池式鼓泡条件下气溶胶沉降效率研究

放射性气溶胶是核反应堆严重事故中最重要的产物之一,来源于固体裂变产物外漏和气体裂变产物的凝聚成核。池式鼓泡水洗是去除放射性气溶胶的有效途径,准确掌握其过滤效率,对于事故后源项控制和事故分析评价都具有重要意义。本文针对池式鼓泡条件下的气溶胶沉降特性展开深入的基础研究,借助先进的粒径谱分析技术,研究液相淹没深度、气相表观流速等参数对亚微米级气溶胶沉降效率的影响,探究气溶胶在上升气泡群内的沉降机理。本项目的研究成果可用于气溶胶沉降效率模型验证。     

鼓泡过滤多分散气溶胶特性的矩估计分析

池式鼓泡过滤是核电站严重事故场景以及缓解措施中一种典型的放射性气溶胶滞留过程,评估气溶胶在该条件下的去除特性对事故后期的源项评估和制定相应的缓解措施具有重要意义。针对鼓泡过滤多分散气溶胶这一背景,本文假设气溶胶的尺度分布满足对数正态分布,考虑布朗扩散、重力沉降以及惯性碰撞3种机制对气溶胶在气泡内沉降的影响,利用矩方法得到了气溶胶尺度分布的3个分布参数（N、d_pg、σ_g）与其初始值、气泡上升高度以及沉降系数之间的解析关系。通过与精确解对比,对数正态矩方法推导的解析解表现出良好的预测精度。本文得到的解析解可在不需要气溶胶尺度分布具体信息而仅需要一些初始分布参数的情况下对气溶胶的去除特性进行快速评估。     

核反应堆严重事故中气溶胶的吸湿增长研究进展

可溶性气溶胶（以下简称气溶胶）的吸湿增长是影响核反应堆严重事故中放射性产物动力学行为的关键因素之一,本文对吸湿增长的理论模型、实验测量方法以及核安全领域吸湿增长的研究进展进行了总结。核安全领域气溶胶吸湿增长理论模型以K?hler理论为基础,描述了吸湿增长过程中气溶胶热物性等参数与环境参数的关系,在此基础上发展的多种改进模型更适用于实际问题的分析,已在NAUA-HYGROS、MELCOR等核安全气溶胶计算程序中得到广泛应用。实验测量也是研究气溶胶吸湿增长特性的重要手段,相比于可测量气溶胶整体吸湿能力但结果较为粗糙的重量法,电力平衡法、HTDMA法精度较高,且具备实时测量单个颗粒及多模态颗粒群的吸湿能力,在核事故气溶胶吸湿增长特性实验研究方面具有潜在应用前景。本文最后总结了严重核事故领域吸湿增长的现有应用研究,包括核事故典型气溶胶吸湿增长特性的理论模型与数值计算应用研究、吸湿增长实验研究,数值计算研究表明,将气溶胶吸湿增长特性纳入到核事故气溶胶计算程序中可以实现对核事故发生后气溶胶行为更为准确的预测分析,相关实验得到了CsOH、CsI等典型核事故气溶胶的吸湿增长特性。      

上升气泡内气溶胶沉降机理研究

气溶胶池洗过滤是反应堆严重事故中去除放射性源项的重要手段。本文以严重事故条件下上升气泡中气溶胶的滞留过程为背景，设计搭建了可视化单气泡鼓泡实验装置。通过该装置研究了气溶胶在上升气泡中的沉降效率，并与MELCOR中的气溶胶沉降模型计算结果进行了对比。结果表明，气溶胶沉降效率对气泡尺寸的变化较为敏感，当气体流量大于0.1 L/min时，气泡等效直径迅速增加，相应的气溶胶沉降效率快速降低；与MELCOR模型计算结果的对比表明，两者在总体趋势上呈现出较好的一致性，但计算结果低估了液相对气溶胶的实际去除能力，导致这种偏差的主要原因是气泡在上升过程中存在无规则的晃动以及气液界面的波动。     

微小通道内流动及气溶胶沉积特性实验研究

事故后气溶胶通过安全壳微小通道穿透会发生滞留现象，在不同载气流动状态下，主导沉积机制不同，会影响气溶胶的穿透率，因此需要研究微小通道内气溶胶的载气流动特性及气溶胶沉积特性。本文建立了微小通道气溶胶穿透与滞留实验装置，开展了雷诺数为40～3 600的载气流动与气溶胶沉积实验研究。在雷诺数约为700时，微小通道内会发生层流转捩。层流流动下，在大突缩比的矩形微通道中，随着雷诺数的增大，入口碰撞效应减弱，穿透率增大；小突缩比薄壁毛细管微通道入口效应弱，随着雷诺数的增大，气溶胶几乎完全穿透。在雷诺数为800～3 600的湍流流动下，气溶胶沉积主要处于涡流扩散-碰撞区及惯性主导区，受到湍流涡的影响气溶胶穿透率随雷诺数的增大而减小。     

