防液态铅铋合金中颗粒物沉积管道性能研究

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1、第36卷第5期华电技术Vo1．36No．52014年5月HuadianTechnologyMav．2014防液态铅铋合金中颗粒物沉积管道性能研究刘亮，周涛，杨旭，苏子威(华北电力大学核热工安全与标准化研究所，北京102206)摘要：针对圆柱形管道的特点，提出了一种适用于以液态铅铋合金作为冷却剂的防颗粒物沉积管道。借助热泳模型，分别计算了该管道在不同温差和不同颗粒物粒径下的防沉积能力。通过计算可以看出，壁面与冷却剂温差越高，防沉积能力越好；颗粒物粒径越大，防沉积能力越低；温差对防沉积能力的影响比粒径对其影响更大。该管道可以解决液态铅铋合金中细小颗粒物沉积于管壁，影响液态铅铋合金的

2、流动性能和换热性能的问题。关键词：铅铋合金；沉积；热泳力；颗粒物中图分类号：TL341文献标志码：B文章编号：1674—1951(2014)05—0014—030引言1防沉积管道设计液态铅铋合金(LBE)是第4代反应堆以及加速1．1整体结构形式器驱动系统(ADS)散裂靶兼冷却剂，高沸点、化学惰液态铅铋合金在圆柱形管道内部流通，需要防性以及和水相近的自然循环能力，使ADS具有显著止液态合金中细微颗粒物沉积于管道内壁面。本文的安全性和经济性。因此，铅铋合金已成为目前提出一种借助热泳力来防沉积的管道，所设计的防ADS设计中散裂靶兼冷却剂的首选材料¨J。清华沉积管道如图1所示。大学的张

3、尧立等人对ADS铅铋合金进行了热工水力研究l2J，得出靶窗设计中冷却剂最高温度不超过773K的结论。华北电力大学核热工与标准化研究所的苏子威等人对铅铋物性公式进行了进一步的拟合，并通过对比分析得知，拟合公式与已有定律推算公式趋向一致，吻合较好。同时华北电力大学的周涛等人M对亚微米颗粒在Sierpinski海绵模型中热泳沉积做了研究，也做了颗粒热泳脱除技术的研究。但是他们都没有对铅铋合金中颗粒物沉积进行研究。液态铅铋合金的流动会对结构材料和管图1防液态铅铋合金中颗粒物沉积管道整体示意路产生腐蚀、冲刷等影响，将产生大量的细小颗粒从图1可以看出，该管道由一回路管道和外加物。此外，铅铋

4、合金中不可避免地会存在一些杂质，热层组成，其中一回路管道内部流通一回路冷却剂其中熔点比铅铋高的杂质因为不能熔化而在铅铋流(铅铋合金)，外加热层包裹着一回路管道的外壁。体中以颗粒物形式存在。液态铅铋合金中颗粒物沉1．2加热层结构积于管壁时会影响液态铅铋合金的流动能力，进而加热层包裹着管道外壁，对管道进行加热。由影响堆芯热量导出能力，这极大地影响了反应堆的于其加热线圈不能直接与管道接触，所以专门提出安全性和经济性。所以设计一种防铅铋合金中颗粒一种3层式的加热层，所设计的加热层如图2所示。物沉积管道是非常必要的。由图2可以看出，加热层分为a，b，c3层，其中a，c层为不锈钢板，b层为

5、云母板，布置了发热线圈，收稿日期：2013—10—22；修回日期：2014—04—23加热层的加热温度设定为773K。基金项目：中国科学院战略性先导科技专项资助1．3工作原理(XDA03040000)；北京市自然科学基金壁面与管道中心处液态铅铋合金温差最大，靠(No．3092016)；教育部博士点基金资助项目近壁面处温差逐渐缩小，热泳力作用方向指向温度(No．200800791005)下降的方向。防液态铅铋合金中颗粒物沉积管道工第5期刘亮，等：防液态铅铋合金中颗粒物沉积管道性能研究·l5·作原理如图3所示。分数。(1)Byer．Calvert热泳沉积效率公式卵一唧{．竽c—Tw

6、)×11一exp(一V—pcpD／】)×100％，(3)m式中：P为流体质量浓度，kg／m；c。为流体比定压热容，J／(kg·K)；f为摩擦因数；Re。为雷诺数；K为热泳系数；为运动黏度，in／s；D为当量直径，m；图2加热层示意为表面换热系数，W·113／K；为流体算术平均温度，K；为流体温度，K；为壁温，K；￡为管道长度，m；u为流体平均速度，m／s。(2)Nishio热泳沉积效率公式热层叼：一exp{一×[⋯xp()])×1，(4)式中：P为流体质量浓度，k#m。(3)Stratmann热泳沉积效率公式一p{一Q[门图3工作原理示意由图3可以看出，在一回路管道上加装加热层

7、，3计算结果及分析利用热泳力原理，保证加热层的温度高于冷却剂温度，于是在加热层和冷却剂之间形成温度梯度，外侧3．1温差对热泳沉积效率的影响温度高，中心温度低，颗粒物在热泳力的作用下，会清华大学的张尧立所述的冷却剂工作温度条向温度低的地方移动，以起到防止颗粒物沉积于管件，设定流体温度变化范围为573～773K，壁面温度壁的效果。为773K，颗粒物粒径为2I,zm。图4为沉积效率与温度差之间的关系。需要说明的是，沉积效率描述2防沉积管道计算模型的是颗粒物沉积于壁面能力的大小，若沉积效率为2．1热