一种用于研究严重事故下地坑内沸腾气泡行为的实验装置及实验方法
阅读说明：本技术 一种用于研究严重事故下地坑内沸腾气泡行为的实验装置及实验方法 (Experimental device and experimental method for researching boiling bubble behavior in pit under serious accident ) 是由 谷海峰 尹威凯 周艳民 孙中宁 孙庆洋 虞想 阎昌琪 孟兆明 于 2020-04-09 设计创作，主要内容包括：本发明的目的在于提供一种用于研究严重事故下地坑内沸腾气泡行为的实验装置及实验方法,包括玻璃容器、冷凝水箱、配制水箱,玻璃容器的上端安装顶盖,玻璃容器的下端安装底座,顶盖通过第一管路连接冷凝水箱的顶部,玻璃容器下部通过第二管路连接冷凝水箱的底部,冷凝水箱的上部通过第三管路连接配制水箱的下部,玻璃容器外部缠绕电磁感应器的螺旋线圈,螺旋线圈之间留有用于拍摄的间隙,配置水箱里设置加热器和搅拌器。本发明可以直观模拟地坑中气溶胶的衰变热,便于深入研究地坑内沸腾气泡的行为。可以单独研究地坑内气溶胶的加热沸腾行为,也可以同时研究带有熔融物的地坑内的沸腾行为。(The invention aims to provide an experimental device and an experimental method for researching the behavior of boiling bubbles in a pit under a serious accident. The method can intuitively simulate the decay heat of the aerosol in the pit, and is convenient for deeply researching the behavior of the boiling bubbles in the pit. The heating boiling behavior of the aerosol in the pit can be studied independently, and the boiling behavior in the pit with the melt can also be studied simultaneously.)
技术领域
本发明涉及的是一种模拟实验装置及实验方法，具体地说是核事故后地坑内沸腾气泡的模拟实验装置及实验方法。
背景技术
在反应堆发生严重事故后，堆芯的燃料元件包壳会大面积失效，放射性核素将从一回路释放到安全壳。气溶胶是放射性核素的主要状态之一，会在安全壳内迁移和沉降。同时，由于专设安全设施投入使用(如：喷淋系统在安全壳内喷入冷却水)，大部分气溶胶会沉降下来汇入到安全壳的地坑中。地坑中悬浮的这些气溶胶颗粒会释放衰变热。在衰变热作用下，地坑内的水被不断加热至沸腾并产生沸腾气泡，气泡上升到液池表面发生破碎，这一过程会将地坑内的气溶胶重新夹带释放到安全壳的气体空间。虽然短时间内夹带量有限，但随着时间的积聚，所夹带出的放射性气溶胶将非常可观，因此气泡破碎造成的气溶胶夹带量计算对于安全壳内源项的评估显得十分重要。同时由于严重事故时堆芯熔毁，若堆芯熔化程度严重则熔化物可能落到压力容器的下封头，一旦不能有效冷却熔融物则压力容器完整性会被破坏，熔融物随之落入地坑。进入地坑的熔融物必然加热周围的水至沸腾产生气泡，且水中的气溶胶也会影响熔融物表面的沸腾气泡行为，进而使气泡破碎引起的夹带行为也受到影响。综上所述，地坑内气溶胶的再夹带过程与液池表面气泡破碎过程有关，而气泡破碎过程受沸腾气泡行为的影响(如：气泡尺寸和气泡上升速度)，因此研究地坑内沸腾气泡的行为具有重要意义。
