鉬锝靶件輻照裝置堆外自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究

郝思佳,張培升,高永光,刁均輝,韓智杰

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所,北京 102413)

目前核行業(yè)發(fā)展日益強(qiáng)調(diào)自主化[1],鉬锝同位素廣泛應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,其需求量約占世界醫(yī)學(xué)同位素需求量的80%。在反應(yīng)堆中進(jìn)行輻照是鉬锝同位素生產(chǎn)的一種重要方法,全球主要由加拿大NUR、法國(guó)OSIRIS、荷蘭HFR、比利時(shí)BR2等反應(yīng)堆生產(chǎn)供應(yīng)[2-4],因此實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)鉬锝同位素自主化生產(chǎn)具有重要意義。而在鉬锝靶件入堆輻照研究前,應(yīng)先開展堆外傳熱實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證輻照裝置設(shè)計(jì)的合理性并獲取其傳熱特性,確保入堆后鉬锝靶件在輻照過程中不會(huì)危及靶件和反應(yīng)堆的安全。

20世紀(jì)70年代起,法國(guó)、日本、荷蘭、挪威等國(guó)家在其研究堆上開展了大量有關(guān)輻照裝置方面的研究。法國(guó)在OSIRIS研究堆上開發(fā)了TANOX輻照裝置[5],完成了大量先進(jìn)PWR燃料芯塊的篩選試驗(yàn)。日本在JMTR堆上也開發(fā)了多種其他類型輻照容器[6],用于燃料元件的加深燃耗考驗(yàn)及反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的輻照,如新型錒-氫燃料的輻照、BWR燃料加深燃耗考驗(yàn)。近年來,比利時(shí)的OMICO試驗(yàn)計(jì)劃[7],利用BR2研究堆上的高溫高壓輻照裝置,從2004年開始進(jìn)行MOX燃料堆內(nèi)輻照。荷蘭利用高通量研究堆研究了新型燃料的高燃耗輻照性能[8],并設(shè)計(jì)了隨堆輻照裝置。由此可見,合理的輻照裝置是堆上開展燃料及材料性能試驗(yàn)研究的基礎(chǔ),國(guó)外對(duì)于輻照裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用已較為成熟。

近年來,國(guó)內(nèi)針對(duì)輻照裝置的研究也逐漸興起。聶良兵等[9]設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償型高溫材料輻照考驗(yàn)裝置,提高了輻照考驗(yàn)裝置的耐高溫性能,并采用軟件對(duì)裝置主要技術(shù)要求進(jìn)行了分析;劉洋等[10]研制了具有溫度調(diào)節(jié)功能的套管型隨堆輻照考驗(yàn)裝置,但并未開展堆外安全性驗(yàn)證試驗(yàn);徐濤忠等[11]利用CFX對(duì)多層套管型燃料組件輻照裝置進(jìn)行了優(yōu)化分析,并將優(yōu)化后的裝置投入堆中進(jìn)行帶核試驗(yàn);中國(guó)原子能科學(xué)研究院[12-13]在CARR、游泳池研究堆上相繼開展了一系列輻照研究,為國(guó)內(nèi)核動(dòng)力發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn);徐西安等[14-15]利用開發(fā)的輻照裝置對(duì)幾種先進(jìn)燃料組件進(jìn)行了堆外水力驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得出了堆內(nèi)壓降下實(shí)驗(yàn)件表面流速滿足要求的結(jié)論,證明了堆內(nèi)實(shí)驗(yàn)的安全可靠性。總體來說,目前對(duì)于輻照裝置的研究主要集中于功能設(shè)計(jì)和計(jì)算驗(yàn)證,堆內(nèi)輻照裝置多為強(qiáng)制冷卻環(huán)境,且多采用仿真法進(jìn)行安全性分析。

綜上所述,目前已有的關(guān)于堆內(nèi)輻照的大部分研究其孔道不具備強(qiáng)制冷卻條件,針對(duì)自然冷卻輻照考驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)研究開展較少;其次,專門針對(duì)輻照裝置的堆外驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究開展較少,在入堆輻照前如能開展必要的堆外傳熱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,將為輻照裝置的安全評(píng)審和后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供重要的技術(shù)支持。本文針對(duì)自主設(shè)計(jì)的自然冷卻鉬锝靶件輻照裝置,設(shè)計(jì)堆外傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,開展鉬锝靶件輻照裝置堆外傳熱驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),獲得自然冷卻條件下輻照裝置與靶件的傳熱特性,為靶件的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和入堆輻照提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

