高温钠热管在熔盐堆事故工况下的运行特性研究

高温钠热管在熔盐堆事故工况下的运行特性研究

新概念的熔盐堆是国际能源事务委员会提出的六种先进能源系统中唯一的液体核糖堆。它在安全、经济、资源和环境方面具有显著的创造性和竞争力。目前,国际上已对新概念熔盐堆堆芯开展了广泛研究,但对熔盐堆事故条件下余热导出的研究甚少。在国外,美国橡树岭国家实验室于20世纪70年代对熔盐堆非能动余热排出系统提出了许多概念设计,但由于当时科技以及资金的限制于1975年停止了对熔盐堆的研究。在我国,新型熔盐堆非能动余热排出系统的概念设计还处于起步阶段,中国科学院上海应用物理研究所近年来启动了“钍基熔盐堆核能系统”项目,旨在5年内建成2MW(t)实验堆。钠热管是一种高效的传热装置,由于它具有超常的热传导能力,且几乎无热损,因此常被称为热的超导体。目前,以美国为首的西方发达国家均已成功将高温钠热管应用到工业高温热能回收、新能源开发利用等高技术领域。近年来,由于对高温钠热管包壳材料的研究越发成熟,已研发出与熔盐相容性非常好的哈氏合金包壳而不影响钠热管的性能。因此,将高温钠热管应用于熔盐堆非能动余热排出系统具有重要意义。本工作从基本质量、动量和能量守恒方程出发,采用有限元方法,对新概念熔盐堆非能动余热排出系统中的高温钠热管进行瞬态特性研究,这对我国早日建成新概念熔盐堆具有重要意义。1熔盐堆事故原理图1为新概念熔盐堆非能动余热排出系统设计示意图。系统主要由反应堆容器、冷冻阀、卸料箱、高温钠热管和排热烟囱组成。当熔盐堆发生事故时,反应堆容器中的燃料盐温度迅速上升使冷冻阀熔断,燃料盐依靠重力快速下泄到卸料箱中。高温钠热管迅速启动将燃料盐的余热释放到排热烟囱内,最终通过空气的自然循环将热量释放到环境中。熔盐堆事故包括:1)一回路系统大破口;2)失流事故;3)冷冻阀意外熔断;4)主泵机械失效;5)主回路泄漏。根据ORNL4541报告,在熔盐堆发生以上事故状态下,卸料箱中燃料盐的余热主要包括两方面:一是燃料盐的显热约占52.4%,二是裂变产物的衰变热,如放射性气体Kr、Xe,重金属Nb、Rh,其总的余热约为53MW,占系统总热功率的2.6%。据此,我国拟建成的2MW(t)新概念熔盐实验堆,其事故工况下燃料的衰变余热约为52kW。由于衰变余热随时间的变化率(以d计算)要远大于钠热管从启动到稳态所需的时间(以s计算),且卸料箱中的热源是均匀分布的,因此,钠热管蒸发段可视为常热流边界条件,热流密度为0.96×105W/m2。表1列出单根钠热管的结构尺寸及运行参数。2钠热管启动模拟根据钠热管的结构和工作状态,建立钠热管的物理模型,其简化模型示于图2。图2中,Qin为蒸发段热流密度,Qout为冷凝段热流密度,x、y分别为笛卡尔坐标,yw、yws、yg分别为管壁、吸液芯和蒸汽区到轴线的距离。模型中包含钠热管管壁、吸液芯及蒸汽区域3部分。针对钠热管启动过程中的物理特性,作如下假设:1)忽略卸料箱壁厚,因此钠热管绝热段长度为0;2)蒸汽流动为亚音速流动且为可压缩;3)气液流动均为层流流动;4)热物性只随温度变化;5)启动限制只考虑音速极限;6)假设蒸汽流动为一维流动。2.1热管温度及管口温度分布热量通过钠热管管壁的传入和传出以纯导热的方式完成,相应的控制方程为:式中:Cw为管壁的体积热容;Tw为管壁温度;Kw为管壁热导系数;t为时间;x为横坐标;y为纵坐标。2.2吸液芯中na流动的控制方程根据文献的研究,由于液态金属的导热系数很高,液态金属流动所导致的温差非常小。