由于地坑内存在大量的放射性气溶胶，气溶胶所释放出的衰变热将加热其周围的液体，使液体温度升高至沸腾产生气泡。若直接采用放射性气溶胶颗粒进行研究，无论从安全角度还是实验角度都不现实，所以有必要考虑其他方式模拟这一过程。目前常用的沸腾气泡行为研究装置都使用加热元件加热液体，这种方式只是在加热元件的表面对液体局部加热，液体受热并不均匀，而且沸腾气泡也只是在加热元件上生成，由于表面张力的影响，沸腾气泡具有明显的成核、长大和脱离过程，沸腾气泡行为受加热元件影响较大。而地坑内液体的沸腾是由放射性气溶胶颗粒的内热源加热所致，沸腾发生在放射性颗粒表面，且放射性颗粒均匀的分散在液池中，沸腾发生后气泡会在浮力的作用下自由上升，而不是依附在加热表面上长大后再脱离，这些特有的沸腾特点决定了地坑内的沸腾气泡行为无法用常规的加热元件表面沸腾气泡来模拟，因此现有这些方案存在较大的缺陷。想要实现对地坑内沸腾行为的研究，就需要一种能够实现内热源加热的实验装置。
经调研发现，有关内热源加热的实验装置主要有如下三种：1.采用加热元件加热的方式，如中国专利申请文本《用于模拟熔池内热源的加热系统》(公开日2018年1月16日，公开号CN107591214A，申请日2016年7月6日)。将加热元件埋在实验件内，此种方式具有更高的效率，而且功率控制相对容易。但是沸腾气泡仍然只是在加热元件表面产生，气溶胶的衰变热无法进行模拟。2.采用微波加热方式，如文献“Microwave heating device forinternal heating convection experiments,applied to Earth’s mantle dynamics”。主要原理是利用迅速变化的高频电磁场使极性分子(主要是水)不停转动进而摩擦生热。此种类型的加热方式可以使液体均匀发热，也具有成熟的技术(如：微波炉，)，但是这一过程并非颗粒物自身发热，与实际情况还存在一定的差距，因此不能用于气溶胶衰变热模拟。3.采用电磁加热方式，如中国专利申请文本《强内热源大尺寸小球球床通道熔盐强迫对流换热实验装置》(公开日2014年8月13日，公开号CN103983661 A，申请日2014年5月8日)。主要原理是利用电磁感应定律，通过外加交变电场使金属球产生涡流并发热。此种类型的加热方式是固体本身产生热量向外散发，可用于模拟球床发热，但是这些研究流动换热的实验装置，对于金属球的体积有一定要求，在沸腾时归根结底也是金属球表面产生气泡，因此这种类型实验装置也不能用于气溶胶的衰变热模拟。
发明内容
本发明的目的在于提供可实现对不同情况下地坑内沸腾状态的模拟、为表面气泡破碎的夹带量计算提供基础数据的一种用于研究严重事故下地坑内沸腾气泡行为的实验装置及实验方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种用于研究严重事故下地坑内沸腾气泡行为的实验装置，其特征是：包括玻璃容器、冷凝水箱、配制水箱，玻璃容器的上端安装顶盖，玻璃容器的下端安装底座，顶盖通过第一管路连接冷凝水箱的顶部，玻璃容器下部通过第二管路连接冷凝水箱的底部，冷凝水箱的上部通过第三管路连接配制水箱的下部，玻璃容器外部缠绕电磁感应器的螺旋线圈，螺旋线圈之间留有用于拍摄的间隙，配置水箱里设置加热器和搅拌器。
本发明一种用于研究严重事故下地坑内沸腾气泡行为的实验装置还可以包括：
1、玻璃容器下部设置第一疏水阀，冷凝水箱下部设置第二疏水阀，顶盖与冷凝水箱之间的第一管路上依次设置第一电磁阀、压力传感器、第二电磁阀，冷凝水箱顶部伸出真空泵管，真空泵管连接真空泵，真空泵管上安装第三电磁阀，第二管路上设置第四电磁阀，冷凝水箱与配制水箱之间的第三管路上依次设置第五电磁阀、水泵、第六电磁阀，配制水箱顶部设置注水阀，配制水箱底部设置第三疏水阀。
