池沸腾下朝向SA508钢表面临界热流密度特性试验研究

田道贵，胡 啸，陈 炼，常华健,2

(1.国核华清(北京)核电技术研发中心有限公司，北京 102209； 2.清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084)

在压水堆核电厂发生严重事故情况下，堆芯由于失去冷却而发生熔化，熔融物迁移至下封头，可能导致压力容器失效、安全壳完整性破坏等，产生放射性物质外泄的严重后果。将堆芯熔融物滞留在压力容器内，即熔融物堆内滞留(IVR)策略，是目前严重事故缓解的关键措施之一，近年来在核工业界获得了广泛的关注和应用[1]。反应堆压力容器外部冷却(ERVC)是实现IVR的重要方案，而压力容器下封头外壁面的临界热流密度(CHF)决定了ERVC冷却能力限值。针对压力容器外壁面的CHF特性，国内外已开展了大量的试验研究工作。在CHF验证试验方面，如ULPU系列试验[2]、SULTAN试验[3]、FIRM试验[4]等，针对特定的堆型，揭示了倾角、冷却介质、过冷度、流量、流道结构等相关RPV外壁面CHF的变化规律[2-6]，为IVR措施的工程验证提供了数据支撑。在CHF机理试验方面，研究者在加热面材料[7-8]、尺度[1]、表面结构[9]等方面开展了深入研究。Kam等[7]、Mei等[8]的研究表明，加热面材料会影响CHF，且易被氧化腐蚀的SA508钢表面CHF要高于铜和不锈钢等。然而，Mei等[8]所使用的加热面尺寸较小，忽略了尺度效应的影响。Zhang等[1]、Kam等[7]研究指出，加热面尺寸对CHF有重要影响，随尺寸增大尺度效应变小并消失。Zhong等[9]通过对加热面进行特殊处理并开展CHF试验，获得了多种可提高CHF的表面结构。此外，一些沸腾换热机理试验也揭示了多孔亲水介质、纳米材料等表面覆层能显著提高CHF[10]。

SA508钢由于其优异的力学强度、冲击韧性，成为大功率反应堆压力容器锻件的首选材料[11]。然而针对压力容器外壁面的CHF相关试验研究中，大部分所采用的加热表面材料为铜[1-2，5，9]。由于表面材料会影响CHF，因此这些试验难以实际反映真实情况。

鉴于压力容器SA508钢材料表面的CHF特性在大功率电厂IVR-ERVC策略的有效性评估中的重要性，本工作建立小型CHF试验装置，并采用SA508钢制作试验块加热面。以去离子水为冷却介质，开展池沸腾下朝向CHF试验，研究真实RPV表面材料在不同倾角和过冷度条件下的CHF特性，及其老化效应对CHF的影响，以期进一步积累与完善相关数据与规律。

1 试验装置

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test facility

小型CHF试验装置主要包括：试验本体、储水箱、水箱预热器等，如图1所示。水箱的尺寸为900 mm×900 mm×850 mm。试验本体通过支架固定在水箱上盖板下方，试验本体加热面朝下，整个试验本体浸没在水中。通过角度调节手轮调整试验本体加热面朝向(倾角为0°～90°，调节不确定度为±0.5°)。水箱底部安装有水箱预热器，加热功率为30 kW。试验前将水预热到设定温度，试验中维持水温不变。水箱上盖开孔，水箱内未被冷凝的蒸汽直接通向大气。

试验本体由加热体、试验块、加热棒、本体钢套、保温层等组成。加热体采用紫铜制作，直径为56 mm，沿轴向开有9个贯通孔，内插电加热棒(240 V/2 000 W，直径为9.22 mm)。加热棒通过直流电源模块供电，可提供输出功率稳定、可调控的热源。试验块为上宽下窄的圆柱凸台，总高为25 mm，主体材料同样为紫铜。试验块下部与外部冷却工质水接触的加热表面直径为56 mm，根据Zhang等[1]的研究结论，该尺寸的尺度效应基本消失。加热面通过爆炸焊方式焊接1层厚2.5 mm的SA508钢层，以模拟RPV真实表面。相比于银钎焊方法制作的铜-钢复合层[8]，本试验块的铜-钢复合层可承受更高的加热温度。在试验块内部距加热表面6 mm钻热电偶孔，布置热电偶以测量试验块近壁面的温度，监测CHF的发生。

