熔融物碎裂试验项目简介

1、一、熔融物碎裂试验项目简介尽管钠冷快堆的安全性极高， 发生严重事故的概率极低， 但也必须充分考量并制定其发生严重事故时的应对措施， 尤其当堆芯熔融物与冷却剂钠发生相互作用时导致堆芯熔融物的碎裂， 二者间的传热面积增加导致堆芯冷却剂气化比例提高，引入正反应性，加重严重事故的后果；此外，堆芯熔融物在冷却剂钠中的碎裂行为决定了堆芯熔融物在反应主容器下部形成碎片床的形态以及能否实现堆芯熔融物堆内滞留的目标。我国正在自主开发钠冷快堆严重事故分析程序， 用于钠冷快堆设计方案的安全评估和可靠性验证。 由于熔融物在冷却剂中的碎裂现象的重要性， 并且现有的实验数据不完善， 缺乏必要的实验参数， 因此需要开展熔融

2、物碎裂特性实验， 为我国钠冷快堆严重事故分析程序的开发提供支撑， 建立标准例题， 验证钠冷快堆严重事故分析程序，评估此程序对堆芯熔融物在冷却剂中碎裂行为的模拟能力。整个试验项目的研究内容可分为低熔点金属实验、 高熔点金属实验、 金属氧化物实验以及金属与氧化物混合实验四部分， 其中高熔点金属实验、 金属氧化物实验以及金属与氧化物混合实验又分为初始温度实验（熔融物和冷却剂） 、熔融物初始质量实验、钠池初始深度实验以及熔融物射流实验四大部分。表 1 列出了在熔融物碎裂实验项目所需要完成的试验内容。表 1 熔融物碎裂试验内容列表试验类别主要试验内容低熔点金属实验开展 12 组液态低熔点金属在液态金属钠

3、中的碎裂实验，熟悉和掌握实验技术的操作规程，验证实验技术的可行性和安全性；模拟堆芯燃料包壳（不锈钢）熔化后在冷却剂钠中的碎裂特性，高熔点金属实验包含初始温度、 初始质量、 射流直径以及钠池深度， 研究上述因素与碎裂特性关联性；模拟堆芯燃料 （氧化燃料） 熔化后在冷却剂钠中的碎裂特性，包金属氧化物实验含初始温度、 初始质量、 射流直径以及钠池深度， 研究上述因素与碎裂特性关联性；模拟堆芯材料燃料（不锈钢包壳+氧化燃料）熔化后在冷却剂钠中的碎裂特性， 包含初始温度、 初始质量、 射流直径以及钠池深金属与氧化物混合实验度，研究上述因素与碎裂特性关联性，在不同比例混合条件下，探索混合物碎裂特性与高熔点

4、金属和金属氧化物在冷却剂中单一碎裂特性的有关性；综合以上试验的试验数据为钠冷快堆严重事故分析程序的开发和验证提供数据支撑，验证程序中模型的正确性。 为完成该项目的全部实验内容， 满足全部实验要求，既能熔化高熔点金属和金属氧化物使其与液态金属钠相互作用， 又能实现液态金属钠的储存、输送、过滤和沉淀，需要对实验设备和材料进行采购。由于该实验的冷却剂采用金属钠， 实验温度较高， 必须严格保证实验设备和管道连接的密封性， 采用加强法兰连接和焊接方式； 每组实验工况需要对实验容器进行打开， 取出实验产物， 因此需要安装吊装提升机构； 金属钠及其氧化物具有一定的腐蚀特性，所有涉钠容器及管道均需采用 316

5、L 不锈钢材质；在实验过程中采用不同容器的压差和重力实现液态金属钠在管道和容器间的流动； 每次实验完成后采用过滤装置对液态金属钠进行过滤净化， 保证液态金属钠的纯度； 由于涉及金属钠，故本实验采用氩气提供惰性环境，并提供实验过程所需的压差；此外，液态金属钠的回流依靠重力完成， 钠流通管道均安装成具有倾斜角度， 保证排钠操作后管道及反应容器内全部排净。由于金属钠在常温下为固态， 所有钠流通管道及储存容器外壁面均需要布置加热及保温装置， 储钠罐和沉淀罐中横向安装多层加热棒； 钠流通管道及阀门需要布置有热电偶， 对其温度进行监测， 避免钠凝固堵塞； 储存钠的容器中采用压差方式实现液态金属钠的注入，