利用堆外傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)架開展實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)臺(tái)架包括實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及相關(guān)管道閥門等。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的主要設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1,其中散熱套筒是用于配合實(shí)際靶件尺寸的空心圓柱形鋁制套筒,內(nèi)部固定電加熱元件用于模擬實(shí)際靶件芯體。為便于描述,將含有電加熱元件的散熱套筒Ⅰ簡(jiǎn)稱為細(xì)棒,將含有電加熱元件的散熱套筒Ⅱ簡(jiǎn)稱為粗棒。

表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要參數(shù)Table 1 Main parameter of experimental bench

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括兩套實(shí)驗(yàn)裝置:裝置1和裝置2。裝置1為有內(nèi)導(dǎo)流管的靶件傳熱驗(yàn)證裝置,裝置2為無內(nèi)導(dǎo)流管的靶件傳熱驗(yàn)證裝置。

裝置1(圖1a)主要包括3部分:堆內(nèi)水溫模擬流道、自然循環(huán)流道、實(shí)驗(yàn)本體。堆內(nèi)水溫模擬流道位于外筒體與工藝管之間,此流道用于模擬堆內(nèi)輻照條件下的水溫;自然循環(huán)流道位于工藝管內(nèi)部,工藝管與導(dǎo)流管均吊裝于筒體上方,導(dǎo)流管外部為自然循環(huán)下降段,導(dǎo)流管內(nèi)部為自然循環(huán)上升段,流體自下降段上方流經(jīng)模擬考驗(yàn)件,冷卻后經(jīng)通孔流入自然循環(huán)上升段,最終經(jīng)過流通孔返回下降段上方,形成循環(huán);實(shí)驗(yàn)本體包括電加熱元件、散熱套筒,采用電加熱元件模擬靶件的核發(fā)熱功率,使用熱電偶測(cè)量部件表面溫度和內(nèi)部溫度,通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Diagram of experimental device

裝置2(圖1b)主要包括3部分:堆內(nèi)水溫模擬流道、自然對(duì)流流道、實(shí)驗(yàn)本體。堆內(nèi)水溫模擬流道位于外筒體與工藝管之間,此流道可模擬堆內(nèi)輻照條件下的水溫;自然對(duì)流流道流體受外部堆內(nèi)水溫模擬流道冷卻;輻照靶件模擬件的熱量通過導(dǎo)熱與自然對(duì)流傳遞給外側(cè)流體。

需要說明的是,真實(shí)工況下孔道屬于自然冷卻,并無泵驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制冷卻,本文加入水泵是為了模擬堆內(nèi)相對(duì)平均的冷卻水環(huán)境,開啟水泵保持低功率運(yùn)轉(zhuǎn),防止水環(huán)境出現(xiàn)熱分層現(xiàn)象。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)接口板和10副鎧裝熱電偶組成,其中6副熱電偶用于測(cè)量水箱及工藝管內(nèi)部水溫,4副熱電偶用于測(cè)量加熱壁面溫度。實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)電加熱元件的電壓,逐漸提升其功率,觀測(cè)加熱段表面溫度的變化,同時(shí)觀測(cè)水溫的變化。如果散熱套筒外表面溫度超過100 ℃,則降低功率;如果水溫超過50 ℃,則停止加熱。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)堆內(nèi)物理計(jì)算確定靶件輻照功率,堆內(nèi)輻照裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)列于表2。

表2 堆內(nèi)靶件的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameter of target

為模擬堆內(nèi)最大熱流密度,設(shè)計(jì)了堆外裝置,其實(shí)驗(yàn)參數(shù)列于表3。

表3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 3 Test parameter of test bench

