[发明专利]一种熔池传热特性模拟材料、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种熔池传热特性模拟材料，是一种三层熔池传热特性模拟材料，以金属Na模拟严重事故中反应堆下封头内三层熔池中的轻金属层，共晶熔盐LiCl/KCl模拟氧化物层，金属Sn模拟重金属层。本发明的模拟材料具有工艺简单、易于实现、性能稳定和成本较低等特点。由于各组分间物理性质不同可形成自然分层，使用金属材料来模拟真实反应堆中熔池顶部及底部金属层，材料的特性相近，可有效降低实验结果的不确定度，可用于反应堆严重事故机理及缓解措施的问题实验研究。

技术领域

本发明涉及严重事故后下封头内熔池模拟材料技术领域，具体涉及一种熔池传热特性模拟材料、制备方法及其应用，可用于反应堆严重事故机理及缓解措施的问题实验研究。

背景技术

当反应堆发生严重事故时，如果堆芯不能得到有效冷却，会快速升温发生熔化在堆芯内部形成熔池。随着严重事故的发展，堆芯内部熔池向侧面及下方迁移，最终进入到下封头内部。下封头内部的熔融物会逐渐积累形成熔融池结构，不断向下封头壁面传递衰变热，当衰变热不能经壁面充分导出时，压力容器的完整性则会受到严重威胁。熔融物堆内滞留策略有效性的量化直接取决于两个参数：熔池加载于压力容器壁面的热流密度和压力容器外部冷却的排热能力。压力容器完整性与下封头壁面热负荷分布密切相关，下封头内熔池传热特性是熔融物堆内滞留策略能否成功的关键点之一。

下封头内熔池传热特性取决于熔池的瞬态及稳态条件(例如熔融池结构、衰变热功率及分布、冷却边界条件等)对熔池的温度分布和下封头壁面热流密度分布有着重要的影响。熔池分层试验结果表明下封头内熔池存在分层现象，可能出现的最危险分层结构为三层结构：顶层为未氧化的不锈钢、锆等构成的轻金属层，中层为UO₂和ZrO₂构成的氧化物层，底层为U等金属构成的重金属层。相对于现在实验研究中主要采用的单层熔池结构模型，上、下部的金属层导热会明显改变氧化物层传热特性。

目前研究中，有少部分实验研究针对多层熔池模型换热特性进行了研究。COPO实验中采用薄铜板将模拟材料分为两层，以研究两层熔池的换热特性，LIVE实验也采用了类似的方法。此外，SIMECO实验采用了三种不同的流体：氯苯-水-石蜡油研究了三层熔池传热特性。对于使用隔板实现的两层熔池实验，在一定程度上可以模拟两层熔融物传热特性，但由于金属隔板的存在，对下层的熔融物流动有一定影响，整体不确定型偏大。对于SIMECO中使用不同密度不互溶的液体实现的三层熔池，可以较准确模拟三层熔池中层间的换热以及对流造成的相互影响。但由于上下金属层模拟材料为氯苯及石蜡油，两种流体与导热性能强的熔融金属物性差异较大，难以准确模拟金属层的聚焦效应。

由于原型材料中二氧化铀、二氧化锆等材料熔化温度高，使用原型材料开展熔融池传热研究受测量技术、实验成本等条件限制，国内外已开展的多数实验选择采用模拟材料对下封头内熔池对流传热行为进行模拟。相对于原型熔融物，模拟材料选择应尽量与原型材料特性相近，能反映原型熔融物的热力学性质，存在明显的固液相分布，不易与容器及仪表反应，易于控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有实现模拟技术方案得到传热特性偏差较大，导致实验获得的传热关系式不确定度较高，本发明提供了解决上述问题的一种熔池传热特性模拟材料、制备方法及其应用。

本发明通过下述技术方案实现：

一种熔池传热特性模拟材料，模拟材料依次包括金属Na层、共晶熔盐LiCl/KCl层和金属Sn层；所述金属Na层用于模拟三层熔池结构中的轻金属层，共晶熔盐LiCl/KCl层用于模拟三层熔池结构氧化物层，金属Sn层用于模拟三层熔池结构重金属层。

进一步地，所述共晶熔盐LiCl/KCl层中，熔盐LiCl和KCl的摩尔质量配比为：LiCl，35～75％；KCl，25～65％。

上述一种熔池传热特性模拟材料的制备方法，包括以下步骤：