安全壳内气溶胶沉积试验的浓度测点设计

肖增光，孙雪霆，陈林林，史晓磊，魏严凇

(中国原子能科学研究院，北京 102413)



安全壳内气溶胶沉积试验的浓度测点设计

肖增光*，孙雪霆，陈林林，史晓磊，魏严凇

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

严重事故下，气溶胶是放射性物质的重要载体。在气溶胶沉积机理试验平台上开展的气溶胶重力沉降、扩散泳等试验，重点关注气溶胶浓度的测量，因此需确定浓度测点的位置。本试验设计了容器中心和壁面附近两个测点，将两个测点的试验结果分别与理论计算结果对比，发现中心测点的试验数据与理论计算值符合较好，且离散度较小，单独中心测点测量。

气溶胶；扩散泳；测点位置

气溶胶是悬浮在气体中的固态或液态颗粒，核电厂发生严重事故时，部分放射性裂变产物以气溶胶的形式释放[1]。裂变产物释放后，将在主系统和安全壳内迁移[2]。许多试验对气溶胶行为进行了研究[3]，认为裂变产物最初以气体形态释放，裂变产物释放后，非惰性气体将快速转变为气溶胶[4]。在自然情况下，气溶胶在安全壳内沉积的主要机理包括重力沉降、布朗扩散、热泳和扩散泳[5]。

目前国际上开展了大量试验，研究严重事故条件下核电厂安全壳内的气溶胶行为，包括法国的PHEBUS[6]、德国的VANAM[7]、ThAI以及芬兰的AHMED[8]试验等，在试验结果基础上，建立了气溶胶在安全壳内的行为模型，并已植入部分反应堆安全分析程序中[10]。国内利用反应堆安全分析程序Astec以及Melcor，分别对安全壳内气溶胶行为进行了研究。

在理论分析的基础上，通过参考国际同类试验设施的设计和试验经验，中国原子能科学研究院设计并建造了气溶胶沉积机理试验平台FADE[1]。为研究气溶胶浓度测点位置对扩散泳试验结果稳定性和可靠性的影响，本文在气溶胶重力沉降试验和扩散泳试验基础上，设计了容器中心和壁面附近两个测点。将两个测点的试验数据分别与理论分析数据对比，确定了最可靠的气溶胶浓度测点。

1 理论分析

在FADE试验装置上进行了气溶胶重力沉降和扩散泳试验，使用粒子计数器测量得到容器内不同粒径气溶胶的数量浓度。为分析气溶胶质量浓度的变化情况，需将数量浓度转化为质量浓度，将气溶胶颗粒视为实心球体，计算公式为[1]：

(1)

其中，C为气溶胶质量浓度，kg/m3；ρ为气溶胶空气动力学密度，1000 kg/m3；d为气溶胶粒径，m；N为气溶胶数量浓度，1/m3。

气溶胶的沉积速度由重力沉降、布朗扩散、热泳和扩散泳四种沉积机理共同决定，在计算气溶胶的沉积速度时，表达式可简化为如下形式[13]：

(2)

上式中，c(0)和c(t)分别为初始和t时刻气溶胶质量浓度，kg/m3；βm为不同沉积机理的沉积率常数之和，s-1。在本试验中，忽略布朗扩散和热泳对气溶胶沉积影响，则总沉积率βm由重力沉降率βs和扩散泳沉积率βdp决定[14]，即：

βm=βs+βdp

(3)

气溶胶扩散泳沉积率常数的W/M理论计算公式如下所示[15]：

(4)

由公式(5)可知，气溶胶扩散泳沉积率常数由容器体积、温度、压力、气体组分以及蒸汽冷凝率共同决定。在本文开展的3组扩散泳试验中，由于需要控制的试验参数(温度、压力、气溶胶初始浓度、蒸汽冷凝率等)较多，3组试验的参数以及扩散泳沉积率常数理论方法计算值并不完全相同。

2 试验平台及测点介绍

气溶胶沉积机理试验平台FADE主要模拟非能动安全壳冷却系统对气溶胶沉积的强化作用。在热工水力设计过程中，为主容器设计了壁面冷却水套，用于模拟非能动安全壳冷却系统形成的冷壁。FADE试验装置如图1所示。

图1 气溶胶沉积机理试验平台Fig.1 facility for aerosol deposition experiment

FADE主要由试验容器、气溶胶发生与测量系统、热工水力测量系统、水套冷却系统和蒸汽供给系统等组成。在试验容器的不同位置，共设置了3个采样点，其中采样点a和b分别用来测量容器中心和壁面附近气溶胶浓度，采样点c为备用测点。