试验块和加热体采用分体设计，通过双头螺栓和上、下法兰紧固在本体钢套内，如图2所示。加热体底面与试验块上表面紧密贴合，加热棒产生的热量通过加热体传给试验块。本体钢套外部是真空隔热层，实现试验本体与外部冷却工质之间的隔热，确保沸腾传热只在试验块的加热面进行。钢套上端与金属软管相连，金属软管内采用塑料软管引入压缩空气，对试验本体内加热棒冷端进行冷却。

图2 试验块和加热体装配示意图Fig.2 Assembly diagram of test block and heating body

小型CHF试验装置可直接测量获得的参数包括试验块温度、加热体温度、水箱温度、水箱液位、冷却空气进/出口温度、流量、压力、电源输出电流/电压等。试验过程中，相关测点的信号通过数据采集系统进行采集、转化，并在计算机中实时显示和存储，数据采集系统采样频率为2 Hz。所有温度通过K型铠装热电偶获得，其测量不确定度为±1 ℃。在试验本体内冷却空气的进/出口位置各设置1根热电偶测量进/出口气温；在冷却空气进气支路上设置浮子流量计，并在附近安装压力变送器，以获取进气流量和压力，流量测量的相对不确定度为±1.5%，压力测量的相对不确定度为±2.5%。此外，用于计算电源输出功率的电流与电压的测量相对不确定度为±1%，试验块加工精度为±0.2 mm。CHF的不确定度主要来源于直接测量参数的不确定度，具体包括电源输出的电流、电压，冷却空气的进/出口温度、流量、压力等。综合上述各参数的测量不确定度，CHF的相对不确定度在±5%以内。

2 试验方法与数据处理

图3 增加加热功率的过程Fig. 3 Process of increasing heating power

试验前基于经验针对具体试验工况设定一个基准功率，试验中分3个阶段进行功率加载。第1阶段，按25%给定基准功率的功率步长逐渐增加加热功率，直到功率增加到基准功率，即100%基准功率；第2阶段，按10%给定基准功率的功率步长加功率，直到试验块内温度出现小幅波动，幅度达1～10 ℃；第3阶段，按2%～5%给定基准功率的功率步长加功率，直到CHF发生。通过上述功率加载方案，可缩短单次试验时间，同时兼顾精确捕捉CHF发生点。图3示出典型增加加热功率的过程，一般单次CHF试验持续时间为60～90 min。

每次提升加热功率后要等试验块内温度基本稳定才进行下一个功率的调整。在第3阶段还要密切观察试验块内温度的变化，关注CHF的发生。一旦确认CHF发生，立即降低功率，以防试验本体温度过高。本试验中使用的CHF发生判定准则为：1) 试验块内温度短时大幅飞升，10 s内增幅达40 ℃，如图4a所示；2) 试验块内温度持续阶跃式飞升，温升超过飞升前稳态值50 ℃以上，如图4b所示。根据实际情况选定任一准则进行判断。

a——5 ℃过冷度；b——20 ℃过冷度图4 试验块近壁面温度的变化Fig.4 Near-surface temperature change in test block

试验中的相关参数数据列于表1。

表1 试验参数Table 1 Test parameter

本试验采用热平衡法进行CHF计算。根据热平衡原理，试验本体中通过试验块传给试验本体外部冷却介质的热量应等于试验本体中加热棒产生的热量减去加热棒冷端冷却空气带走的热量，即热平衡方程为：

Qe=Ph-Qcol

(1)