1.3 實(shí)驗(yàn)不確定度

本實(shí)驗(yàn)中的直接測(cè)量參數(shù)為溫度、電壓、電流,間接測(cè)量參數(shù)為功率。實(shí)驗(yàn)前測(cè)量了不同溫度下10副鎧裝熱電偶的溫度分布,用以確定熱電偶測(cè)溫的精確程度。圖2為45 ℃工況附近熱電偶的溫度分布及其與平均值的偏差,可見溫度分布范圍為44.8～47.2 ℃,最大值與最小值相差2.4 ℃,取10副熱電偶溫度平均值(45.98 ℃)作為基準(zhǔn),計(jì)算每個(gè)熱電偶測(cè)量數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的偏差,發(fā)現(xiàn)最大偏差為1.22 ℃,對(duì)應(yīng)的測(cè)量相對(duì)不確定度為2.65%。

圖2 熱電偶溫度偏差Fig.2 Thermocouple temperature deviation

電壓、電流對(duì)應(yīng)的測(cè)量相對(duì)不確定度為0.5%。電加熱功率通過測(cè)量電加熱元件的電壓和電流間接獲得,根據(jù)式(1)所示誤差傳遞公式可得到功率測(cè)量的相對(duì)不確定度為0.68%。

(1)

其中:R為間接測(cè)量量;x1,x2,…,xn為直接測(cè)量量。

2 結(jié)果分析

2.1 模擬堆內(nèi)最大熱功率裝置安全性驗(yàn)證

調(diào)節(jié)電加熱元件達(dá)到最大熱功率,獲取測(cè)溫點(diǎn)溫度分布。細(xì)棒最大加熱功率下的測(cè)量結(jié)果和粗棒額定功率下的測(cè)量結(jié)果列于表4。表4中,“雙套筒”代表布置內(nèi)導(dǎo)流管(裝置1),“單套筒”代表不布置內(nèi)導(dǎo)流管(裝置2)。

根據(jù)穩(wěn)定功率下的水溫測(cè)試結(jié)果,靠近加熱壁面的2副水溫?zé)犭娕嫉臏囟戎甘局礣f1和Tf2存在較大差距,這是由于熱電偶布置于不同高度,Tf1對(duì)應(yīng)的熱電偶測(cè)點(diǎn)較高,Tf2對(duì)應(yīng)的熱電偶測(cè)點(diǎn)較低。說明在自然對(duì)流傳熱工況下位于不同高度的流體具有明顯的溫差,這一溫差也是自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力。水箱外層2副熱電偶的溫度指示值T∞1和T∞2相差不大,表明在潛水泵的攪混下,測(cè)量系統(tǒng)(水箱)內(nèi)的水溫較均勻,可以模擬堆上流體環(huán)境溫度。

圖3為最大功率下的自然對(duì)流傳熱測(cè)量結(jié)果,其中細(xì)棒對(duì)應(yīng)的是堆內(nèi)額定熱流密度的1.2倍(68.9 kW/m2,加熱功率623 W)、粗棒對(duì)應(yīng)的是堆內(nèi)額定熱流密度的1.1倍(63.2 kW/m2,加熱功率1 237 W)。在最高水溫45 ℃下,加熱棒壁面的溫度測(cè)量最大值均小于106 ℃,測(cè)量結(jié)果低于堆內(nèi)水壓0.15 MPa條件下水的沸點(diǎn)(111.35 ℃)。該結(jié)果證明了該輻照裝置的安全性。

2.2 變功率測(cè)溫結(jié)果

實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)電加熱元件的電壓,逐漸提升加熱棒的功率,觀測(cè)加熱段表面溫度的變化,同時(shí)觀測(cè)水溫的變化。

根據(jù)圓柱導(dǎo)熱公式(式(2))計(jì)算元件外表面與加熱棒外表面溫差:細(xì)棒在加熱功率為623 W時(shí),二者之間的溫差約為1.2 ℃;粗棒在加熱功率為1 237 W時(shí),二者之間的溫差約為5.9 ℃。需要說明的是,由于加熱棒與鋁制套管之間需要焊接熱電偶,因此二者不可能完全緊密貼合,之間水隙的存在會(huì)一定程度上造成Ts與Tw的測(cè)量溫差增加。

(2)

