[发明专利]一种提升压力容器外部临界热流密度的方法

说明书

本发明公开了一种提升压力容器外部临界热流密度的方法，解决了现有技术解决无法通过简单有效的手段实现核反应堆严重事故下堆芯熔融物滞留的问题。本发明包括：在堆芯出口温度高于事故临界值时，将氧化铝纳米流体注入到压力容器外部的流道中。本发明通过使用氧化铝纳米流体，基于纳米微粒沉积形成的覆盖层会影响接触角和毛细现象的原理，有效提升核反应堆严重事故下压力容器外部临界热流密度。

技术领域

本发明涉及核安全领域，具体涉及一种提升压力容器外部临界热流密度的方法。

背景技术

压水型核反应堆在发生堆芯熔化的严重事故时，堆芯材料熔化，最后会在压力容器下封头内形成高温的堆芯熔融物，其热量会持续向压力容器壁传递，如果外部没有足够的带热手段，则压力容器壁将会失效，堆芯熔融物将流出压力容器造成更为严重的后果。如果压力容器外部有流体，则堆芯熔融池传给压力容器壁的热量可通过流体与压力容器壁之间的沸腾换热带出，从而实现堆芯熔融物的滞留。该沸腾传热的带热极限就是临界热流密度。

目前，从反应堆核功率提升后采用堆芯熔融物滞留策略的可能性以及提升现有反应堆堆芯熔融物滞留的安全裕量两方面来看，都有进一步提升临界热流密度的需求。但现有技术中并没有公开能够对临界热流密度进行显著提升进而提高沸腾传热的带热极限的相应技术手段，无法通过简单有效的手段实现核反应堆严重事故下堆芯熔融物滞留的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提升压力容器外部临界热流密度的方法，解决无法通过简单有效的手段实现核反应堆严重事故下堆芯熔融物滞留的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种提升压力容器外部临界热流密度的方法，在堆芯出口温度高于事故临界值时，将氧化铝纳米流体注入到压力容器外部的流道中。

纳米流体，是指把金属、金属氧化物或非金属纳米粉体分散到水等传统换热介质中，制备成的新型换热介质，其在某些条件下的临界热流密度提升效果很好，被认为是很有希望的一种措施。因此，本发明采取合适的纳米流体，明确相应的使用条件，以提升核反应堆严重事故下压力容器外部临界热流密度，进而有利于实现核反应堆严重事故下堆芯熔融物滞留。本发明选择的纳米流体为氧化铝纳米流体。

采用氧化铝纳米流体提升核反应堆严重事故下压力容器外部临界热流密度的原理如下：氧化铝纳米流体加入到压力容器外部的流道后，在氧化铝纳米流体沸腾时，一段时间后氧化铝纳米微粒会沉积在加热表面，形成类似多孔介质的覆盖层。

覆盖层会带来两个效应。一方面，相对于无覆盖层的加热表面，氧化铝纳米流体在加热表面的接触角会减小，接触角减小时，表面张力的垂直分力(沸腾时其维持气泡在加热表面)减小，气泡脱离频率较去离子水增加，这将提升临界热流密度，如图1所示。另一方面，由于覆盖层类似于多孔介质，这将带来毛细现象，这有利于周围液体向气泡下面的微液层供应液体，这将使得液膜蒸干延迟，也会提升临界热流密度。

同时，临界热流密度的提升与加热面倾斜角(垂直加热时的倾斜角为90度，水平面朝下加热时的倾斜角为180度)有关，小角度时获得的提升比例大于大角度时，但都能提升临界热流密度。堆芯熔融物传热给压力容器壁时的倾斜角范围是90度至180度，因此，采用氧化铝纳米流体能提升核反应堆严重事故下压力容器外部的临界热流密度。

进一步，临界热流密度的提升也与纳米微粒浓度有关，当纳米氧化铝的体积浓度控制到适当的范围时，能够保证沸腾时沉积到表面的量足够多。并且，本发明在一定浓度范围之上，纳米微粒浓度的影响较小，但在较小浓度范围内，浓度越大，临界热流密度提升效果越好。本发明中，所述氧化铝纳米流体中氧化铝纳米微粒的体积浓度设置为大于0.001％，优选地，所述氧化铝纳米流体中氧化铝纳米微粒的体积浓度大于0.001％且小于0.1％。所述氧化铝纳米流体的换热介质为水。