液池内气溶胶对孔板鼓泡体积影响的实验研究

液池内的孔板鼓泡是安全壳内气体过滤排放过程中的重要现象。过滤过程中,孔板鼓泡体积直接影响气泡的上升速度与气液接触面积,因此是影响过滤器过滤效率的重要参数之一。随着过滤的进行,液池内滞留的气溶胶可能成为孔板鼓泡体积的影响因素之一。本文采用可视化实验,对含BaSO₄和TiO₂气溶胶液池内的孔板鼓泡过程进行研究,观察和分析孔板鼓泡体积的变化规律,进而获取气溶胶对孔板鼓泡体积的影响机制。研究表明,高温液池和TiO₂会使得生成气泡体积增加,添加BaSO₄的影响并不明显,实验还发现了生成气泡顶部含“小气腔”的情况,表面张力及“小气腔”的变化是气泡体积改变的主要机制。      

微流体惯性撞击器气溶胶过滤行为研究

微流体惯性撞击器可作为安全壳过滤排放系统的第一级过滤装置，实现严重事故后安全壳快速泄压并对壳内放射性气溶胶进行初效过滤。为了探究惯性撞击器内气溶胶的过滤行为，开展可视化实验对气溶胶在惯性撞击器内的沉积分布进行研究。研究表明，可视化实验能反映撞击器内气流流向及气溶胶运动轨迹。气溶胶在过滤单元处的沉积位置主要集中在过滤单元的上表面及微流道的内壁面，过滤效率可达60%以上。同时，由于撞击器通道表面特性随气溶胶的沉积而改变，容尘条件下的气溶胶过滤效率逐渐增加。而当惯性撞击器内载气流速大于临界值时，过滤效率会因气溶胶的再悬浮而降低。     

曝气装置结构对多孔板鼓泡特性的影响

气泡体积是决定鼓泡式过滤器性能的重要参数,当使用多孔板作为曝气装置时,孔板结构和气腔状态会对生成气泡体积产生影响。本文采用可视化方法实验研究孔板结构、气腔状态对多孔板鼓泡特性的影响规律。结果表明,气腔无水状态下多孔板鼓泡效果更好;使用有效鼓泡时间能很好地表征多孔板的鼓泡性能;仅当气体流量处于0.35～0.7 L/min、孔间距小于6 mm时,孔间距对多孔板鼓泡性能产生影响;多孔板孔数的确定应保证生成的气泡体积处于气腔控制区。     

严重事故下多组分吸湿性气溶胶的重力沉降研究

严重事故时,安全壳内的多组分吸湿性气溶胶将在高湿度的条件下吸水增大,从而影响其重力沉降行为。通过理论分析,本文推导了多组分吸湿性气溶胶颗粒平衡粒径的物理模型,并通过实验结果进行验证。该模型重点关注溶解度对吸湿过程的影响,解释了多组分吸湿性颗粒粒径增大曲线不连续的原因。同时,分析了典型千兆瓦级压水堆核电厂中相对湿度、干粒径及非吸湿性组分质量分数对重力沉降去除系数的影响。结果表明,只有当气溶胶颗粒增大到一定程度后,其重力沉降速度才会明显的提高;对于干粒径超过0.01 μm的纯吸湿性气溶胶颗粒,只有超过一定湿度后其才会因吸湿而加速沉降,且该湿度下限随着干粒径的增大而减小;随着事故的进行,气溶胶颗粒中的非吸湿性组分质量分数逐渐增加,上述湿度下限将增加,且同湿度下吸湿对重力沉降的促进作用减弱。      