6、因而对其压力和液位进行监视； 实验过程中需要对反应容器内液体空间和气体空间内压力的变化进行采集， 利用耐高温的高频动态压力传感器进行采集； 高温熔融物落入液态金属钠后， 液态金属钠的温度分布会发生较大的变化， 利用多层布置的四点式热电偶进行测量。 对金属及金属氧化物进行加热熔化环节， 由于加热温度极高， 采用电磁感应加热炉对物质进行加热熔化，由于金属氧化物无法采用电磁感应方式直接加热， 间接通过高纯度石墨坩埚实现，熔液由石墨坩埚内部嵌套的氧化锆坩埚进行容纳， 避免石墨坩埚对物料的杂质污染。熔化后的熔融物需要注入到下部液态金属钠中， 需要在坩埚底部打孔并匹配陶瓷塞， 陶瓷塞连接这具有一定高度的释

7、放杆 （陶瓷塞连接陶瓷杆， 陶瓷杆连接不锈钢杆），释放杆顶部焊接具有一定厚度和面积的不锈钢盘，通过电磁铁通电和断电的方式， 实现对不锈钢盘的提高与降落， 从而实验坩埚底孔的开通与关闭；高温熔融物在液态钠中碎裂后产生的碎片颗粒， 在取出后不可避免的会凝结有残留金属钠，利用酒精和水进行残留金属钠的清洗。图 1 是初步规划的熔融物碎裂特性实验设备和实验管道连接示意图。图 1 熔融物碎裂特性实验设备和实验管道连接示意图如图所示，不同实验设备由不锈钢管道进行连接， 根据功能的不同， 在管道上布置有气阀、钠阀及安全阀等装置，实验系统为轴向高度安装，储钠罐、废钠罐及其相互连接的管路和过滤装置位于底部， 实现

8、金属钠的储存和过滤。 反应容器为实验的核心部件， 分布上中下三层空间， 下部空间为液态金属钠的储存和与高温熔化物的反应场所； 中部空间为加热熔炉所在地； 上部空间为电磁铁安装位置。此外，与加热系统配套的油冷回路实现对电磁线圈的冷却。 三个容器均与氩气回路及真空泵相连，实现实验设备和管道的氩气保护功能。二、实验设备技术要求及参数2.1 储钠罐容器本项目采用金属钠作为冷却剂进行实验， 需要金属钠的储存容器， 且实验完成后的液态金属钠含有杂质， 需要对其进行过滤和净化， 过滤和净化后的金属钠再次灌装到储钠罐中，需要两个相同的储钠罐。储钠罐的储存介质为金属钠，其设计压力为 1.0MPa，设计温度为 3

9、50，材质选用 316L 不锈钢，壁厚为 10mm，内径为 DN600mm，轴向直管段长度为400mm，两端封头根据国标要求进行设计，内壁面剖光。储钠罐底部焊接基座， 便于放置和保温； 顶部焊接有吊耳，便于吊装和移动；在轴向 305mm 和 505mm 的高度上周向分别均匀分布三个预留的外螺纹焊接管，焊接管内部呈梯形结构，在安装电加热棒时起到密封的效果。顶部封头上预留 6 个外螺纹焊接管， 中心焊接管为金属钠的进出口， 向外为周向均匀分布的三个热电偶插入口，最外边分别为氩气的连接口和液位探针的插入口。储钠罐上所有需要的打孔和焊接外螺纹接管， 均需要在储钠罐主体焊接之前完成，避免在储钠罐内部残留

10、铁削等杂质， 并且外螺纹的焊接需要内外两端进行密封焊接。2.2 氩气缓冲罐在本实验中，需要通过氩气提供惰性气体环境，由于购买的氩气瓶初始内压为 10MPa，需要采用减压阀和氩气缓冲罐对氩气进行降压稳压后方可利用。氩气缓冲罐的设计压力为 1.5MPa，设计温度为常温， 储存介质为氩气， 材质选用 304 不锈钢，氩气入口和出口采用法兰或与氩气管路焊接方式连接， 排污口、压力表接口以及安全阀接口采用 DN15 的法兰进行与相关设备的连接， 氩气缓冲罐底部焊接支撑腿。2.3 中频电磁感应熔炉70kW 自动控制型中频感应设备中冷却系统采用 5P 油冷压缩机驱动的油冷回路，熔炼用的电磁感应线圈直径 30

11、cm，高度 30cm，并采用打结料密封。电磁感应线圈安装在反应容器内部， 供电系统和冷却系统位于外部空间， 因此，供电线缆和冷却回路通过法兰与反应容器连接，确保贯穿的密封性。70kW 自动控制型中频感应设备，其型号及主要技术参数如下：型 号GP-70AB输入电压三相 380V 50-60Hz最大振荡功率70KW输出振荡频率2080KHz加热电流10A110A保温电流10A110A加热时间0.1 99.9 秒保温时间0.1 99.9 秒负载持续率100%外形尺寸主机： 600×270×550分机： 550×270×420耦合级数2 级主分机缆线长度2 米（

