钠喷射火灾实验研究

杜海鸥,王荣东,胡文军

(中国原子能科学研究院,北京 102413)

钠火安全问题是快堆两个设计基准事故之 一,最初考虑的是钠的池式燃烧。自从1986年西班牙A lmeria太阳能电站发生了钠的喷雾火灾,并产生了严重的后果。各个国家开始重视钠雾火研究,认为由钠系统破损导致的钠雾状燃烧是反应堆安全的主要威胁。并将钠雾火评审作为安全评审探讨的一个重要部分。

雾状钠火形成的两种方式是加压喷射和爆炸喷射,其主要危害是在火灾发生早期产生瞬间的高温和高压现象,从而造成对建筑物的破坏。国际上对钠喷雾火灾进行了一些研究,并根据不同试验条件,得出了各种不同的结论。我国快堆发展比较晚,尚未进行钠雾火研究。为了进一步安全可靠地发展快堆,必须对钠的喷射燃烧进行研究,掌握其发展规律及影响后果。

1 建立钠喷射火灾模拟试验模型

设计特制的钠喷洒喷头将钠流分散成细流,对钠源采用稳定的压力源加压使高温钠喷射到密闭钠工艺间中,对泄漏钠的行程、燃烧现象及燃烧后果进行监测,并采用法国钠雾火计算程序FEUMIX[1]分析。通过钠雾火实验研究和FEUMIX程序模拟计算,将实验后果与理论分析后果进行类比,类推该实验条件下钠雾火燃烧的份额,以研究真实状况下,钠喷射火灾可能产生的状况。

2 试验装置设计与建造

2.1 钠喷射模拟实验装置设计

通过各种水模拟实验,模拟钠发生碰撞后钠流形成的轨迹,并找到合适的喷头,然后建立相应的钠喷射模拟实验装置。其工艺流程图如图1所示。

图1 钠喷射模拟实验装置Fig.1 Simulation experimental device on sodium spray

2.2 事故通风系统、数据采集和在线监测系统设置

设置了事故通风系统,该系统包括风机、水浴除尘器、风管等。如图2所示。采用计算机实时监控系统对压力、排烟风速和温度进行实时采集和监测。

图2 事故通风系统流程示意图Fig.2 Flow chart on accident ventilation system

图3 钠喷射现象(No.2实验)Fig.3 Sodium spray phenomena(No.2 experiment)

3 钠喷射模拟试验

将贮钠罐加热到400℃,将管道和喷头加热到250℃。调节减压阀向输钠罐中稳定充压至0.15MPa。然后打开钠阀,热钠在压力作用下通过输钠管道和喷射喷头呈分散状喷射出来,瞬间燃烧起来。钠罐中的压力在此状态下维持在0.12 MPa。同时通过窥视窗观察试验现象,并进行实时拍摄。通过温度采集系统对燃烧盘中钠温、燃烧室温度进行实时监测。通过压力监测系统对燃烧室压力变化进行实时监测。当钠从喷嘴流出1 min后,开启事故排烟系统。采用在线气体流量测量仪对风量进行实时监测,监测钠火状态时钠火实验室的气体流量。

4 试验现象和数据分析

4.1 试验现象

试验用钠量约为 25 kg,喷射时间约为2min,流量为0.158 kg/s,工艺间体积约为58 m3,进行了三次试验,第二次(No.2)和第三次(No.3)试验采用相同的喷头。三次试验现象非常相近,图3为第二次实验现象。当钠从喷嘴喷射出来后,部分钠液柱被打散成细小的液柱和液滴,加大喷射钠与空气的接触面积,在行程中直接燃烧。未燃烧的钠流撞击到燃烧盘后,再次被打散和细化,飞溅的钠细流在空气中以火球状态直接燃烧,这些均以喷射钠火的形式燃烧,其他未在行程过程中燃烧的钠以池式钠火的形式在燃烧盘中燃烧。