2、所述底座为非金属结构底座。
3、所述底座为金属结构底座，所述金属结构底座包括特氟龙底座、O型密封圈、金属圆盘、螺柱，金属圆盘和螺柱固定在一起，特氟龙底座内部设置内螺纹，螺柱通过其外螺纹与特氟龙底座的内螺纹连接在一起，特氟龙底座的顶部设置凹形台阶，金属圆盘位于特氟龙底座的凹形台阶之上，凹形台阶处加工圆形沟槽放置O型密封圈。
本发明一种用于研究严重事故下地坑内沸腾气泡行为的实验方法，其特征是：采用如权利要求1所述的一种用于研究严重事故下地坑内沸腾气泡行为的实验装置；
将配制水箱中注入定量的去离子水，打开加热器将去离子水加热至沸腾半小时，排除其中的不凝性气体，倒入磁性纳米颗粒悬浊液，打开搅拌器将磁性纳米颗粒悬浊液稀释，待混合均匀，首先打开第五阀门和第六阀门，然后打开第二电磁阀、第四电磁阀和第一电磁阀，待各阀门打开后开启水泵将悬浊液注入冷凝水箱，直至冷凝水箱液位升高至预定位置，关闭水泵、第五电磁阀、第六电磁阀和第一电磁阀，打开电磁感应器电源，磁性纳米颗粒产生热量使得石英玻璃容器内的悬浊液沸腾，随着蒸汽产生系统压力升高，打开第三电磁阀和真空泵抽出部分气体，待真空泵出口有蒸汽排出时关闭真空泵与第三电磁阀，调节冷凝水箱里冷凝盘管流量将冷凝水箱内的蒸汽冷凝，冷凝作用产生负压将蒸汽抽入冷凝水箱中，并回流至玻璃容器，最终维持系统压力和悬浊液浓度稳定；待系统达到稳定后使用摄影仪对玻璃容器的气泡行为进行拍摄记录，温度压力采集系统开始数据记录；实验结束时首先关闭电磁感应器的中高频电源，待温度降低至安全限值，关闭采集系统；打开第一疏水阀、第二疏水阀排出悬浊液，使用去离子水对各实验装置进行清洗。
本发明的优势在于：
1.可以直观模拟地坑中气溶胶的衰变热。利用磁性纳米颗粒的磁热效应，让磁性纳米颗粒直接发热对周围的水环境进行加热，这些释放出的热量会加热实验段至沸腾产生气泡，进而深入研究地坑内沸腾气泡的行为。
2.可以单独研究地坑内气溶胶的加热沸腾行为，也可以同时研究带有熔融物的地坑内的沸腾行为。实验底座设计如下两个：(1)非金属结构的底座，用以研究地坑内仅有气溶胶时液体沸腾的气泡行为。(2)金属结构的底座，用以研究气溶胶与熔融物同时存在时地坑内的沸腾气泡行为，还可以对这种结构在悬浊液中的换热行为进行分析。
3.实验时可维持气溶胶颗粒浓度不变。实验段直接与冷凝器相连，顶部相连管道有利于蒸汽流动，冷凝器冷凝作用产生的负压将实验段的蒸汽吸入，底部相连管道有利于冷凝器中的凝液回流进入实验段，以保证实验段内的悬浊液浓度不变。
4.实验可在规定压力下进行。由于实际安全壳内压力并非大气压，在实验时可以将装置调整至一定压力。实验时可以通过调整冷凝管流量与中高频电源以使得蒸发量与冷凝量相同以维持系统压力稳定。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2a为非金属结构底座的示意图，图2b为金属结构底座的示意图；
图3为螺柱、金属板示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3，本发明提供一种模拟事故后地坑内沸腾气泡行为的实验装置，该装置由主体沸腾实验段2、3、5、6、7、冷凝段12、13、14、15、16、17、溶液配制段19、20、21、22、23、24、25以及连接管道组成，管道相关部位设置有电磁阀9、11、26和压力传感器10，不同位置布置温度测点1、8、18并与采集系统相连，装置外部还设置有高速摄影4用于拍摄气泡行为。实验装置基本原理如下：沸腾实验段内溶有磁性纳米颗粒，颗粒物受到变化磁场的影响会产生热量对周围的水进行加热，水受热沸腾产生沸腾气泡，利用高速摄影对实验现象进行拍摄记录。同时为了研究熔融物落入地坑时液池的沸腾行为，采用表面处理成多孔结构的金属板模拟由下封头掉入地坑的熔融物，在变化磁场作用下颗粒物与熔融物同时发热加热液体至沸腾，然后对沸腾气泡现象进行拍摄记录。
