一、熔融物碎裂试验项目简介

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1、一、熔融物碎裂试验项目简介尽管钠冷快堆的安全性极高，发生严重事故的概率极低，但也必须充分考量并制定其发生严重事故时的应对措施，尤其当堆芯熔融物与冷却剂钠发生相互作用时导致堆芯熔融物的碎裂，二者间的传热面积增加导致堆芯冷却剂气化比例提高，引入正反应性，加重严重事故的后果；此外，堆芯熔融物在冷却剂钠中的碎裂行为决定了堆芯熔融物在反应主容器下部形成碎片床的形态以及能否实现堆芯熔融物堆内滞留的目标。我国正在自主开发钠冷快堆严重事故分析程序，用于钠冷快堆设计方案的安全评估和可靠性验证。由于熔融物在冷却剂中的碎裂现象的重要性，并且现有的实验数据不完善，缺乏必要的实验参数，因此需要开展熔融物碎裂特性实验，

2、为我国钠冷快堆严重事故分析程序的开发提供支撑，建立标准例题，验证钠冷快堆严重事故分析程序，评估此程序对堆芯熔融物在冷却剂中碎裂行为的模拟能力。整个试验项目的研究内容可分为低熔点金属实验、高熔点金属实验、金属氧化物实验以及金属与氧化物混合实验四部分，其中高熔点金属实验、金属氧化物实验以及金属与氧化物混合实验又分为初始温度实验（熔融物和冷却剂）、熔融物初始质量实验、钠池初始深度实验以及熔融物射流实验四大部分。表1列出了在熔融物碎裂实验项目所需要完成的试验内容。表1熔融物碎裂试验内容列表试验类别主要试验内容低熔点金属实验开展1~2组液态低熔点金属在液态金属钠中的碎裂实验，熟悉和掌握实验技术的操作规

3、程，验证实验技术的可行性和安全性；高熔点金属实验模拟堆芯燃料包壳（不锈钢）熔化后在冷却剂钠中的碎裂特性，包含初始温度、初始质量、射流直径以及钠池深度，研究上述因素与碎裂特性关联性；金属氧化物实验模拟堆芯燃料（氧化燃料）熔化后在冷却剂钠中的碎裂特性，包含初始温度、初始质量、射流直径以及钠池深度，研究上述因素与碎裂特性关联性；金属与氧化物混合实验模拟堆芯材料燃料（不锈钢包壳+氧化燃料）熔化后在冷却剂钠中的碎裂特性，包含初始温度、初始质量、射流直径以及钠池深度，研究上述因素与碎裂特性关联性，在不同比例混合条件下，探索混合物碎裂特性与高熔点金属和金属氧化物在冷却剂中单一碎裂特性的有关性；综合以上试验

4、的试验数据为钠冷快堆严重事故分析程序的开发和验证提供数据支撑，验证程序中模型的正确性。为完成该项目的全部实验内容，满足全部实验要求，既能熔化高熔点金属和金属氧化物使其与液态金属钠相互作用，又能实现液态金属钠的储存、输送、过滤和沉淀，需要对实验设备和材料进行采购。由于该实验的冷却剂采用金属钠，实验温度较高，必须严格保证实验设备和管道连接的密封性，采用加强法兰连接和焊接方式；每组实验工况需要对实验容器进行打开，取出实验产物，因此需要安装吊装提升机构；金属钠及其氧化物具有一定的腐蚀特性，所有涉钠容器及管道均需采用316L不锈钢材质；在实验过程中采用不同容器的压差和重力实现液态金属钠在管道和容器间的

5、流动；每次实验完成后采用过滤装置对液态金属钠进行过滤净化，保证液态金属钠的纯度；由于涉及金属钠，故本实验采用氩气提供惰性环境，并提供实验过程所需的压差；此外，液态金属钠的回流依靠重力完成，钠流通管道均安装成具有倾斜角度，保证排钠操作后管道及反应容器内全部排净。由于金属钠在常温下为固态，所有钠流通管道及储存容器外壁面均需要布置加热及保温装置，储钠罐和沉淀罐中横向安装多层加热棒；钠流通管道及阀门需要布置有热电偶，对其温度进行监测，避免钠凝固堵塞；储存钠的容器中采用压差方式实现液态金属钠的注入，因而对其压力和液位进行监视；实验过程中需要对反应容器内液体空间和气体空间内压力的变化进行采集，利用耐高温

6、的高频动态压力传感器进行采集；高温熔融物落入液态金属钠后，液态金属钠的温度分布会发生较大的变化，利用多层布置的四点式热电偶进行测量。对金属及金属氧化物进行加热熔化环节，由于加热温度极高，采用电磁感应加热炉对物质进行加热熔化，由于金属氧化物无法采用电磁感应方式直接加热，间接通过高纯度石墨坩埚实现，熔液由石墨坩埚内部嵌套的氧化锆坩埚进行容纳，避免石墨坩埚对物料的杂质污染。熔化后的熔融物需要注入到下部液态金属钠中，需要在坩埚底部打孔并匹配陶瓷塞，陶瓷塞连接这具有一定高度的释放杆（陶瓷塞连接陶瓷杆，陶瓷杆连接不锈钢杆），释放杆顶部焊接具有一定厚度和面积的不锈钢盘，通过电磁铁通电和断电的方式，实现对不

7、锈钢盘的提高与降落，从而实验坩埚底孔的开通与关闭；高温熔融物在液态钠中碎裂后产生的碎片颗粒，在取出后不可避免的会凝结有残留金属钠，利用酒精和水进行残留金属钠的清洗。图1是初步规划的熔融物碎裂特性实验设备和实验管道连接示意图。图1熔融物碎裂特性实验设备和实验管道连接示意图如图所示，不同实验设备由不锈钢管道进行连接，根据功能的不同，在管道上布置有气阀、钠阀及安全阀等装置，实验系统为轴向高度安装，储钠罐、废钠罐及其