鈉噴射火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究

杜海鷗,王榮東,胡文軍

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

鈉火安全問題是快堆兩個(gè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故之 一,最初考慮的是鈉的池式燃燒。自從1986年西班牙A lmeria太陽能電站發(fā)生了鈉的噴霧火災(zāi),并產(chǎn)生了嚴(yán)重的后果。各個(gè)國(guó)家開始重視鈉霧火研究,認(rèn)為由鈉系統(tǒng)破損導(dǎo)致的鈉霧狀燃燒是反應(yīng)堆安全的主要威脅。并將鈉霧火評(píng)審作為安全評(píng)審探討的一個(gè)重要部分。

霧狀鈉火形成的兩種方式是加壓噴射和爆炸噴射,其主要危害是在火災(zāi)發(fā)生早期產(chǎn)生瞬間的高溫和高壓現(xiàn)象,從而造成對(duì)建筑物的破壞。國(guó)際上對(duì)鈉噴霧火災(zāi)進(jìn)行了一些研究,并根據(jù)不同試驗(yàn)條件,得出了各種不同的結(jié)論。我國(guó)快堆發(fā)展比較晚,尚未進(jìn)行鈉霧火研究。為了進(jìn)一步安全可靠地發(fā)展快堆,必須對(duì)鈉的噴射燃燒進(jìn)行研究,掌握其發(fā)展規(guī)律及影響后果。

1 建立鈉噴射火災(zāi)模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

設(shè)計(jì)特制的鈉噴灑噴頭將鈉流分散成細(xì)流,對(duì)鈉源采用穩(wěn)定的壓力源加壓使高溫鈉噴射到密閉鈉工藝間中,對(duì)泄漏鈉的行程、燃燒現(xiàn)象及燃燒后果進(jìn)行監(jiān)測(cè),并采用法國(guó)鈉霧火計(jì)算程序FEUMIX[1]分析。通過鈉霧火實(shí)驗(yàn)研究和FEUMIX程序模擬計(jì)算,將實(shí)驗(yàn)后果與理論分析后果進(jìn)行類比,類推該實(shí)驗(yàn)條件下鈉霧火燃燒的份額,以研究真實(shí)狀況下,鈉噴射火災(zāi)可能產(chǎn)生的狀況。

2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與建造

2.1 鈉噴射模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

通過各種水模擬實(shí)驗(yàn),模擬鈉發(fā)生碰撞后鈉流形成的軌跡,并找到合適的噴頭,然后建立相應(yīng)的鈉噴射模擬實(shí)驗(yàn)裝置。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 鈉噴射模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Simulation experimental device on sodium spray

2.2 事故通風(fēng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置

設(shè)置了事故通風(fēng)系統(tǒng),該系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、水浴除塵器、風(fēng)管等。如圖2所示。采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)壓力、排煙風(fēng)速和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)。

圖2 事故通風(fēng)系統(tǒng)流程示意圖Fig.2 Flow chart on accident ventilation system

圖3 鈉噴射現(xiàn)象(No.2實(shí)驗(yàn))Fig.3 Sodium spray phenomena(No.2 experiment)

3 鈉噴射模擬試驗(yàn)

將貯鈉罐加熱到400℃,將管道和噴頭加熱到250℃。調(diào)節(jié)減壓閥向輸鈉罐中穩(wěn)定充壓至0.15MPa。然后打開鈉閥,熱鈉在壓力作用下通過輸鈉管道和噴射噴頭呈分散狀噴射出來,瞬間燃燒起來。鈉罐中的壓力在此狀態(tài)下維持在0.12 MPa。同時(shí)通過窺視窗觀察試驗(yàn)現(xiàn)象,并進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝。通過溫度采集系統(tǒng)對(duì)燃燒盤中鈉溫、燃燒室溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)燃燒室壓力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)鈉從噴嘴流出1 min后,開啟事故排煙系統(tǒng)。采用在線氣體流量測(cè)量?jī)x對(duì)風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)鈉火狀態(tài)時(shí)鈉火實(shí)驗(yàn)室的氣體流量。