式中：Qe为通过试验块加热面向试验本体外部的冷却介质的传热量；Ph为加热棒的热功率；Qcol为加热棒冷端的冷却空气带走的热量。

根据热流密度定义，当加热面出现沸腾危机，则对应的CHF计算表达式为：

(2)

(3)

式中：qCHF为临界热流密度；S为加热表面的面积；Qe,CHF为CHF发生时，通过试验块加热面向试验本体外部的冷却介质的传热量；PDC为电源输出功率；Φwire为电缆线路热损失功率。鉴于CHF的上限和下限分别对应于当前CHF发生的加热功率和前一步加热功率，从保守角度出发，取CHF发生前一功率步对应的稳态数据计算CHF。

3 结果与讨论

3.1 SA508钢表面的CHF结果

针对SA508钢表面开展了从0°～84°等8个倾角的CHF试验，试验工质为去离子水，过冷度控制在5 ℃左右。通过试验，获得了不同倾角条件下的CHF，同时与其他不同材料表面的试验结果进行了对比，如图5所示。

SA508钢表面CHF随倾角增大而增加，这与其他试验结果所呈现的趋势相一致。然而，CHF在30°附近存在明显转折，转折角以下范围内的CHF随倾角增加趋势不明显，该现象在Sohag等[12]、Zhong等[9]的CHF增强试验中同样存在，而在CHF相对较低的试验中该现象不明显。根据试验结果并结合所观察到的试验现象推测，这可能与汽泡脱离尺寸有关。在低倾角位置，平行于加热面方向汽泡所受浮力的分力非常小，而垂直于加热面方向的浮力分力近似于浮力大小[13]，汽泡难以脱离加热面，往往积聚成大的汽泡，然后破裂并脱离。大汽泡的破裂脱离会冲击并搅动周边液体[14]，使液体更快速地进到并润湿加热面，在一定程度上延缓CHF的发生。在CHF相对较低的试验中，低倾角位置积聚形成的汽泡尺寸可能相对要小，汽泡破裂脱离时对周边液体的冲击力度较弱，延缓CHF发生的作用不明显。

图5 表面材料对CHF的影响Fig.5 Influence of surface material on CHF

Kam等[7]、Mei等[8]研究指出，相比铜和不锈钢材料的表面，SA508钢表面的CHF将显著提高。由图5可见，在同等条件下的不同倾角位置，相比Sohag等[12]的不锈钢表面和Zhong等[9]的铜表面CHF，本试验SA508钢表面的CHF高出约1倍。这一差别主要跟不同加热表面材料在去离子水中的氧化腐蚀行为有关[15]。图6示出试验前后SA508钢表面状态的对比。图7示出试验后SA508钢表面的SEM结果。SA508钢表面在去离子水中进行沸腾加热过程中，易被氧化腐蚀(图6b)，在表面产生黑色的Fe3O4氧化物，其作为一种磁性纳米颗粒，可极大地提高加热表面的亲水性，进而增大CHF限值。另一方面，大量的Fe3O4氧化物沉积成微米颗粒层，形成大量的孔穴通道(图7)，极利于表面吸水润湿，从而改善表面的润湿性能，并延后CHF的发生。此外，SA508钢表面CHF的增强可能与表面汽化核心密度的变化有关。虽然Theofanous等[16]研究认为表面老化会使汽化核心密度变大，导致CHF增大，但Wang等[15]研究指出表面的氧化会使汽化核心密度变小，但同样起到CHF的增强作用。

a——新鲜表面；b——被氧化腐蚀表面图6 试验前后SA508钢表面状态Fig.6 SA508 steel surface before and after test