4.2 温度数据分析

4.2.1 燃烧区和非燃烧区空气温度变化分析

图4为第二、第三次试验中燃烧区测点2(温度测点布置侧视图见图1)的温度随时间的变化曲线。两条曲线呈现很好的相似性,说明了试验规律具有高度的一致性。曲线出现了两个峰值,第一个瞬间峰值出现在钠喷射过程中,由于喷射的高温钠与燃烧盘撞击,形成喷射钠火,温度迅速上升,来不及向周围扩散,使燃烧区温度瞬间超过800℃,当钠喷射完毕后,不再出现钠飞溅燃烧,燃烧区的温度迅速向周围环境扩散,温度急剧下降至钠源温度,同时池式钠火燃烧所放出的热量逐渐增加,钠气溶胶的浓度也逐渐增加,燃烧区的温度又继续上升,与池式钠火燃烧的特性表现一致,池式钠火燃烧的最高温度达到了将近700℃,这个过程比较缓慢。随后,钠池表面的氧化物层阻止了盘底钠的进一步燃烧,放热速率明显下降,钠池温度又以较快的速率下降。

图4 试验中2号点温度Fig.4 Temperature curve(Sign 2)

图5为第三次试验燃烧区中三个不同测点(5号、4号和2号分别为燃烧盘内上部、中部和下部温度测点)温度随时间变化的曲线,测温点2处的温度在钠喷射阶段出现急速上升的温度峰值,主要由于钠喷射过程中和钠流与燃烧盘碰撞后形成的钠滴在空气中直接燃烧,其燃烧区域主要在该处,从而形成了瞬间温度峰值。测温点4处和5处没有直接钠喷射火对其温度造成影响,主要由于冷热空气对流和钠燃烧热辐射形成了温度的变化,因而没有形成在钠喷射阶段温度瞬间上升至很高的温度峰值。

图5 试验3燃烧区温度Fig.5 Temperature curve(Sign 2,4,5)

图6和图7分别为第二、第三次试验空气中四个测点 7、9、12、13(分别对应燃烧区正上空1 500 mm处、离燃烧盘底部300 mm处地面、离燃烧区上空700 mm侧墙和顶棚)温度随时间变化曲线,两次试验具有非常好的重复性,也就是说同样试验条件下,其规律性是一致的。在钠喷射初期阶段仅在7号点形成一个小小的温度冲击峰值,峰值低于100℃,与燃烧区2号点温度比较,两点垂直距离上仅相差1 m左右,最高温度差高达700℃。说明房间气体温度存在着很大的不均匀性,钠燃烧所产生的瞬间高温对于远离燃烧区的空气影响是有限的,仅形成了一个小小的冲击。第二个高温峰值出现在池式钠火的高温峰值处,最高温度仅略高于120℃,不足以对房间的墙壁和顶棚造成高温冲击。因而只需对工艺间的地面和墙壁裙衬设置钢覆面加绝热层结构,不需对整个工艺间设置钢覆面加绝热层结构,不会对建筑物的结构造成高温损坏。通过比较,可以看出空气中温度变化主要受池式钠火长效应的影响,钠火对燃烧区上空温度的影响大于对四周墙壁的影响,而对于7号点空气温度仅略比13号点空气温度高,说明燃烧区上方空气温度上升主要是由对流所形成的,热传递比较均匀。而对于9号点的地板温度,明显高于空气中其他测点的温度,说明主要是由钠池近距离热辐射造成9号点温度的升高。

图6 试验2非燃烧区温度Fig.6 Tem perature curve(Sign 7,9,12,13)

FEUM IX程序计算出的房间压力曲线(压力单位为Pa,时间单位为s)如图11和图12所示。在钠喷射开始时,通风开启前的60 s,房间内压力迅速上升。当60 s时,钠雾份额100%和10%时,房间内外压差最高分别为33 620.8 Pa和3 234.1 Pa。燃烧室外的压力为标准大气压。当事故通风开启后,计算值略微

图7 试验3非燃烧区温度Fig.7 Temperature curve(Sign 7,9,12,13)

4.2.2 燃烧室空气温度随时间变化的理论分析及与实际状况的对比

图8和图9分别是雾火份额为 100%和10%时FEUM IX程序计算出的房间温度曲线。在钠喷射阶段,对于雾火份额为100%和10%时,房间温度理论最高值分别为240℃和68℃。开启通风使房间温度有一个小范围的下降并立即恢复上升趋势,并随着钠喷射的进行而升温。图10为第二、第三次试验中前200 s燃烧区7号点空气温度变化曲线,在钠喷射阶段,该点的温度在最初2 min内呈现缓慢上升的趋势,而计算曲线在最初的2 min呈现快速上升趋势,在此阶段试验温度最高为40℃,不到理论计算中10%钠雾份额的最高温度。实际试验中空气温度迅速上升是在钠喷射结束后约10 s才出现,在200 s时,理论计算值(10%钠雾份额)和试验值非常一致。这说明喷射燃烧区的温度向周围空气传递需要一定的时间。而不是计算中所显示热量迅速向空气中传递,使环境温度迅速上升。