4 試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)用鈉量約為 25 kg,噴射時(shí)間約為2min,流量為0.158 kg/s,工藝間體積約為58 m3,進(jìn)行了三次試驗(yàn),第二次(No.2)和第三次(No.3)試驗(yàn)采用相同的噴頭。三次試驗(yàn)現(xiàn)象非常相近,圖3為第二次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。當(dāng)鈉從噴嘴噴射出來后,部分鈉液柱被打散成細(xì)小的液柱和液滴,加大噴射鈉與空氣的接觸面積,在行程中直接燃燒。未燃燒的鈉流撞擊到燃燒盤后,再次被打散和細(xì)化,飛濺的鈉細(xì)流在空氣中以火球狀態(tài)直接燃燒,這些均以噴射鈉火的形式燃燒,其他未在行程過程中燃燒的鈉以池式鈉火的形式在燃燒盤中燃燒。

4.2 溫度數(shù)據(jù)分析

4.2.1 燃燒區(qū)和非燃燒區(qū)空氣溫度變化分析

圖4為第二、第三次試驗(yàn)中燃燒區(qū)測(cè)點(diǎn)2(溫度測(cè)點(diǎn)布置側(cè)視圖見圖1)的溫度隨時(shí)間的變化曲線。兩條曲線呈現(xiàn)很好的相似性,說明了試驗(yàn)規(guī)律具有高度的一致性。曲線出現(xiàn)了兩個(gè)峰值,第一個(gè)瞬間峰值出現(xiàn)在鈉噴射過程中,由于噴射的高溫鈉與燃燒盤撞擊,形成噴射鈉火,溫度迅速上升,來不及向周圍擴(kuò)散,使燃燒區(qū)溫度瞬間超過800℃,當(dāng)鈉噴射完畢后,不再出現(xiàn)鈉飛濺燃燒,燃燒區(qū)的溫度迅速向周圍環(huán)境擴(kuò)散,溫度急劇下降至鈉源溫度,同時(shí)池式鈉火燃燒所放出的熱量逐漸增加,鈉氣溶膠的濃度也逐漸增加,燃燒區(qū)的溫度又繼續(xù)上升,與池式鈉火燃燒的特性表現(xiàn)一致,池式鈉火燃燒的最高溫度達(dá)到了將近700℃,這個(gè)過程比較緩慢。隨后,鈉池表面的氧化物層阻止了盤底鈉的進(jìn)一步燃燒,放熱速率明顯下降,鈉池溫度又以較快的速率下降。

圖4 試驗(yàn)中2號(hào)點(diǎn)溫度Fig.4 Temperature curve(Sign 2)

圖5為第三次試驗(yàn)燃燒區(qū)中三個(gè)不同測(cè)點(diǎn)(5號(hào)、4號(hào)和2號(hào)分別為燃燒盤內(nèi)上部、中部和下部溫度測(cè)點(diǎn))溫度隨時(shí)間變化的曲線,測(cè)溫點(diǎn)2處的溫度在鈉噴射階段出現(xiàn)急速上升的溫度峰值,主要由于鈉噴射過程中和鈉流與燃燒盤碰撞后形成的鈉滴在空氣中直接燃燒,其燃燒區(qū)域主要在該處,從而形成了瞬間溫度峰值。測(cè)溫點(diǎn)4處和5處沒有直接鈉噴射火對(duì)其溫度造成影響,主要由于冷熱空氣對(duì)流和鈉燃燒熱輻射形成了溫度的變化,因而沒有形成在鈉噴射階段溫度瞬間上升至很高的溫度峰值。

圖5 試驗(yàn)3燃燒區(qū)溫度Fig.5 Temperature curve(Sign 2,4,5)