严重事故下气载放射性排放控制研究

为评价"华龙一号"核电厂严重事故下气载放射性排放控制措施的有效性和先进性,开展了"华龙一号"严重事故下气载放射性排放控制研究。首先,介绍了核电厂中放射性物质的产生及放射性物质向环境释放的4个途径。其次,阐述了放射性物质的主要去除机制,包括自然沉积、池式洗涤、过滤和喷淋等,以及各去除机制所涉及的气溶胶行为如气溶胶凝聚、气溶胶沉积和吸湿效应、碘化学反应等,和各去除机制所应用的设备或系统。然后,梳理了"华龙一号"在严重事故工况下所采用的几种放射性释放控制和管理措施,包括双层安全壳与环形空间通风系统、安全壳喷淋系统、安全壳过滤排放系统和严重事故管理导则中针对安全壳旁通释放的管理策略,并对不同措施控制放射性释放的效果进行计算分析。计算结果显示采用相关放射性释放控制措施比未采用时向环境的放射性物质释放能够降低1～3个数量级,说明"华龙一号"的设计及严重事故管理措施,能够有效减少事故下的放射性后果,从而减少气载放射性排放对公众和环境的影响。     

气态甲基碘去除特性实验研究

以安全壳过滤排放系统对甲基碘的去除性能为背景，分别以去离子水和碱性硫代硫酸钠溶液为吸收剂，对不同吸收剂温度和浓度条件下的甲基碘去除过程进行实验研究，并在此基础上分析物理传质和化学反应两种机制对甲基碘气体去除过程的影响。结果表明：室温条件下，碱性硫代硫酸钠溶液对甲基碘气体的去除作用主要以物理传质过程为主，化学反应速率较慢是限制甲基碘气体去除效率的主导因素；随着温度的增加，化学反应在甲基碘气体去除过程中的作用不断加强。当化学反应速率增加至某一值附近时，继续强化化学反应过程对甲基碘气体去除效率不再具有明显影响，吸收过程进入化学反应不敏感区域，物理传质速率成为限制甲基碘气体去除过程的主要因素。这时需通过增加气液接触面积等方法强化物理传质过程，方能进一步提升对甲基碘气体的去除效果。     

滤膜对α-放射性气溶胶取样性能研究

α-放射性气溶胶取样膜是放射性气溶胶监测系统的重要组成部分,选择过滤效率高、自吸收小及高表面收集特性的滤膜,将有利于提高监测速度和被测α的能量分辨率,后者有利于α辐射体的准确监测和成分分析。研究选用三种不同类型滤膜采集氡子体气溶胶,测定了滤膜对气溶胶取样的过滤效率、自吸收因子、表面收集特性以及阻力与流量的关系参数。在气溶胶浓度、取样流量和取样时间相同的条件下,平均孔径为0.8μm的混合纤维素酯滤膜的过滤效率最高,自吸收损失较小;孔径为0.4μm的重离子微孔滤膜的自吸收损失最小,表面收集特性优越,对于提高监测分辨率具有优势;玻璃纤维滤膜的阻力小,适合大流量取样条件下采用。     

严重事故下吸湿性气溶胶的自然去除研究

反应堆发生严重事故时,堆芯释放出的吸湿性气溶胶会在潮湿的安全壳内增大,从而影响其自然去除过程。本文理论推导了吸湿性气溶胶的增大模型并通过多种方法对其进行了验证。模型计算结果表明,气溶胶的增大过程由于受到溶解度的限制而存在临界湿度值,在该临界值以下时气溶胶不发生吸湿,但这未被其他严重事故分析程序所考虑。同时,基于某三代先进压水堆的特定严重事故工况,本文分析了干颗粒半径及湿度对气溶胶的平衡半径和自然去除系数的影响。结果表明:气溶胶的自然去除系数随干颗粒半径的增大将先减小后增加,并在1 μm时达到最小值;相同湿度下,干颗粒半径对气溶胶半径的最大增大比例的影响不大;湿度的增加对不同干颗粒半径气溶胶去除系数的影响不同。      

冷凝冲刷条件下壁面气溶胶去除特性实验研究

核反应堆发生放射性泄漏的严重事故后,弥散在安全壳气相空间的放射性气溶胶等物质会在墙壁、设备表面或地面等位置沉积。蒸汽冷凝液的冲刷去除是沉积放射性气溶胶颗粒离开壁面并再次迁移的主要途径之一,掌握沉积气溶胶颗粒的去除迁移规律,对于核事故后的放射性分析评价有重要意义。本文针对冷凝环境下壁面沉积的不可溶气溶胶去除特性展开实验研究,通过测量冲刷去除的气溶胶质量变化,探究壁面倾斜角度、冷凝速率和沉积密度等变量对气溶胶颗粒去除特性的影响,总结了不同工况环境下的沉积气溶胶的质量去除规律及去除份额。本研究可为放射性气溶胶迁移模型验证及优化提供支持。     

玻璃纤维滤料在氦气气氛中过滤效率和阻力的理论分析

针对空气和氦气介质,基于最易穿透粒径( MPPS)法和钠焰法,理论计算和分析了3种等级高效过滤材料的过滤效率及其阻力.研究结果表明:相对于空气介质,在同样滤速下,氦气介质中滤料的阻力降低,过滤效率大幅度提高；在同样滤速或颗粒直径下,随着温度升高,滤料阻力增大,过滤效率提高.     

