba、95Zr以及CSI等[1-2]。由于氣溶膠具有很強的擴散和遷移特性，因此在發生嚴重事故時通常希望能將其滯留在液相中。一種典型的氣溶膠滯留現象發生在氣泡穿過靜止液相的過程中，如在蒸汽發生器傳熱管發生破口事故時，一回路冷卻劑閃蒸進入二次側，并以蒸汽泡的形式穿過二次側冷卻水，在蒸汽向上運動的過程中，蒸汽中攜帶的氣溶膠被部分滯留在液相中[3]；再比如一回路失水事故后期的堆芯淹沒階段，同樣也存在蒸汽泡上升過程中氣溶膠的沉降現象[4]。上述幾種過程所涉及的本質現象都是氣溶膠在上升氣泡內的遷移和沉降，而氣溶膠在氣泡內的沉降效率對事故后期安全殼內乃至環境的源項濃度至關重要，對其進行研究對于反應堆嚴重事故分析和緩解措施改進都有重要意義。

關于上升氣泡內氣溶膠沉降問題的研究起始于20世紀60年代，早期主要以理論研究為主，較有代表性的是由Fuch[5]提出的顆粒沉降效率半經驗模型。Fuch將經典的顆粒沉降理論應用于氣泡內的氣溶膠沉降過程，模型采用歐拉法描述了氣溶膠在重力沉降、慣性分離和布朗擴散3種機制作用下的濃度變化。Fuch模型的計算思想在很長一段時間內被后續的研究者所采用，如Wassel[6]、Heinscheid[7]、Pich[8]以及Ghiaasiaan[9]等，同時也被一些計算程序如SPARC[10]、BUSCA[11]以及SUPRA[12]等所采用。90 年代以后，相關的實驗研究得到了較快的發展，與池式過濾相關的實驗分別在ACE[13]、EPRI[14]以及POSEIDON[15]等實驗臺上陸續獨立開展，實驗結果在一定程度上能對模型進行宏觀驗證。從目前已開展的實驗來看，研究內容主要側重于模擬實際事故工況，并測試不同參數下的氣溶膠沉降效率，獲得的實驗數據多以質量效率為主。這些結果雖能較準確地反映特定參數下的氣溶膠沉降特性，但對于模型開發和驗證卻存在一定局限性，特別是對于多分散氣溶膠的沉降效率驗證存在較大不足。

本文以池式鼓泡條件下的氣溶膠沉降特性為研究對象，通過實驗對亞微米級氣溶膠的沉降效率開展精細化測量，在不同流動參數下獲得沉降效率與氣溶膠粒徑之間的準確定量關系，并分析其內在影響機制，為模型開發和驗證提供可靠數據支撐。

1 實驗裝置及方法

圖1a為開展池式鼓泡條件下氣溶膠沉降效率實驗的系統原理圖，該實驗系統主要由載氣系統、氣溶膠配送系統、氣溶膠采樣測量系統、實驗段、溫度控制系統以及數據采集系統組成。載氣系統包括蒸汽供應系統和空氣供應系統兩部分，二者能為系統提供一定流量和配比的混合氣源，本實驗研究涉及的工況全部為純空氣工質，空氣和水溫均為常溫。氣溶膠配送系統由高壓載氣和氣溶膠發生器組成，能根據需要為系統提供已知粒徑、已知濃度以及不同種類的氣溶膠粉末。氣溶膠粒徑和數量濃度通過TSI掃描電遷移率粒徑譜儀進行測量，為避免載氣中夾帶液滴對測量結果的影響，采樣氣體在進入粒徑譜儀前首先進行冷凝和干燥。

圖1b為實驗段主體的三維結構示意圖，該實驗段為不銹鋼制的壓力罐體，罐體直徑為273 mm，高度為2 m，沿高度方向上設置有可視化觀察窗，可通過高速攝像儀拍攝氣泡行為。為盡可能減小氣溶膠在流動過程中的質量損失，本實驗采用頂部進氣方案設計，即含有氣溶膠的氣體從實驗段頂部進入，并通過底部的曝氣裝置將連續氣相分散為離散的氣泡，氣溶膠濃度采樣口分別設置在進口管道和出口管道相同高度位置，采樣方式為迎風等速取樣。

2 結果分析與討論

2.1 入口氣溶膠濃度測試

實驗采用TiO2粉末模擬實際事故中的不可溶性氣溶膠，TiO2粉末密度為4 200 kg/m3，粒徑分布特性如圖2所示。可看到，氣溶膠數量濃度隨粒徑近似呈標準對數正態分布，計數中值粒徑為250 nm。通過掃描電子顯微鏡得到的TiO2氣溶膠真實粒徑分布示于圖3，通過圖像處理得到平均等效直徑為0.23 μm，與計數中值粒徑基本一致。

