低压系统内间歇泉流动传热实验与理论研究

本项目主要研究核能工业领域中常见的问题之一，间歇泉流动传热现象，解明其流动机理，描述其特征，并开发相应的数理模型。大汽泡运动及形态、系统特征参数的影响等是间歇泉流动传热过程中的关键问题，但是目前其规律及关键因素尚不清楚，尤其是对于低压系统，相应的控制途径和安全判据还未建立起来，这极大地制约了研究分析结果的实际应用。本项目通过理论和实验的方法，研究低压系统内间歇泉流动传热过程中的关键问题，对其流动传热特征规律的阐明，对开发相应核反应堆多相热物理分析工具具有理论意义。对考虑经济性与安全性相结合的工程安全系统的设计，指导相关系统结构安全方面的改进具有实际应用价值。

本项目主要研究核能工业领域中常见的两相流动与传热问题—间歇泉流动现象。间歇泉流动传热过程是一种流动不稳定现象，耦合了相变、两相流动、流动方向及流型的间歇性变化等多方面特征。在核反应堆事故情况下，该现象的发生可能会导致不能及时导出堆芯热量，而在难以建立其它稳定的自然循环流动过程时，也有将其作为备用缓解措施的可能性，因此会对核电厂事故进程和反应堆安全产生重要影响。目前其流动传热规律与关键因素尚不清楚，发生机理与发生条件尚存争议，尤其是对于低压系统，相应的控制途径和安全判据尚未建立，极大地制约了研究分析结果的实际应用。本课题通过低压系统内间歇泉流动传热实验，研究了间歇泉流动不稳定现象的基本过程和基本特征，分析了上升段高度、上升段直径、系统水装量、初始过冷度及加热功率的影响，观察到了间歇性的蒸汽喷涌现象，发现了流动过程中循环出现的间歇期、蒸汽喷涌期及回流期三个典型阶段，提出了将初始预热过程、蒸汽间歇性地喷涌、流动参数周期性波动变化和存在多种流动形态等作为间歇泉流动的特征，指出了上升段管路结构和加热功率是影响间歇泉流动的关键影响因素，定义了GEY数波峰因数的倒数作为间歇泉发生与否的判别指标。在实验研究基础上，阐明了间歇泉流动传热过程的发生机理，指出间歇泉流动是浮力和阻力之间相互作用的结果，系统热量的产生和分布的不均匀是发生间歇泉流动的重要前提条件。根据能量平衡关系建立了描述系统内能变化及蒸汽堵塞的关系式，得出了间歇泉流动过程的系统输热能力，发现间歇泉流动越显著，系统输热能力越强，间歇泉流动有利于系统热量的导出，蒸汽堵塞作用不利于系统热量传输。最后分析了间歇泉流动现象在重水堆核电厂中的应用，针对重水堆停堆备用热阱有效性开展典型通道及全堆分析，表明主热传输系统内冷却剂间歇性流动换热，可在事故过程中的一段时间内排出堆芯余热。本课题的研究对开发相应核反应堆多相流分析工具具有理论意义，对考虑经济性与安全性相结合的工程安全系统的设计，指导相关系统结构改进具有实际应用价值。