矩形窄縫通道受熱表面污垢沉積實驗研究

程 成段鐘弟許 巍劉曉晶唐文勇

1（上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院上海200240）2（上海交通大學核科學與工程學院上海200240）

板狀燃料元件傳熱性能好，可以大幅提高堆芯功率體積比［1］，在各類新型反應堆中具有廣闊應用前景。板狀燃料元件間隙一般為1～3 mm［2］，是一種典型的矩形窄縫通道。相比于棒束燃料，板狀燃料組件相鄰的子通道之間沒有冷卻劑的交混，異物滯留于通道中引起流動阻力的增大，甚至可能引發堵流事故。因此保障矩形窄縫通道流動換熱的安全性，對反應堆的設計與安全評估至關重要。

當冷卻劑工質中引入雜質并沉積在燃料元件表面時，燃料元件之間的流道面臨傳熱惡化和堵塞等風險，一旦堆內熱量無法導出，堆芯熔毀引發核安全事故。在大破口失水事故（Loss of Coolant Accident，LOCA）工況下，安全殼內的保溫材料、結構材料和涂漆在噴淋液和冷卻劑的沖刷浸泡下破碎或被腐蝕溶解，長期冷卻階段下其中大部分不可溶纖維碎片和顆粒物通過冷卻劑回流被運輸到地坑濾網處形成堆積，堵塞濾網造成壓損，被稱為“上游效應”；另一部分可溶雜質隨冷卻劑工質進入一回路，由于溫度、壓力和化學條件的變化，導致一些化學產物析出，在燃料元件表面形成污垢沉積，造成傳熱惡化甚至流道堵塞，被稱為“下游效應”［3］，如圖1所示。這兩類效應的評估直接關系到核反應堆的安全設計，20世紀90年代，核電界先后發生了三次較嚴重的碎片堵塞應急堆芯……