[发明专利]用于强化反应堆安全壳内壁面冷凝换热的油脂浸渍表面

说明书

本发明涉及用于强化反应堆安全壳内壁面冷凝换热的油脂浸渍表面，提出了核反应堆安全壳及其应用。该核反应堆安全壳包括：壳体，所述壳体的内表面设置有微纳结构层；所述微纳结构层的表面涂覆有油脂，所述油脂具有下列特征的至少之一：在压力为0.05～1MPa的条件下，所述油脂的热解温度不低于200℃，光解温度不低于200℃，蒸发温度不低于200℃，在水中的溶解度不超过1g，满足公式(1‑c)/(c‑f)<L_ys(w)/σ_yw<0，其中，σ_yw为所述油脂与冷凝液形成的界面的表面能，L_ys(w)为冷凝液存在下所述油脂在所述微纳结构层的铺展系数，c为所述微纳结构层的粗糙因子，f为所述微纳结构层的表面固体份额。

技术领域

本发明涉及表面科学与工程领域，具体地，本发明涉及用于强化反应堆安全壳内壁面冷凝换热的油脂浸渍表面，更具体地，本发明涉及核反应堆安全壳、核反应装置、提高核反应堆安全壳换热系数的方法以及提高核电厂安全系数的方法。

背景技术

核电厂反应堆安全壳是防止反应堆放射性外泄的最后一道屏障，是保证核电厂安全性的重要设施。事故条件下(例如一回路破口和蒸汽主管道断裂事故)，高温冷却剂和蒸汽从反应堆回路中释放到安全壳空间，使得安全壳内温度、压力急剧上升，严重威胁安全壳的完整性。因此，安全壳内部热量的及时排离对于安全壳的完整性乃至整个核电厂的安全性至关重要。目前核电厂普遍采用非能动安全壳热量排出机制。以AP1000型压水堆核电站为例，事故条件下，蒸汽首先在安全壳内壁面冷凝，再经钢壳导热、外部液膜及空气对流换热，最终热量被释放到环境大气中。其中，安全壳内壁面冷凝换热是整个换热环节的最大热阻所在，是安全壳换热能力提升的重要环节。

然而，据了解，目前安全壳内壁面大多涂覆有亲水性(接触角小于30°)涂层，蒸汽凝结的模式主要为膜状凝结。而膜状凝结的换热系数较滴状凝结低1～2个数量级。因此，实现安全壳内壁面的滴状凝结，是提升安全壳热量载出能力的一个潜在途径。

发明内容

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

目前，面向滴状凝结的表面改性技术在不断发展，主要包括：1)面向传统滴状凝结的疏水表面，即在冷凝表面涂覆疏水层如特氟龙(聚四氟乙烯)；2)面向新型滴状凝结的超疏水表面，即在冷凝表面构造微纳结构，并镀以低表面能的化学物质如硅烷。

然而，将上述方法应用于核反应堆安全壳，均存在很大的局限性。首先，疏水性涂层厚度大、导热系数低，这将大大增加传热热阻，抵消滴状凝结的优势；而用于超疏水的化学涂层，尽管只有单分子层厚度，但是其热稳定性较差，远远不能承受反应堆事故下的高温条件。其次，在核电厂的辐照环境下，上述低表面能有机物质均有辐照分解、性质退化的风险。最后，上述疏水表面规模化制备成本高、难度大，并不适用于核反应堆安全壳内壁面高达上千平方米的大规模应用场景。因此，目前要想实现安全壳内壁面的滴状凝结还存在很大挑战。

基于上述问题，发明人发现，将一种与水互不相容，物理、化学性质稳定，并且在高温、高湿以及核反应堆辐照环境下均能够稳定存在的润滑油涂覆在具有微纳结构的安全壳内壁面，可以使安全壳内壁面具备超润滑特性，从而加速冷凝液滴从油脂表面脱落，显著强化换热，在不凝气存在的条件下换热系数可相对传统滴状凝结提升高达80％。此外，该安全壳结构的表面油脂层具有自愈合性，涂覆的油脂可借助其自身的流动性和毛细力自动补充表面缺陷，且该安全壳结构的制备方法简单、高效、成本低廉，只需在具有微纳结构的安全壳内壁面涂覆一种特殊的润滑油即可形成，适于大规模的推广应用。

为此，在本发明的第一方面，本发明提出了一种核反应堆安全壳。根据本发明的实施例，所述核反应堆安全壳包括：

壳体，所述壳体的内表面设置有微纳结构层；

所述微纳结构层的表面涂覆有油脂，所述油脂具有下列特征的至少之一：