在開展氣溶膠沉降效率實驗前，首先對實驗系統入口氣溶膠濃度穩定性進行了測試，結果如圖4所示。圖中實線為在不同液位條件下得到的進出口氣溶膠數量濃度實驗結果，可看到，在0～1 800 s范圍內，進出口氣溶膠數量濃度除瞬時波動外，表現出非常理想的時間穩定性，表明實驗系統穩定可靠，以此為基礎獲得的沉降效率結果也較為可靠。圖中虛線為在無氣溶膠配送條件下得到的出口本底濃度，具體包括空罐條件、純水條件以及液相中含氣溶膠條件下的出口本底濃度。可看到，當實驗段內裝填有液相時，由于氣相夾帶作用導致出口本底數量濃度約為1 000 cm-3，而當實驗段內無液相時，出口本底數量濃度在10 cm-3以下。無論是有液相還是無液相條件，本底數量濃度均遠低于氣溶膠數量濃度，在進行沉降效率計算時，出口氣溶膠數量濃度等于直接測量結果與本底值的差值。

a——實驗系統原理圖；b——實驗段三維結構示意圖圖1 試驗裝置簡圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

圖2 TiO2氣溶膠粒徑分布Fig.2 Aerosol size distribution of TiO2

圖3 TiO2氣溶膠掃描電鏡圖像Fig.3 Scanning electron microscopy of TiO2

圖4 氣溶膠濃度穩定性及本底濃度Fig.4 Stability of aerosol concentration and background concentration

2.2 液位對沉降效率的影響

實驗段中的液位可反映曝氣裝置的淹沒深度，即氣泡在液相中的穿透距離。分別在淹沒深度H=30、70、90 cm 3個工況下，研究了淹沒深度對氣溶膠顆粒沉降效率的影響。實驗中氣體流量為9.5 m3/h，入口氣溶膠數量濃度為(1.87±0.28)×105cm-3，結果如圖5所示。可發現，隨著液位的增加，所有尺寸氣溶膠的沉降效率均得到了提升，淹沒深度為30 cm時，100～600 nm氣溶膠的沉降效率分布在30%～60%之間，而淹沒深度增加至70 cm時，沉降效率提升至45%～90%之間。液位對氣溶膠沉降效率的影響主要體現為接觸時間的改變，隨著液位的增加，氣泡在液相中的滯留時間近似線性增長，相應地氣溶膠在液相中的滯留概率也逐漸增加。另外，通過對比可發現，低液位時提高淹沒深度對沉降效率的改善效果更為明顯，這主要是由于在氣泡上升的初始階段，大粒徑氣溶膠在離心力和重力的作用下更易被去除，此時沉降效率對液位變化較為敏感；當氣泡進入上升段后期，氣泡內存留的主要為小粒徑氣溶膠，這些氣溶膠主要依賴于布朗沉降效應，離心力和重力的影響較小，因此去除較為困難，此時繼續增加液位對沉降效率的影響較小。

2.3 氣相流速對沉降效率的影響

在淹沒深度H=50 cm下研究了氣體表觀流速U對沉降效率的影響，入口氣溶膠數量濃度約為2.4×105cm-3，實驗結果如圖6所示。結果表明，氣溶膠沉降效率隨氣體表觀流速的增大呈先降低而后增加的趨勢。

通過對實驗中的流動特性觀察發現，當氣體表觀流速較低時，大氣泡的比例隨氣體表觀流速的增大而增大。與小氣泡相比，大氣泡不僅比表面積小，而且上升速度快，在液相中的停留時間短。因此，氣體表觀流速的增加導致氣溶膠沉降效率降低。當氣體表觀流速超過一定值時，兩相流動表現為非均勻鼓泡狀態。隨氣體表觀流速的增大，含氣率增大，氣泡相互作用強度增強，如氣泡的聚并和破碎。此外，由于慣性沉積機制，界面振蕩的強度和氣泡內部流場的湍流度會增大，從而提高了氣相對氣溶膠的捕捉能力。因此，氣溶膠沉降效率出現了反向增加的變化規律。

圖5 液位對氣溶膠沉降效率的影響Fig.5 Influence of height on aerosol retention efficiency

圖6 表觀氣速對沉降效率的影響Fig.6 Effect of gas face velocity on efficiency

3 結論

1) 本文通過實驗在池式鼓泡條件下對亞微米級氣溶膠的沉降效率進行了測試，獲得了沉降效率隨液位、氣體表觀流速以及氣溶膠粒徑的變化規律，研究結果可用于模型驗證。

2) 淹沒深度對氣溶膠的沉降效率表現出正向的影響規律，即淹沒深度越大，氣溶膠沉降效率越高，但與低淹沒深度相比，當淹沒深度較高時提高液位對沉降效率的影響相對較小。

3) 氣體表觀流速對氣溶膠沉降效率的影響表現出區域效應，在0～0.13 m/s范圍內，氣體表觀流速的增加會減弱沉降效率，但當氣體表觀流速超過0.13 m/s時，沉降效率會出現增強的趨勢。這種轉變主要與氣泡動力學特性變化有關。