试验过程中，为研究容器中心和壁面附近测点扩散泳沉积速度，开展了3组扩散泳试验，分别采用仪表切换式测量方法(在60s内，先测量一个采样点，切换采样管路开关，再测量另一个采样点)和中心测量方法(只测量容器中心轴上采样点a数据)。其中，仪表切换式测量方法根据采样点测量次序，分为先测量中心采样点a、后测量壁面附近采样点b和先测量壁面附近采样点b、后测量中心采样点a两种方式，简称为先中心后壁面和先壁面后中心测量。在FADE上开展气溶胶重力沉降试验和扩散泳试验。其中，重力沉降试验作为对照试验，用于消除扩散泳试验中重力沉降效应的影响。扩散泳试验条件见表1。

表1 FADE扩散泳试验条件Table 1 Test conditions for FADE diffusiophoresis test

3 试验结果分析

本试验先开展重力沉降试验，试验结果如图2所示，为便于比较，将浓度归一化处理，即每个时刻的气溶胶浓度都除以气溶胶浓度最大值。得到FADE试验重力沉降部分的沉积率常数为βS=0.66×10-4s-1，试验数据点相关系数R2=0.9293，R2越接近1，离散度越小，在扩散泳试验中要减去重力沉降的部分。本试验采用不同的测量方法，开展了3组扩散泳试验，分别为dp1(先中心后壁面测量)、dp2(先壁面后中心测量)、dp3(中心测量)。

图2 重力沉降试验归一化的气溶胶质量浓度Fig.2 Normalized aerosol mass concentration of gravitational settling

将扩散泳试验结果与理论方法计算值进行对比，如图3所示，在dp1试验中，中心测点的扩散泳沉积率常数为βdp=5.73×10-4s-1，数据点相关系数R2=0.9907。壁面测点的扩散泳沉积率常数为βdp=12.04×10-4s-1，数据点相关系数R2=0.3409。表2是试验结果与理论方法计算值，将中心与壁面测点结果进行对比，可以发现，中心测点数据离散度小于壁面的测量值，且中心测点的扩散泳沉积率常数与W/M方法计算值接近，壁面测点结果与理论方法计算值相差较大。

图3 dp1试验归一化的气溶胶质量浓度Fig.3 Normalized aerosol mass concentration of dp1 test

图4是dp2试验结果，中心测点的扩散泳沉积率常数为βdp=7.05×10-4s-1，数据点相关系

数R2=0.8941。壁面测点的扩散泳沉积率常数为βdp=0.91×10-4s-1，数据点相关系数R2=0.3847。分析方法同上，中心测点数据离散度小于壁面的测量值，且中心测点的扩散泳沉积率常数略大于W/M方法计算值，壁面测点结果与理论方法计算值相差较大。

图5是dp3试验结果，中心测点的扩散泳沉积率常数为βdp=4.27×10-4s-1，数据点相关系数R2=0.9991。

图4 dp2试验归一化的气溶胶质量浓度Fig.4 Normalized aerosol mass concentration of dp2 test

图5 dp3试验归一化的气溶胶质量浓度Fig.5 Normalized aerosol mass concentration of dp3 test

表2给出三组试验结果与理论计算结果的比较，可以看出，壁面附近测点的结果与理论方法计算值相差较大，且离散度较高。比较3组试验中心测点结果可知，dp3试验中心测点的扩散泳沉积率常数与W/M方法计算值符合很好，且离散度最小。

表2 FADE试验结果与理论方法计算值Table 2 Results of FADE test and formula calculation

气溶胶扩散泳试验壁面附近测点试验数据误差较大，主要原因为：切换式测量方法连续不间断测量两个采样点的气溶胶浓度，这两个采样点的试验条件会互相干扰，如果切换式测量的两个采样点测量间隔较长，则测量时间无法同步；壁面附近热工水力参数变化较大，并且受水蒸气在壁面冷凝的影响，使得壁面附近局部区域的气溶胶浓度测量受到干扰，导致试验结果的离散度和误差较大。

4 结论

通过重力沉降和扩散泳试验，探究了不同的气溶胶浓度测点位置对试验结果的影响。结果表明，中心测点结果与理论分析符合较好，并且试验数据离散度小，满足扩散泳试验对气溶胶浓度测量需求，选取容器中心测点作为气溶胶扩散泳试验的浓度测点。

[1] 陈林林, 孙雪霆, 魏严凇，等. 安全壳内气溶胶扩散泳行为的试验方法研究[J]. 辐射防护，2016,36(6):393-397.

