喷淋雾滴中径对喷淋冷却效果影响的试验研究

王芳

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233）

1 背景

乏燃料池冷却系统是核电站的重要辅助系统之一，其主要功能是在各类工况下移除乏燃料池中的衰变热。AP1000核电厂为乏燃料水池设置了喷淋冷却系统，在极端事件导致乏池水排空、乏燃料裸露等情况下，通过喷淋冷却水的方式带走乏燃料衰变热，防止乏燃料组件由于高温而损坏。日本福岛事件之后，乏燃料的安全贮存受到广泛关注。喷淋冷却的现象复杂，影响因素众多，难以通过模拟计算得到可信的结果，因此需要对喷淋冷却的影响因素开展敏感性试验研究。针对燃料棒位置，燃料棒高度，喷淋流量，喷淋位置，喷淋角度，喷嘴选型、性能、数量、布置方式等关键因素影响，前期已开展了一系列的调研工作和喷淋冷态试验研究。喷嘴作为喷淋子系统的重要组成部分，其选型对喷淋冷却效果具有较大的影响。本文基于喷淋冷却中的喷嘴敏感性的热态试验，着重研究分析喷淋雾滴中径对加热棒束的喷淋冷却效果的影响，为核电站中乏燃料喷淋系统的设计提供支持和依据。

2 试验介绍

图1为乏燃料棒束喷淋试验系统图，本试验由净水系统、试验段、数据采集系统、控温系统以及相应喷淋管道和阀门组成。试验中分别选用不同雾滴中径的多个喷嘴进行试验。

图2为试验段的结构图。本试验以第三代压水堆AP1000核电厂乏燃料组件为原型，选取真实17×17燃料组件中局部5×5燃料棒束进行试验，电加热棒是按照核电厂燃料棒1：1设计、制造，其总长度、发热段长度以及直径都与真实乏燃料棒相同。加热棒采用间接加热方式，以此模拟核电厂乏燃料组件衰变热功率。本试验选用的测温元件为热电偶，如图3与4所示，实验分别在6根加热棒的内部沿不同高度填埋6个热电偶，用于采集不同位置的燃料棒包壳温度信号，并以每根棒的最高温度作为该棒冷却效果的评价标准。

图1 试验系统图

图2 试验段

图3 带有热电偶燃料棒位置

图4 加热棒轴向热电偶分布

3 试验及结果分析

在喷淋冷却过程中，喷淋雾滴中径是影响冷却效果的重要因素之一。喷淋冷却乏燃料时希望更多的水滴到达燃料组件，尽量减少在空气中的耗散。喷淋雾滴中径太小会导致耗散在空气中的水量增加，雾滴中径太大会影响喷洒在燃料组件上的液滴的均匀性，降低冷却效果。在前期的喷淋冷态试验阶段，已通过一系列的调研工作，得知雾滴中径范围在800～1400微米左右，对乏燃料喷淋冷却效果比较理想。因此，本文选取了该范围内的多种雾滴中径的喷嘴分别进行试验研究。

3.1 试验条件

本试验选取单棒加热功率280W，喷淋水温25℃，加热棒初始壁温25℃，最高温度限值500℃的工况，采用相同的喷淋流量密度 3．876（m3/h）/m2，分别针 对 不 同 雾 滴 中 径（750～850μm，850～950μm，950～1050μm，1300～1400μm，）的喷嘴进行试验，观察喷淋雾滴中径对乏燃料棒束冷却效果的影响。由于试验设备条件的原因，难以保证每组试验的喷淋流量密度完全一致，本试验中喷淋流量密度允许±5%偏差。

3.2 试验结果

选取试验结果中最关键的数据即最热加热棒的温度数值，并绘制曲线如图5、图6、图7、图8。

图5 最热棒温度变化（750～850μm）

图6 最热棒温度变化（850～950μm）

图7 最热棒温度变化（950～1050μm）

图8 最热棒温度变化（1300～1400μm）

由图8可得，采用雾滴中径750～850μm喷嘴，棒束最终稳定温度为485℃；采用雾滴中径850～950μm喷嘴，棒束最终稳定温度为438℃；采用雾滴中径950～1050μm喷嘴，棒束最终稳定温度为493℃；采用雾滴中径1300～1400μm喷嘴，棒束最终稳定温度为484℃。

3.3 试验结果分析

不同的喷淋雾滴中径试验工况汇总如表1所示。本试验中喷淋流量密度误差均控制在允许的±5%范围内。

图9所示为四种雾滴中径试验棒束最高稳定温度的对比曲线。根据不同雾滴中径试验工况的最终稳定温度，绘制出温度随雾滴中径变化的冷却效果曲线，如图10所示。根据上述比对图，可以看到雾滴中径为 750～850μm、950～1050μm、1300～1400μm 范围内的三种喷嘴冷却效果大致相同，而雾滴中径在850～950μm范围内的喷嘴冷却效果较好，棒束稳定温度较其他三个喷嘴低约50℃。可定性分析，得出在相同加热功率和喷淋流量密度下，雾滴中径的改变对加热棒束的冷却效果有一定的影响。

图9 喷淋雾滴中径对冷却效果的影响

表1 喷淋雾滴中径试验工况数据汇总

图10 不同雾滴中径冷却效果曲线图

表2定量地列出了不同雾滴中径对加热棒束的冷却效果，以雾滴中径为950～1050μm的喷嘴为参考，雾滴中径为850～950μm工况的稳定温差比达到-11．1%，冷却效果相对于其他雾滴中径喷嘴较好。

表2 喷淋雾滴中径试验工况最高温度对比表

4 结语

本文通过喷淋冷却中的雾滴中径敏感性试验研究得出，在喷淋流量密度相同情况下，喷淋雾滴中径的变化对加热棒束的冷却效果有一定的影响。通过本试验，可得出雾滴中径为850～950μm的喷嘴冷却效果较好。该结论可为乏燃料池喷淋冷却系统中喷嘴的选型和布置设计提供支持和依据。工程设计中可着重考虑喷淋雾滴中径的影响，推荐选用雾滴中径为850～900μm的喷嘴进行设计。考虑到试验装置与实际的乏燃料组件有区别，即本试验装置加热棒束上部没有设置上管座，喷淋水直接喷射到加热棒束顶端，而实际情况下乏燃料组件上方设有上管座，对喷淋水进行分流，在这种情况下雾滴中径对加热棒束冷却效果的影响将会削弱。工程设计中，应结合上管座的分流影响，综合考虑喷嘴的选型。

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