因此,可使用纯导热模型来模拟吸液芯饱和液相的传热。吸液芯中Na流动的控制方程为:式中:Ceff为有效体积热容。由于吸液芯同时存在液态Na和固态材料,所以其体积热容和导热系数必须进行加权平均。根据Chi的公式可得:式中:下标l代表液相,s表示固相;ε为吸液芯孔隙率;C为体积热容。由于钠热管的启动温度为20℃,低于Na的熔点,因此应考虑钠的相变,根据文献的研究结果,可采用热焓法模拟相变过程。2.3交界面运行条件根据文献对可压缩蒸汽流动的研究结果并考虑到蒸汽流动中的液滴夹带,其蒸汽密度ρ、干度Xq、速度v、压力p和温度T的微分方程组如下:式中:V为轴向截面平均速度;F、Mf和Ef分别为摩擦系数、动量系数和能量系数,其值可根据文献的研究结果确定;υ、υg、υf分别为流体比容、饱和气体比容和饱和液体比容;hfg为蒸发潜热;M为相对分子质量;Ru为统一气体常数;D为蒸汽区宽度;ue57fm0为交界面蒸发或冷凝率;h0、h分别为交界面处和整个蒸汽区域的焓;v0为交界面气体吸入速度;cp为气体比定压热容。2.4钠热管气液交界面边界条件钠热管初始处于环境温度下,初始条件为:钠热管两端的端部为绝热的无滑移边界条件,表达如下:式中:l为热管总长;vg为气体速度。钠热管管壁与吸液芯交界处:钠热管气液交界面处,它的温度假定为当地的饱和温度。钠热管启动过程中,蒸汽流动形式随温度而变化,因此,不同时刻处钠热管交界面的边界条件也随之改变。1)当蒸汽流动处于分子流动时,气液交界面为绝热边界条件:2)当蒸汽流动处于连续流动时,气液交界面的蒸发率为:钠热管外壁面热量输入和输出边界条件由下式表示:式中:h为对流换热系数;下标∞表示环境;σ为黑体辐射常数;ε为钠热管外表面黑度。3气液耦合阶常微分控制方程本工作利用有限元方法,通过FORTRAN编程求解壁面和吸液芯区域的二维热传导问题。蒸汽流动问题采用吉尔(Gear)算法求解一阶常微分控制方程组,并在气液交界面处耦合。具体方法如下。1)网格划分采用简单的单向三角网格,如图3所示。2)时间离散采用Dupont显式离散方法,式(1)、(2)离散后可化为统一形式:式中:K为导热系数矩阵;C为体积比容矩阵;Δt为时间步长;T为温度矩阵;F为源项矩阵。3)离散的控制方程采用Chlesky分解法直接求解,避免迭代。4)采用Newton迭代法求解物性方程。4结果和分析4.1am排放系统热管启动实验为验证模型的准确性,利用本工作的热管数学模型模拟Camarda的热管启动实验并与其实验数据进行对比,结果示于图4。从图4可看出,热管蒸发段出口处壁面温度与实验数据吻合较好,其最大相对偏差为10.6%。4.2钠热管达到准稳态阶段图5示出钠热管在不同时刻气液交界面处的轴向温度分布。由图5可看出,在起初120s内,蒸发段的温度迅速上升,同时,由于吸液芯的有效导热系数Keff很大,导致蒸发段的轴向温差非常小,接近于等温。而在冷凝段,一方面此时蒸汽温度还未达到转变温度700K,因此蒸汽还处于分子流动状态,其密度、压力非常小,所以与吸液芯的换热量非常小,从而导致大部分热量用来加热蒸汽,仅有一小部分加热冷凝段;另一方面,由于冷凝段与周围空气的换热系数较大,导致从蒸发段导入的热量大部分由空气带走,最终使冷凝段的温度基本保持在初始温度(293K)。