其中:φ為加熱功率,W;Ro為外徑,m;Ri為內(nèi)徑,m;l為元件長(zhǎng)度,m;λ為熱導(dǎo)率,W/(m·℃);Δt為溫差,℃。

實(shí)驗(yàn)獲取了5種加熱功率下熱平衡后的溫度分布。圖4為外部水環(huán)境溫度在40 ℃附近時(shí),不同加熱功率下散熱套筒表面溫度(Ts)和加熱棒表面溫度(Tw)的分布規(guī)律。欠熱沸騰點(diǎn)可通過Ts超過100 ℃且表面快速產(chǎn)生并消失小氣泡的現(xiàn)象來判斷。此外,目標(biāo)研究堆壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度是110 ℃,若Tw低于110 ℃,說明裝置在堆內(nèi)不會(huì)發(fā)生欠熱沸騰。

圖4 外部水溫約40 ℃時(shí)溫度隨功率的分布Fig.4 Temperature distribution with heating power at external water temperature of about 40 ℃

隨著加熱功率的升高,元件表面溫度與加熱棒溫度升高,在外界水環(huán)境溫度40 ℃條件下,細(xì)棒的加熱功率達(dá)到約800 W(超過額定熱流密度的1.2倍)時(shí),開始出現(xiàn)欠熱沸騰;粗棒的加熱功率達(dá)到1 200 W(約為額定熱流密度)時(shí),開始出現(xiàn)欠熱沸騰,但由于1 300 W功率(額定熱流密度的1.1倍)范圍內(nèi)Tw均低于110 ℃,說明在堆內(nèi)不會(huì)發(fā)生欠熱沸騰,證明了裝置的安全性。

2.3 恒熱流密度測(cè)溫結(jié)果

通過調(diào)節(jié)電加熱元件的電壓使其達(dá)到最大熱功率,從冷態(tài)開始持續(xù)加熱,獲取測(cè)溫點(diǎn)溫度的變化規(guī)律。

圖5為最大熱功率加熱下外部水環(huán)境溫度T∞、散熱套筒表面溫度Ts與加熱棒溫度Tw隨時(shí)間的變化。由圖5可見,T∞范圍控制在20～50 ℃之間,細(xì)棒的最大Ts約為90 ℃,粗棒的最大Ts雖已達(dá)到100 ℃,但根據(jù)堆內(nèi)實(shí)際情況下水的沸點(diǎn)(111.35 ℃)來判斷,仍不存在欠熱沸騰。

圖5 最大熱功率加熱溫度分布Fig.5 Temperature distribution under maximum thermal power heating

圖6為最大熱功率加熱時(shí),Ts、Tw與T∞的溫差隨時(shí)間的變化。隨著加熱時(shí)間的增加,外部水環(huán)境溫度逐漸升高,而溫差逐漸減小。隨著水溫從20 ℃升高至47 ℃,細(xì)棒表面溫度與水溫的溫差從60 ℃減小至45 ℃,粗棒表面溫度與水溫的溫差從70 ℃減小至55 ℃。說明外部水溫在一定范圍內(nèi)的不斷升高,有利于自然循環(huán)換熱能力的增強(qiáng)。瑞利數(shù)Ra是描述自然對(duì)流換熱能力的無量綱參數(shù)(式(3)),表示密度差異和流體黏度對(duì)自然對(duì)流換熱能力的影響。

圖6 最大熱功率下加熱溫差分布Fig.6 Temperature difference distribution under maximum thermal power heating

(3)

其中:g為重力加速度,m/s2;β為流體的體積膨脹系數(shù),1/K;Δt為流體的溫度差,K;L為流體的特征長(zhǎng)度,m;ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s;α為流體的熱傳導(dǎo)系數(shù),m2/s。

根據(jù)式(3)可知,環(huán)境溫度升高,流體的黏度隨之降低,從而使流體的阻力降低,流體的流動(dòng)性增加,換熱能力增加。

此外,不能僅通過溫差來比較自然循環(huán)的傳熱能力,需要從多角度考慮溫差對(duì)流體的影響,即當(dāng)外部水溫在一定范圍內(nèi)升高時(shí),液體溫度差相應(yīng)減小,會(huì)削弱對(duì)流;但從微觀來看,隨著溫度的升高,水分子熱運(yùn)動(dòng)速度的增加會(huì)一定程度上抵消水密度的減小,從而保持自然對(duì)流的強(qiáng)度;從宏觀來看,溫度升高會(huì)產(chǎn)生更多的渦結(jié)構(gòu),這將增加流體的攪混程度和熱量的傳遞效率,從而使傳熱能力相應(yīng)增強(qiáng)。