12、可订制最长6 米）其中：负载持续率： 100%，功率元件，整流模块和谐振电容需采用国内外知名品牌，如（功率元件采用采用德国西门子进口 IGBT模块 400A/1200V，整流模块采 用采用 日本 富士1600V/400A，谐振 电容采 用台 湾 AV 电容器公 司的H.01-2000V 等），其他配置元件和设备均需要具备质量保证和用户单位高度认可的公司生产。与中频感应熔炼炉相配套的装置还包括氧化镁或氧化锆坩埚， 高纯度石墨坩埚，其中熔炼不锈钢的最大量为 10kg，氧化锆坩埚内径 120mm，高 250mm，呈倒锥形结构，石墨坩埚外径约为 180mm，内部车加工为氧化锆坩埚形状，能够与氧化锆坩埚

13、紧密贴合，坩埚底部打孔（便于熔化物流净）并连接长约 30cm 内径 1020mm 的漏斗形陶瓷管进行导流，底孔采用陶瓷塞子进行配套堵塞，不锈钢熔化后达到一定温度， 通过对电磁铁通电将连接陶瓷塞子的杆进行提升， 钢水通过陶瓷管进行导流，其结构如图 4 所示。氧化锆坩埚（ 1）、石墨坩埚（ 2）及电磁线圈（ 7）以及倒锥形漏斗（ 8）和陶瓷导流管（ 11）通过镁砂打结在一起，整个熔炉由底部的支撑架（ 9）进行支撑，并通过轴向活动卡槽（ 10）与反应容器内壁面焊接的螺栓进行固定连接。镁砂打结体（ 6）的顶部安装陶瓷盖，减少电磁加热的散热了，提高加热效率。图 4 中频感应熔炼结构示意图其中陶瓷导流管及

14、锥形漏斗的结构如图 5 所示。图 5 陶瓷导流管及锥形漏斗结构示意图再者熔炉坩埚的底部开孔， 用于释放熔化后的物质， 底孔的开通与关闭通过陶瓷塞（ 12）和陶瓷提升杆（ 3）构成的提升机构完成。提升机构的结构如图6所示，底部为陶瓷塞， 与坩埚底孔配合控制熔融物的释放， 并连接一段耐高温的陶瓷杆，其上连接不锈钢结构， 二者通过横线固定螺栓进行连接。 不锈钢结构包括隔热作用，固定作用以及贴合作用， 隔热作用的凸盘贯穿反应容器中间部分上顶面，固定作用通过弹簧与反应容器的壁面实现， 从而将陶瓷塞与坩埚底孔紧密贴合，防止泄漏，贴合作用是通过电磁铁与不锈钢凸盘的磁场作用， 控制提升机构的提升和下降，从而控

15、制熔融物的滞留和释放。通电式电磁铁，提升重量不低于10kg，与被吸物体间隙为10mm 左右，可耐受 600的高温，通过遥控开关进行控制，其结构如图7 所示。图 6 提升机构的结构示意图图 7 通电式电磁铁示意图2.4 NI 数据采集系统本实验中需要对温度，压力等信号进行数据采集， 由于采用 PCB压力传感器，采样频率高达 200kS/s，并且需要采集系统提供激励电压，至少需要配置 2 通道的同步高频数据采集；此外，需要对熔融物的速度进行测量，输出信号为± 5V 的压力信号，故选用 NI 数据采集系统的 PXIe-4464的模块对压力进行高频采集；此外，储钠罐、回钠罐、反应容器及流钠管

16、道和阀门上的温度需要进行测量和监测，温度信号需要选用 2 个 32 通道的温度采集模块， 包括 1 个 32 通道的热电偶信号专用采集模块 PXIe-4353，1 个 32 通道的高频低精度的热电偶信号采集模块；机箱及控制选用中低端配置。2.5 压力传感器本实验中需要对熔融物与液态金属钠相互作用过程中的压力进行测量，由于此过程属于瞬态过程，并且液态金属钠的温度为 350450左右，且属于微妙 毫秒量级，因此需要耐高温的高频瞬态压力传感器对反应容器中的液态金属钠及上部氩气空间的压力进行测量，压力传感器的采样频率不低于 200kS/s，使用温度不低于 300，压力传感器膜片采用不锈钢材质， 并配置