在120s时,蒸发段的温度已达到700K,这说明蒸发段的蒸汽已从自由分子流态进入连续流动流态,蒸汽与吸液芯通过气化潜热进行热量交换,可见,在120~260s范围内,蒸汽连续流动区域逐渐从蒸发段向全管道过渡,由于气液交界面的热量交换以潜热的方式进行,从而导致冷凝段的温度迅速上升,最终在260s时,钠热管内蒸汽全部达到连续流动状态。260s后,钠热管进入准稳态阶段,此时温度的上升主要是因为热量输入输出不平衡,最终在400s时,钠热管稳定运行,运行温度为994.35K。图6示出钠热管蒸汽平均温度随时间的变化。由图6可看出,蒸汽在120s时达到连续流动状态。起初,蒸汽温度上升迅速,这是由于大部分导入的热量用于加热蒸发段的蒸汽,使得蒸汽与吸液芯之间温差加大,从而增强了气液交界面处的换热。在200~265s范围内,蒸汽温度上升缓慢,这主要由以下两方面原因造成:1)由于连续流动的前锋开始向冷凝段转移,从而大部分热量用于加热冷凝段处的蒸汽,导致温度上升缓慢;2)此时钠热管的轴向最大换热量受音速极限限制,热量只能以有限的速率进行传递,从而导致温度上升缓慢。265s后,钠热管内蒸汽全部达到连续流动状态,钠热管进入准稳态阶段,最终在400s时达到稳定。图7示出钠热管稳态运行时,不同位置处的温度分布。由图7可看出,钠热管气液交界面处的温度分布几乎为等温,最大温差为0.2K,这是由于钠热管在稳态运行时,工质的运行温度很高,导致其压力、温度、密度沿轴向的变化很小,交界面处的换热主要以潜热方式为主,所造成的温差非常小。而钠热管外管壁处及管壁与吸液芯交界面处的温差相对很大,分别为57.6K和7.8K,这是由于钠热管管壁及吸液芯的热阻所造成,热阻越小,温差越小,从图7中可明显看出,吸液芯的热阻比管壁的热阻小。图8示出钠热管气液交界面和外壁面处的三维温度分布。起初,外壁面处的温度上升速率高于气液交界面处,这是由于外部热量直接加载于外壁面处,而只有一部分热量最终达到气液交界面处,从而导致两者温度的上升速率不同。钠热管达到准稳态阶段时,外壁面冷凝段的温度低于气液交界面冷凝段的,这主要是由吸液芯和管壁的热阻造成的。但总体来说,两处的温度上升趋势大致相同。图9示出蒸汽在286s和356s时压力、速度、温度和密度的轴向变化。由图9a可见,286s时,钠热管内蒸汽全部达到连续流动状态,蒸汽具有明显的可压缩性,计算可得其最大马赫数Ma为0.266。在蒸发段,蒸汽的压力、密度和温度随轴向长度的增加而迅速降低,而速度是升高的,压力与速度的关系符合伯努利关系式。蒸汽速度在蒸发段出口处达到最大(173m/s),这主要是由于不断导入的热量所致。随后,蒸汽的速度在冷凝段迅速下降,在端部速度为零。而蒸汽的压力并未随速度的降低而升高,这是因为蒸汽与吸液芯之间有较大的摩擦损失,从而蒸汽的压力、密度和温度在冷凝段均随轴向长度的增加而降低,但降低的速率很慢。由图9b可见,钠热管在接近于稳态运行过程中,其蒸汽的可压缩性不再那么明显,最大马赫数Ma为0.059。蒸汽的轴向最大速度为41m/s,蒸汽沿轴向的最大温差为1.1K,而图9a中蒸汽的温差为15.1K。另外,蒸汽压力及密度沿轴向的落差也非常小,分别为146Pa和0.00047kg/m3。这主要是由于钠热管在接近稳态运行时运行温度可达920K,这时蒸汽的压力非常大,导致轴向速度变小,可压缩性可忽略不计。5钠热管启动计算模型从本工作的数值计算结果可得出以下结论。1)熔盐堆事故条件下,钠热管从启动到稳态过程中运行状态良好,启动迅速,能不断地将燃料盐的衰变余热导出,具有较高的安全性和经济性。2)此计算模型能较好