綜合考慮黏度與溫差的共同影響,外部水溫在一定范圍內(nèi)的不斷升高,有利于自然循環(huán)換熱能力的增強(qiáng)。

2.4 無內(nèi)套筒測(cè)溫結(jié)果

將內(nèi)導(dǎo)流管去掉后開展實(shí)驗(yàn),其余條件不變,通過調(diào)節(jié)電加熱元件的電壓,逐漸提升加熱元件的功率,觀測(cè)加熱段表面溫度的變化,同時(shí)觀測(cè)水溫的變化。

圖7為無內(nèi)導(dǎo)流管下散熱套筒表面溫度Ts和加熱棒溫度Tw隨加熱功率的變化。隨著加熱功率的升高,元件表面溫度與加熱棒溫度升高,在外界水環(huán)境溫度40 ℃條件下,細(xì)棒的加熱功率達(dá)到約600 W(約為額定熱流密度的1.15倍)時(shí),開始出現(xiàn)欠熱沸騰;粗棒的加熱功率達(dá)到約1 050 W(低于額定熱流密度)時(shí),開始出現(xiàn)欠熱沸騰。

圖7 無內(nèi)導(dǎo)流管時(shí)溫度隨功率的分布Fig.7 Temperature distribution with power without guide tube

為進(jìn)一步對(duì)比有無內(nèi)導(dǎo)流管對(duì)傳熱的影響,比較了有無內(nèi)導(dǎo)流管時(shí)粗棒與細(xì)棒的傳熱能力,如圖8所示。可看出,在環(huán)境溫度基本相同的條件下,相同熱流密度時(shí),有內(nèi)導(dǎo)流管元件的表面溫度較無內(nèi)導(dǎo)流管元件的低,說明導(dǎo)流管的存在加強(qiáng)了流體對(duì)輻照裝置的冷卻能力。

圖8 有無導(dǎo)流管時(shí)細(xì)棒與粗棒的傳熱能力比較Fig.8 Comparison of heat transfer capacities of thin rod and thick rod with/without guide tube

具體來說,內(nèi)導(dǎo)流管雖增加了形阻,但內(nèi)導(dǎo)流管可通過改善液體或氣體的流動(dòng)路徑,引導(dǎo)流體流向目標(biāo)區(qū)域,減少了阻力和不穩(wěn)定的波動(dòng),有效促進(jìn)熱量傳遞和質(zhì)量傳遞,從而提高自然循環(huán)的效率;設(shè)置導(dǎo)流管還可消除回流現(xiàn)象,保證循環(huán)的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性。當(dāng)不布置內(nèi)導(dǎo)流管時(shí),流體僅靠自然對(duì)流進(jìn)行散熱,流體微團(tuán)之間相互作用較復(fù)雜,導(dǎo)致傳熱能力略差。

3 結(jié)論

本文針對(duì)自主設(shè)計(jì)的鉬锝靶件輻照裝置開展了堆外傳熱實(shí)驗(yàn)研究,獲得了自然冷卻條件下輻照裝置的傳熱特性。分析表明:堆外實(shí)驗(yàn)的功率涵蓋了堆內(nèi)實(shí)際情況的最大熱流密度(額定功率的1.2倍),在此功率范圍內(nèi),不會(huì)發(fā)生欠熱沸騰,證明了所設(shè)計(jì)輻照裝置的安全性;輻照裝置內(nèi)導(dǎo)流管的設(shè)計(jì),可使欠熱沸騰點(diǎn)推遲到原熱功率1.1倍時(shí)出現(xiàn),提高了裝置的自然循環(huán)能力,使靶件得到更充分的冷卻;環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)的不斷升高,有利于自然對(duì)流換熱能力的增強(qiáng)。