4.3 燃烧室压力数据理论分析与实际中的对比

图8 房间温度曲线(100%)Fig.8 Room temperature curve(100%)

图9 房间温度曲线(10%)Fig.9 Room temperature curve(10%)

图10 试验中7号点温度Fig.10 Temperature curve(Sign 7)

低于大气压。

图11 房间压力曲线(100%)Fig.11 Room pressure curve(100%)

图12 房间压力曲线(10%)Fig.12 Room pressure curve(10%)

实际试验中房间内外压差,在钠喷射阶段前的60 s,略微有点升高,最高为31 Pa。当打开事故通风后,压差迅速下降至-2 200 Pa,并基本维持在该区域范围内。远离燃烧区的空气温度在钠开始喷射的前60 s基本没有变化,近燃烧区的温度有明显变化,如图13所示。测点3在60 s内由20℃迅速上升至200℃以上,房间压差在燃烧区温度上升时,开始呈现上升趋势,说明压力随温度的升高而变大这个规律在试验中能够得到很好的验证。但是由于压力上升是由于整个房间的平均温度上升使气体体积热膨胀而形成的,在钠开始喷射的前60 s,房间的平均温度并没有很大的变化,故房间压差的变化远小于理论计算曲线。

4.4 理论计算与试验数据的差异性分析

实验结果和理论计算的差异主要表现在以下几个方面：

(1)计算结果早期压力远大于实验压力,压力峰值出现在钠泄漏的早期,实验中在后期才出现明显的压力升高。

(2)实验过程中实验室温度梯度很大,而理论计算只能给出一个温度。

(3)理论计算中房间的热力学参数上升都很急促,其燃烧室压力和温度上升速率远大于实际试验的上升速率。

图13 燃烧区温度和房间压差随时间变化Fig.13 Temperature(Sign 3)and pressure curve

这是由于雾火程序FEUM IX的计算模型过于保守所致,模型假设加快了热量向空气中的释放和热量的释放速率。这些模型假设主要有以下几个方面：

(1)模型假设雾滴直径很小,小雾滴假设放大了氧气与钠燃烧反应的面积,而FEUM IX程序采用100%雾化份额更加放大了氧气与钠燃烧反应的面积,而实际试验中钠火以雾状燃烧的份额很小。

(2)采用10%雾化份额计算的热力学参数,在200 s时,温度理论计算值和燃烧区上空1 500mm处空气温度的试验值非常一致,但是压力曲线差异很大。主要是理论计算的模型中假设化学反应是瞬时的,加快了热量释放的速度,同时弱化了钠氧化物气溶胶的载热作用,弱化了热量扩散的时间效应,从而放大了瞬间的高压效应。

5 结论

(1)该试验条件下所发生的钠火以柱状钠火为主,对于喷头打散的喷射钠流,直接发生雾状燃烧的钠滴非常少,主要是由于钠流撞击燃烧盘盘底所形成的飞溅而使钠滴发生雾状燃烧。

(2)不同测点的温度存在很大的差异,燃烧区空气温度在钠喷射过程中上升非常迅速,并形成瞬间高温峰值。远离燃烧区的空气温度没有出现瞬间高温峰值,温度上升平缓。房间气体温度存在着很大的不均匀性,房间内平均温度很难在瞬间达到一个高温冲击的效果,因而不可能在瞬间形成高压峰值,从而不可能对火灾发生处的建筑物及设备造成严重损坏。

(3)该试验条件下,试验数据与理论计算存在很大的差异,说明理论计算存在很大的保守性,需要进一步研究理论计算模型假设的条件在实际钠泄漏中是否可能发生,希望在以后的工作中加大对钠雾火条件及后果的研究,旨在开发与实际钠泄漏发生条件具有拟合性的理论计算模型,从而从根本上解决了安全评审中的钠雾火问题。

[1] Rigollet-Pichon L,Malet JC.The Modelling of Sodium Jet Fires in a Global Computer Code FEUM IX 3,IAEA/TWGFR TCM on Evaluation of Radiaoactive Materials Release and Sodium Fire in Fast Reactor[R].IWGFR/92,O-arai,Japan,Nov,1996.