图7 试验后SA508钢表面SEM结果Fig.7 SEM result of SA508 steel surface after test

3.2 过冷度对CHF的影响

图8 不同过冷度下的CHFFig.8 CHF for different sub-coolings

常压下针对SA508钢表面开展了加热面倾角为0°，2、5、10、20和30 ℃等5个不同过冷度的CHF试验，结果如图8所示。由图8可见，CHF随过冷度的增加而增加，且基本呈线性变化，这与前期采用SA508钢表面开展流动沸腾的CHF试验结果一致[6]。以5 ℃过冷度的CHF为基准，过冷度由5 ℃增加到30 ℃，CHF增加了25.5%；而过冷度由5 ℃降低到2 ℃，CHF只降低了1.5%，较CHF的测量不确定度还低。鉴于试验中5 ℃过冷度更易维持，且与饱和温度下的CHF相接近，因此非过冷度工况的过冷度都统一为5 ℃。

3.3 SA508钢的老化效应

碳钢表面随氧化腐蚀时间的延长或CHF试验次数的增多，CHF可能增大。其中，Lee等[17]的试验结论为SA508钢表面沸腾加热50 min，CHF将不再增加，即CHF趋于稳定；Wang等[15]试验发现需沸腾加热6 h CHF才能趋于稳定；Kam等[7]将SA508钢表面在饱和水中先直接加热1 h和浸泡不同时间再分别开展CHF试验，结果表明SA508钢表面的老化效应对CHF的影响可以忽略。

图9 SA508钢表面CHF稳定性测试结果Fig.9 Repeatability test for CHF result on SA508 steel surface

相比于Kam等[7]的试验中主要考虑SA508钢表面在饱和水中浸泡时间对老化的影响，本试验综合考虑直接加热时长和试验次数对SA508钢表面老化的影响，制定了3种不同的测试方案。3种测试方案分别为：1) 水预热到准饱和状态后，SA508钢表面恒功率沸腾加热2 h后开展CHF试验；2) 水预热到准饱和状态后，SA508钢表面恒功率沸腾加热4 h后开展CHF试验；3) 水预热到准饱和状态后直接开展CHF试验，且连续重复4次。不同测试方案的SA508钢表面在试验前均使用1 000目砂纸进行除锈抛光。图9示出3种不同测试方案所获得的CHF结果，并与Kam等[7]的结果进行对比。不同测试方案及重复试验CHF的相对偏差在±3%以内。其中CHF最高值为方案3的第1次试验，CHF为1 015.6 kW/m2，最低值为方案3第3次试验，为955.7 kW/m2。在去离子水中，SA508钢表面的氧化腐蚀速度非常快，在1 h内即可充分老化(本文中单次试验持续至少1 h)。因此可认为，在本试验中SA508钢表面的老化效应对CHF的影响可忽略不计，这与Kam等[7]的试验结论基本一致。而在Wang等[15]的试验中，需沸腾加热6 h CHF才能趋于稳定，这可能与水中溶解氧浓度有关，水中溶解氧浓度越低，氧化腐蚀速度越慢。Wang等[15]在试验前对去离子水进行除气处理，水中溶解氧浓度低，导致充分老化所需时间较长。

4 结论

基于小型CHF试验装置，以去离子水为试验工质，开展池沸腾下朝向CHF试验，研究真实RPV材料在不同倾角和过冷度条件下的CHF特性，及其老化效应对CHF的影响，主要结论如下。

1) 在去离子水中，SA508钢表面极易氧化生锈，其CHF较不易生锈的铜和不锈钢表面要高出1倍左右。

2) SA508钢表面CHF随倾角的增大而增加，但在30°附近存在明显的转折，转折角以下范围内的CHF随倾角增加趋势不明显，这可能与汽泡脱离尺寸有关，大汽泡的破裂脱离会冲击并搅动周边液体，使液体更快速地进到并润湿加热面，在一定程度上延缓CHF的发生。

3) CHF随过冷度的增加而增加，且基本呈线性变化。过冷度由5 ℃增加到30 ℃，CHF增加25.5%。

4) 在去离子水中，SA508钢表面在短时间内即可充分老化，其老化效应对CHF的影响可忽略不计。