17、相关的信号调理模块，便于数据采集系统识别和采集。通过调研和查询，本实验中采用 PCB品牌的 112A05 型号的压力传感器，采样频率高于 200kS/s，最高使用温度为 315，膜片及壳体采用不锈钢材质，此外配备信号放大模块及相关的信号传输线缆。2.6 高精度压力表及真空压力表实验过程中， 需要对储钠罐、 回钠罐、氩气缓冲罐及泄压罐中的压力进行监测，避免内部压力过高或过低， 由于不需要对此压力进行采集和记录， 故选用高精度大表盘的压力表和真空表进行内部压力的显示即可， 本实验中选用西安仪表厂生产的量程为 01.5MPa 的不锈钢压力表。2.7 真空泵金属钠与空气和水发生强烈的化学反应，需要对实

18、验系统内残留空气进行去除，包括抽真空，充氩气等操作。真空泵选用双级直联旋片 FX-32真空泵，额定抽气速率不低于 32L/min，极限压力 6X10-1 （pa）。2.8 手动调压器由于本实验设计液态金属钠的加热和保温， 需要安装大量的加热棒和加热丝等需要进行功率调节的电气设备， 选用带电压数字显示的手动调压器对加热棒和加热丝的功率进行调节和控制， 4 个 10kVA 和 6 个 15kVA 的调压器。2.9 配电柜及控制柜本实验需要的电气设备包括中频电磁感应加热系统，调压器及数据采集系统等仪器设备，需要根据现有配电柜进行改造并添加配电柜和控制柜，以满足实验要求。其中，将三相及两相设备用电隔开

19、，三相用电功率不低于150kVA，两相用电设备单独设置控制柜，用于调压器用电控制，其中控制通道不低于12，采用远程式进行控制， 每个调压器分别由单个控制开关控制。配电柜及控制柜内部元器件选用合资以上厂商制作，并满足国家相关安全标准。三、实验材料技术规格及要求3.1 加热棒储钠罐和回钠罐的轴向高度上各布置两层电加热棒， 每层均匀分布 3 根，共 12 根单端电加热棒，外加 4 根备用加热棒；其功率为 1kW，直径 20mm，总长500mm，插入深度 230mm，引线长度为 1m，外包壳材质选用 316L 不锈钢。3.2 加热丝储钠罐、回钠罐、反应容器及流钠管道和阀门处需要缠绕加热丝， 控制金属钠

20、的温度。储钠罐、回钠罐及反应容器上采用 5m/ 根的铠装加热丝，直径 2mm，功率 2kW，共 20 根；流钠管道及阀门由于其管径较小，采用 3m/ 根的铠装加热丝，直径 2mm，功率 1kW，共 10 根。3.3 热电偶四点式铠装热电偶在对反应容器内液态金属钠进行温度变化测量时，采用四点式热电偶进行测量，热电偶直径 6mm，插入深度为 120mm，90mm，60mm 和 30mm，保护管材质选用 316L 不锈钢，热电偶测量液态金属钠温度，温度低于700，采用固定卡套连接方式，补偿导线长度5m，需要 10 组。单点式铠装热电偶储钠罐和回钠罐中金属钠的温度需要进行测量和监测，由储钠罐和回钠罐顶

21、部封头进行插入，热电偶直径2mm，插入深度 150mm， 300mm 和 425mm 各 5根，保护管材质选用 316L 不锈钢，采用固定卡套连接方式，补偿导线长度 5m；此外，直径 2mm，插入深度 300mm，保护管材质选用 316L 不锈钢，补偿导线长度 5m 的热电偶 25 根；直径 3mm 的热电偶 15 根。钨铼热电偶采用中频电磁感应加热炉对不锈钢等物料进行熔化时，需要测量熔液的温度，最高温度达 1800，由于普通热电偶无法达到测量要求，故选用钨铼热电偶进行钢水等熔液温度的测量， 一般采用铠装的钨铼热电偶外部额外添加刚玉保护套管的方式，其插入深度为 800mm，固定卡套方式连接，数

22、量为 2 根。3.4 液位探针储钠罐和回钠罐中液态金属钠的液位需要实时进行监测，避免过高由氩气孔溢出以及防止过低将底部沉淀的杂质引入实验系统中，需要自制液态金属钠液位探针对内部液位进行监测。液位探针的材质选用316L 不锈钢，卡套连接密封，对内部 5 个不同高度上的液位采用红绿指示灯进行显示，需要10 根探针， 10 个指示灯及调试开关。3.5 电缆系统里中频电磁感应熔炉功率 70kw,加热丝，加热棒所有用电设备一起用电功率达到了 50KW，系统合计使用功率 120KW。动力线缆，并柜母线排，及部分控制线，屏蔽信号线，热电偶温度补偿导线。3.6 管道阀门及台架钢材系统金属钠主管道采用优质316L 不锈钢管，配材质证明文件。型号为30*5 ，气体管道为