沸腾实验段由可底座2、石英玻璃容器6、电磁感应器5和顶盖7组成。其中底座包含可以互相替换的非金属结构底座2a与金属结构底座2b。非金属结构底座2a由特氟龙直接加工而成。金属结构底座2b由特氟龙底座2b.1、O型橡胶圈2b.2、金属板2b.3和螺柱2b.4组成，金属板2b.3可由底部螺纹2b.4嵌入特氟龙底座2b.1中，螺纹用于密封。底座2、石英玻璃容器6和顶盖7依次由法兰连接，螺栓和垫片使用非金属材料避免电磁感应的影响。电磁感应器5的螺旋线圈绕在石英玻璃容器上6并由中高频电源供电，在布置时留有一定的间隙以便高速摄影4对沸腾气泡进行拍摄。沸腾实验段是整个实验装置的核心部分，主要通过中高频加热电源使得实验装置内产生变化的磁场，溶液中溶解有的磁性纳米颗粒在磁场作用下不断释放热量，这部分热量会持续将水加热沸腾产生气泡，这样采用内热源加热的方式研究地坑内沸腾气泡的行为。若要研究熔融物存在时地坑内的沸腾气泡情况，则沸腾实验段的非金属结构底座要更换为金属结构底座，容器底座嵌入的金属板表面为多孔结构，可用于模拟由压力容器下封头掉落进地坑的熔融物，变化的磁场会使金属板与颗粒物同时释放热量加热周围的水至沸腾，并通过一系列措施实现对地坑内沸腾气泡行为的观测。
冷凝段由真空泵13、冷凝水箱14、冷凝盘管15、阀门12、16、17以及相连管道组成。抽气阀12与真空泵相连13，实验初始时抽出其中的一部分气体，使蒸汽流入冷凝段。冷凝盘管15装在冷凝水箱14内，实验时冷凝盘管15内通入冷却水，对蒸汽冷凝并产生一定的负压，将实验段的蒸汽不断抽入冷凝水箱14中，冷凝水箱14底部与石英玻璃容器6相连所以凝液会不断回流到实验段，以保证实验段内悬浊液的浓度保持不变。
溶液配制水箱主要包括搅拌器20、水箱21、加热器22、水泵25和阀门19、23、24组成。加热器22安装在水箱21下部，在初始时刻加热去离子水至沸腾排除其中的不凝性气体。搅拌器20固定在水箱21顶盖上，在悬浊液配制时可将悬浊液搅拌均匀，在悬浊液配制完成后通过水泵25将悬浊液泵入冷凝水箱14中。
测量系统由高速摄影4、数据采集系统组成。高速摄影4用以拍摄气泡形态以及上升速度并将拍摄数据实时传输给计算机；数据采集系统包括温度信号采集1、8、18和压力信号10采集。温度主要设以下三个测点：1.底座金属板上，金属板2b.3底部预留测点用于监控实验时金属板的过热度，由于集肤效应存在可以直接采用K型热电偶1进行测量，并且通过金属板底部的预留通道引出。2.沸腾实验段内，沸腾实验段的温度使用光纤温度探头8测量，由于实验段处于强电磁环境，光纤温度探头可以完全排除电磁环境对温度测量的影响。3.配制水箱内，配制水箱21在沸腾排气过程中需要对温度进行监测。压力传感器10装在实验装置的管道的高处，实验时监测实验装置的压力，确保实验在所需压力下进行。
核心部件是装置的实验段，包括底座2、石英玻璃容器6和顶盖7，三部分使用法兰依次连接，为消除电磁感应的影响法兰连接时使用非金属螺栓与垫片。电磁感应器5的螺旋线圈绕制在石英玻璃容器6上，并留有间隙保证高速摄影4的拍摄。冷凝段14上部和下部的管道分别与顶盖7和石英玻璃容器6连接在一起，管道上装有电磁阀9、11和26以确保实验时阀门的开闭安全。悬浊液配制段通过管道与冷凝水箱14相连，管路上留有两个电磁阀17和24，在配制水箱出口管路安装一水泵(25)提供注入压头。采集系统将需要采集信号接入计算机。这样实验各部分跟连接成一整体。