钠冷快堆中池式钠火的计算分析

文章论述了根据池式钠火的特点建立了理论模型 ,编制了SPOOL程序。该程序模拟钠燃烧过程中钠和氧气的化学反应 ,钠燃烧热在各种介质中不同方式的传递 ,钠气溶胶的产生、沉积 ,以及在各种通风条件下多种介质的质量和能量交换等瞬态过程 ,描述了钠燃烧过程中各种特征参数随时间的变化。其主要的计算参数包括房间内气体的压力和温度、房间建筑结构的温度、钠气溶胶质量浓度等等。用俄罗斯别洛雅尔斯克核电站实验和法国卡桑德拉 3号实验的数据 ,对SPOOL程序进行验证的结果表明 ,该程序的计算结果可信。该程序为国内钠冷快堆中池式钠火事故的安全分析提供了分析方法     

鼓泡层内气态甲基碘的去除特性研究

以安全壳过滤排放系统对甲基碘的去除为背景,采用碱性硫代硫酸钠溶液作为吸收工质,对甲基碘气体的去除特性进行实验研究。结果表明:溶液温度、系统压力、气体流量以及液位是影响甲基碘去除效果的重要因素;溶液温度对甲基碘气体去除的影响表现出分区效应;在0~80℃范围内,随着温度的增加去除效率变化明显,化学反应过程是限制该区域去除效率的主要因素;当温度高于80℃时,去除效率对温度的变化不再敏感,传质过程成为影响效率的主要因素;系统压力和液位对去除效率的影响均表现为线性关系,压力和液位的提高能够显著改善气体吸收过程;相反,气相容积流量的增加会导致甲基碘气体吸收效率明显降低。研究中还进一步发现,入口气体浓度的变化对去除效率的影响很小。     

钍基液态燃料熔盐实验堆氙毒分析

熔盐堆作为第四代核能系统堆型之一,液态燃料形态的特点使其可以实现在线处理和在线添料。为了提高中子经济性可以利用在线处理的氦鼓泡法,将氦气通入反应堆一回路,去除堆芯内的裂变气体(如Xe、Kr)。基于钍基熔盐液态堆(Thorium Molten Salt Reactor-Liquid Fuel1,TMSR-LF1)概念设计,结合熔盐实验堆(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE)氙毒模型,分析了鼓泡法去除氙毒中~(135)Xe扩散规律和去除效率对氙毒的影响,并给出了对应的初始有效增殖因子的变化规律。分析结果表明,虽然存在~(135)Xe会大量向石墨扩散的可能性,但是鼓泡法仍然可以有效去除TMSR-LF1堆芯内的~(135)Xe,减小堆芯毒性,提高反应性。     

不锈钢过滤材料的过滤特性

利用混合标准粒子和邻苯二甲酸二辛酯（DOP）多分散气溶胶,采用扫描迁移粒径仪分析气溶胶全粒径谱,作为测定各级粒径过滤效率的方法,对几种不锈钢过滤材料进行过滤特性研究。研究结果表明,对于多分散气溶胶,不同孔径和性质的金属滤材的最大透过粒径D_max是不同的,D_max随滤材过滤孔径的增大而变大;在1～3cm/s滤速区间内,滤材的效率随滤速的增加而降低,且滤材的D_max随滤速的增加向小粒径方向移动。不锈钢滤材串级过滤时表现出各级滤材的效率依次降低,但串级过滤的总过滤效率仍随级数的增加而增大;实验还证明,滤速一定时,相同滤材串级过滤并不会改变过滤器的D_max,但观察到串级过滤各级单级效率的D_max有随级数的增加向大粒径方向移动的现象。     

国产滤材在气溶胶取样中的过滤特性研究

本文叙述利用天然氡、氢子体气溶胶测定滤材过滤特性的实验及其结果,给出国产滤材的过滤效率、阻力、自吸收系数、表面收集特性和大气灰尘堵塞速率等参数;分析比较了各类滤材的性能,提出选择使用滤材的建议,其中玻璃纤维型滤材具有较多的优点,更适合用于气载放射性物质取样。