[2] 佟立丽, 曹学武. 非能动安全壳冷却机制安全壳大气净化分析[J].科技导报，2012,30(20):29-32.

[3]Castelo A de los R, Capitao J A, De Santi G. International standard problem 40: Aerosol deposition and resuspension [R]. Issy -les -Moulineaux, Cedex: OECD Nuclear Euclear Agency, Joint Research Centre. European Commission, 1999.

[4] Ammirabile L, Bielauskas A, Bujan A. Progress of ASTEC validation on fission product release and transport in circuit and containment [C]. The 3rd European Review Meeting on Severe Accident Research (ERMSAR-2008) Nesseber, Bulgaria, September 23-25, 2008.

[5] Michael E, Phillip G. Correlations of the rates of removal of coagulation and depositing aerosols for application to nuclear reactor safety problems [J]. Nuclear Engineering and Design, 1988, 107(3): 324-344.

[6] B. Clement, N. Hanniet-Girault, G. Repetto, et al.“ LWR severe accident simulation: synthesis of the results and interpretation of the first PHEBUS FP experiment FPT0”[J]. Nuclear Engineering and Design. 225(2003)：5-82

[7] M. Firnhaber, T. F. Kanzleiter, S. Schwarz, et al. “International Standard Problem ISP37 - VANAM M3 - A Multi Compartment Aerosol Depletion Test with Hydroscopic Aerosol Material”[R]. NEA/CSNI/R(96)26,Dec. 1996

[8] J. M. Makynen, J. K. Jokiniemi, P. P. Ahonen, et al. “AHMED experiments on hygroscopic and inert aerosol behavior in LWR containment conditions: experiment results”[J]. Nuclear Engineering and Design, 178(1997)45-59. Jul. 1997

[9] Luis E, Herranz B. In -containment source term key insights gained from a comparison between the PHEBUS-FP programme and the USNRC NUREG-1465 revised source term[J]. Progress in Nuclear Energy, 2010, 52(5): 481-486.

[10] Ivo K, Maik D, Jiri D. Thermal -hydraulic and aerosol containment phenomena modeling in ASTEC severe accident computer code [J].Nuclear Engineering and Design, 2010, 240(3): 656-667.

[11] 马如冰, 赵博. 百万千瓦级核电厂蒸汽发生器失去给水事故源项计算分析[J]. 核安全, 2007(4): 45-50.

[12] 樊申, 张应超, 季松涛. 秦山I 期核电厂全厂断电事故源项研究[J]. 原子能科学技术, 2006, 40(5): 553-558.

[13] 气溶胶测量原理、技术及应用[M].[美]巴伦，[美]维勒克编著；白志鹏等译.北京:化学工业出版社，2006：12.

[14] SNEPVANGERS L.J.M. VAN DE VATE J.F. Diffusiophoresis of fission product aerosol in an LWR containment after core meltdown[R]. Holland:Joint Research Centra, 1987.

[15] Whitmore P.J, Meisen A. Estimation of thermo- and diffusiophoretic particle deposition[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1977, 55(3):279-285.

Design of Concentration Measurement Point for Test of In-Containment Aerosol Deposition

XIAO Zengguang, SUN Xueting, CHEN Linlin, SHI Xiaolei,WEI Yansong

(China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413)

Aerosol is the main carrier of radioactive product in severe accident conditions. In order to carry out experiment on gravitational settling and diffusiophoresis on the facility for aerosol deposition experiment and focus on aerosol concentration measurement, it is necessary to determine the aerosol concentration measurement point position. Two measurement points in the container center and near the wall are designed in the experiment, and the experimental results of the two measurement points are compared with the theoretical analysis data respectively. It is observed that the experimental data of the center measurement point are in good agreement with theoretical calculation and its dispersity is small, so single measurement point in the center is determined for the aerosol measurement.

aerosol; diffusiophoresis; measurement point position

2017- 01- 04

2017- 03- 04

肖增光(1992—)，男，中国原子能科学研究院硕士研究生，核能科学与工程专业，2014年毕业于清华大学工程物理系，主要研究方向为反应堆安全

*通讯作者:肖增光，E-mail:xiaozg401@aliyun.com

TL72

A

1672- 5360(2017)01- 0082- 04