模拟地坑中沸腾气泡行为的实验方法如下所述。1.实验准备阶段：将溶液配制水箱21中注入定量的去离子水，打开加热器22将去离子水加热至沸腾半小时，排除其中的不凝性气体。倒入配制好的高浓度磁性纳米颗粒悬浊液，打开搅拌器20将高浓度悬浊液稀释到低浓度，待悬浊液混合均匀，首先打开悬浊液配置水箱21与冷凝水箱14管道上的阀门17和24，然后打开冷凝水箱14与实验段2、3、5、6、7连接管道上的阀门11、26和排气阀9，待阀门打开后开启水泵25将悬浊液注入冷凝水箱14。直至冷凝水箱14液位升高至预定位置，关闭水泵25、阀门17、24和排气阀9。2.实验阶段：打开电磁感应器5电源，由于交变电场的作用，磁性纳米颗粒产生热量使得石英玻璃容器6内的悬浊液沸腾。随着蒸汽产生系统压力升高，此时打开冷凝水箱上的抽气阀12和真空泵13抽出一定的气体，待真空泵13出口有蒸汽排出时关闭泵与阀。调节冷凝盘管15流量将冷凝水箱14内的蒸汽冷凝，由于冷凝作用产生负压会将蒸汽源源不断抽入冷凝水箱14中，并由底部相连管道回流至石英玻璃容器6，最终维持系统压力和悬浊液浓度稳定。待系统达到稳定后使用高速摄影4对实验段的气泡行为进行拍摄记录，温度压力采集系统开始数据记录。3.实验结束：实验结束时首先关闭电磁感应器5的中高频电源，待温度降低至安全限值，关闭采集系统。打开疏水阀3、16排出悬浊液，使用去离子水对实验装置进行清洗。
如图1所示，沸腾实验段，由底座2、疏水阀3、电磁感应器5、石英玻璃容器6和顶盖7组成。底座2、石英玻璃容器6和顶盖7使用法兰依次连接，为消除电磁感应的影响法兰连接时使用非金属螺栓与垫片。如图2所示，底座包括可以互相替换的非金属结构底座2a与金属结构底座2b。金属结构底座2b包括特氟龙底座2b.1、O型密封圈2b.2金属圆盘2b.3与螺柱2b.4。金属圆盘2b.3与螺柱2b.4焊接在一起，螺柱2b.4外螺纹可与特氟龙底座2b.1的内螺纹配合，螺柱2b.4内部钻孔引出K型热电偶的导线，下端打磨成型以便安装时使用扳手旋紧。特氟龙底座2b.1的凹形台阶处加工圆形沟槽放置O型密封圈2b.2，安装时螺纹不断旋紧压紧密封圈2b.2保证实验装置密封。所述石英玻璃容器6整体为长方体两端有法兰结构分别与顶盖7和底座2相连，容器底端安装有疏水阀3实验结束后排水。所述顶盖7下端法兰结构与石英玻璃容器6相连，上端连接管道接到冷凝水箱14。电磁感应器5的螺旋线圈绕在石英玻璃容器6上，并留有一定缝隙用于实验拍摄，线圈接中高频电源。
如图1所示，冷凝段由冷凝水箱14、冷凝盘管15、阀门12、16、17、真空泵13以及连接管道组成。冷凝水箱14上下端通过管道分别与沸腾实验段上下端连接。冷凝盘管15接到冷凝水箱14中，实验时用于蒸汽冷凝。抽气阀12位于冷凝水箱14上部通过管道连接到真空泵13上，实验开始时可将蒸汽抽入冷凝水箱14内。冷凝水箱14侧面注水阀17通过管道与悬浊液配制段连接，底部疏水阀16起疏水作用。
如图1所示，悬浊液配制段由搅拌器20、配制水箱21、加热器22、水泵25以及阀门19、23、24组成。加热器22安装在配制水箱21底部，实验时可将去离子水加热至沸腾排出其中的不凝性气体。配制水箱顶上开孔安装有一注水阀19用于初始注水，底部开孔安装有一疏水阀23用于排水。搅拌器20固定在配制水箱21顶部，在悬浊液配制时可将悬浊液搅拌均匀，在悬浊液配制完成后通过水泵25将悬浊液泵入冷凝器中。
所述测量系统，由高速摄影4和采集系统组成。高速摄影4安装在沸腾实验段前，用以拍摄气泡行为并记录在计算机中以备后续处理，同时另一侧有固定光源用于拍摄过程补光。采集系统用以采集温度1、8、18与压力10信号，计算机实时记录温度压力。