基本介紹
- 中文名：反應堆熱工實驗內容
- 外文名：reactor thermohydraulic experiment
對反應堆冷卻劑系統中可能出現的各種熱工流體力學現象用實驗的方法進行檢測，以研究其內在規律和各參數之間定量關係的學科，是反應堆熱工學的一個重要方面。
不同類型反應堆的熱工流體力學特性相差甚遠，所開展的具體實驗項目有很大差別。世界上輕水反應堆發展得最成熟，所開展的有關實驗研究項目也最多。其研究發展中出現過兩個高潮，一是在70年代中期，以研究冷卻系統主管道大破口事故為主要背景；二是在1979年3月美國三里島核電廠事故之後的幾年，以研究冷卻劑系統的小破口事故為主要背景。近年來研究前沿為嚴重事故及先進堆的被動安全系統。這些研究工作促進了反應堆工藝的完善，推動了反應堆熱工理論和計算分析方法的發展，並豐富了汽-液兩相流動和傳熱等新興學科的內容。
按照其所起的作用不同，反應堆熱工實驗可分為四類：①基礎實驗；②分離效應實驗；③整體效應實驗；④機理性實驗。
基礎實驗 研究常見的基本流動和傳熱現象，其中包括摩擦阻力和局部阻力壓降、汽-液兩相流的流型及其轉變的機理、單相流和兩相流與固體表面之間的各種傳熱工況等等。在熱工分析中，基礎實驗得出的關係式可以作為基本關係式被引用。
分離效應實驗 系指對從複雜的熱工過程中分離出來的現象所進行的專項實驗研究，包括流體力學實驗和傳熱實驗等項研究。
重要的流體力學實驗研究項目有：①堆芯子通道間冷卻劑的交混：主要尋找交混的各種機理和相應的計算關係式，並驗證子通道分析程式。②兩相流的各種流動不穩定性：研究其機理，找出不穩定性邊界和消除不穩定性的方法。③高溫高壓流體的噴放力學：研究兩相流體從破口流出時的臨界流速、壓力波傳播和水錘效應等。④豎直和水平流道中的汽-液之間的逆向流動工況：研究兩相流體流量之間的制約關係和流動工況。⑤汽流在掠過液膜表面時對液滴的夾帶和去夾帶造成的液體質量的轉移。⑥蒸汽爆炸問題：研究高溫的熔融二氧化鈾與水相接觸，或者鈉-鉀與水相接觸時，發生激烈的化學反應所產生的衝擊波。⑦堆芯各平行通道之間的流量分配及流動特性等。
許多兩相流動問題都伴隨著傳熱傳質效應。為了便於實驗和簡化分析，常用雙組分的空氣-水代替單組分的蒸汽-水進行初步的兩相流實驗研究。這種實驗去掉了傳熱傳質的影響，著重觀測流動中的力學效應，比較容易找出規律。待得出結論後，再考慮傳熱傳質的影響和其他因素的綜合影響。雙組分流體的實驗往往在接近於常壓的系統中進行。這種實驗系統造價低廉、觀測方便，易於在短期內把實驗做得比較充分。
對壓水堆來說，重要的傳熱實驗研究項目有：①臨界熱流密度：儘管現成的臨界熱流密度關係式已經很多，但是由於該量與反應堆的安全性和經濟性關係極大，影響因素又多，所以對每一種新設計的燃料組件，都要進行專門的實驗。用實測出來的臨界熱流密度關係式作為設計的依據。②沸騰臨界後的傳熱：包括過渡沸騰、膜態沸騰、缺液區的傳熱等。這些工況主要出現在失水事故的後期。③堆芯失水後的再淹沒傳熱過程。
高溫氣冷堆的氣體強化傳熱問題、鈉冷快中子堆的鈉-鉀合金傳熱及其相關的工程技術問題，以及各種堆型燃料元件的導熱問題等也是重要的實驗課題。
整體效應實驗 系指對包含多種效應的熱工過程進行的全系統模擬實驗，用以觀測各種效應之間的相互影響和反饋關係，驗證、改進和完善描述該過程的電腦程式。整體效應實驗的典型例子有：反應堆一迴路自然循環實驗，反應堆冷卻劑系統的小破口和大破口事故實驗，堆芯再淹沒過程中液滴的夾帶和去夾帶過程的整體效應實驗。
(1)反應堆一迴路自然循環實驗：自然循環是一種重要的載出熱量的方式，也是反應堆冷卻劑強迫循環停止以後，把堆芯熱量傳到二迴路的主要途徑。在自然循環中包含的熱工流體力學現象有：堆芯傳熱和兩相流動、蒸汽發生器中冷凝傳熱和凝結水的回流、自然循環停滯和倒流，二迴路中的流體流動和傳熱工況對一迴路的影響等。此外，還應指出：自然循環實驗迴路中各部件的結構尺寸和相對標高一定要符合相似條件。
(2)反應堆冷卻劑系統的小破口和大破口事故實驗：這種實驗的規模很大。美國愛達荷(Adaho)國立工程實驗室的LOFA實驗迴路是典型的實驗裝置之一。該迴路的堆芯有1300根核燃料元件，總釋熱功率為55MW。堆芯高度1.68m，直徑0.6m。迴路中有反應堆壓力容器、冷卻劑循環水泵、冷段和熱段冷卻劑管道、蒸汽發生器等主要模擬設備，分完整環路和破裂環路兩部分。圖是LOFA實驗迴路的布置簡圖。德國、日本、法國等國也有規模相當大的類似實驗設施。
LOFT實驗裝置
LOFT實驗裝置(3)堆芯再淹沒過程中液滴的夾帶和去夾帶過程的整體效應實驗：這方面最典型的研究工作是美國、日本和德國三方從1985年開始進行的2D/3D聯合研究計畫。該項研究的主要目的是測量全尺寸上腔室的去夾帶量，其堆芯有2000個全長度的板狀燃料元件。
(4)嚴重事故實驗研究：在此領域，德國、日本和美國做了較多的工作。研究事故工況下燃料組件及堆內結構的失效行為，主要包括燃料及包殼的熔化，鋯水反應產生氫氣，蒸汽的產生及爆炸等；熔化燃料與壓力殼結構材料的反應及壓力殼的失效行為以及安全殼的失效行為，主要包括熔化燃料與混凝土結構的反應及混凝土結構的熔穿，堆內的裂變產物、氫氣、蒸汽以及其它不凝氣體在安全殼的流動及安全殼內壓力變化，氫氣、蒸汽爆炸，以及蒸汽在安全殼內冷凝及安全殼降溫降壓等。
(5)先進堆被動安全系統實驗研究：在此領域美國和日本做了較多的工作，研究下一代輕水堆非能動安全系統，如堆芯冷卻系統，餘熱排出系統，安全注入系統及重力注硼停堆系統的運行及安全特性。
機理性實驗 這類實驗的主要目的不在於尋找能在熱工水力分析中直接套用的關係式，而是為了尋求某一現象的內在機理。例如，研究汽泡在加熱表面上的生成、長大和躍離的過程，有助於解釋沸騰現象；研究汽泡在流道截面上的分布及其運動規律，有助於解釋兩相流流型的轉變和有關傳熱現象；研究兩相流體之間的界面特性，有助於描述兩相流體之間的傳熱傳質過程。隨著研究工作的深入，機理性實驗研究正在日益受到重視。