圖6和圖7分別為第二、第三次試驗(yàn)空氣中四個(gè)測(cè)點(diǎn) 7、9、12、13(分別對(duì)應(yīng)燃燒區(qū)正上空1 500 mm處、離燃燒盤底部300 mm處地面、離燃燒區(qū)上空700 mm側(cè)墻和頂棚)溫度隨時(shí)間變化曲線,兩次試驗(yàn)具有非常好的重復(fù)性,也就是說同樣試驗(yàn)條件下,其規(guī)律性是一致的。在鈉噴射初期階段僅在7號(hào)點(diǎn)形成一個(gè)小小的溫度沖擊峰值,峰值低于100℃,與燃燒區(qū)2號(hào)點(diǎn)溫度比較,兩點(diǎn)垂直距離上僅相差1 m左右,最高溫度差高達(dá)700℃。說明房間氣體溫度存在著很大的不均勻性,鈉燃燒所產(chǎn)生的瞬間高溫對(duì)于遠(yuǎn)離燃燒區(qū)的空氣影響是有限的,僅形成了一個(gè)小小的沖擊。第二個(gè)高溫峰值出現(xiàn)在池式鈉火的高溫峰值處,最高溫度僅略高于120℃,不足以對(duì)房間的墻壁和頂棚造成高溫沖擊。因而只需對(duì)工藝間的地面和墻壁裙襯設(shè)置鋼覆面加絕熱層結(jié)構(gòu),不需對(duì)整個(gè)工藝間設(shè)置鋼覆面加絕熱層結(jié)構(gòu),不會(huì)對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)造成高溫?fù)p壞。通過比較,可以看出空氣中溫度變化主要受池式鈉火長(zhǎng)效應(yīng)的影響,鈉火對(duì)燃燒區(qū)上空溫度的影響大于對(duì)四周墻壁的影響,而對(duì)于7號(hào)點(diǎn)空氣溫度僅略比13號(hào)點(diǎn)空氣溫度高,說明燃燒區(qū)上方空氣溫度上升主要是由對(duì)流所形成的,熱傳遞比較均勻。而對(duì)于9號(hào)點(diǎn)的地板溫度,明顯高于空氣中其他測(cè)點(diǎn)的溫度,說明主要是由鈉池近距離熱輻射造成9號(hào)點(diǎn)溫度的升高。

圖6 試驗(yàn)2非燃燒區(qū)溫度Fig.6 Tem perature curve(Sign 7,9,12,13)

FEUM IX程序計(jì)算出的房間壓力曲線(壓力單位為Pa,時(shí)間單位為s)如圖11和圖12所示。在鈉噴射開始時(shí),通風(fēng)開啟前的60 s,房間內(nèi)壓力迅速上升。當(dāng)60 s時(shí),鈉霧份額100%和10%時(shí),房間內(nèi)外壓差最高分別為33 620.8 Pa和3 234.1 Pa。燃燒室外的壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。當(dāng)事故通風(fēng)開啟后,計(jì)算值略微

圖7 試驗(yàn)3非燃燒區(qū)溫度Fig.7 Temperature curve(Sign 7,9,12,13)

4.2.2 燃燒室空氣溫度隨時(shí)間變化的理論分析及與實(shí)際狀況的對(duì)比

圖8和圖9分別是霧火份額為 100%和10%時(shí)FEUM IX程序計(jì)算出的房間溫度曲線。在鈉噴射階段,對(duì)于霧火份額為100%和10%時(shí),房間溫度理論最高值分別為240℃和68℃。開啟通風(fēng)使房間溫度有一個(gè)小范圍的下降并立即恢復(fù)上升趨勢(shì),并隨著鈉噴射的進(jìn)行而升溫。圖10為第二、第三次試驗(yàn)中前200 s燃燒區(qū)7號(hào)點(diǎn)空氣溫度變化曲線,在鈉噴射階段,該點(diǎn)的溫度在最初2 min內(nèi)呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì),而計(jì)算曲線在最初的2 min呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì),在此階段試驗(yàn)溫度最高為40℃,不到理論計(jì)算中10%鈉霧份額的最高溫度。實(shí)際試驗(yàn)中空氣溫度迅速上升是在鈉噴射結(jié)束后約10 s才出現(xiàn),在200 s時(shí),理論計(jì)算值(10%鈉霧份額)和試驗(yàn)值非常一致。這說明噴射燃燒區(qū)的溫度向周圍空氣傳遞需要一定的時(shí)間。而不是計(jì)算中所顯示熱量迅速向空氣中傳遞,使環(huán)境溫度迅速上升。

4.3 燃燒室壓力數(shù)據(jù)理論分析與實(shí)際中的對(duì)比

圖8 房間溫度曲線(100%)Fig.8 Room temperature curve(100%)

圖9 房間溫度曲線(10%)Fig.9 Room temperature curve(10%)

圖10 試驗(yàn)中7號(hào)點(diǎn)溫度Fig.10 Temperature curve(Sign 7)

低于大氣壓。

圖11 房間壓力曲線(100%)Fig.11 Room pressure curve(100%)

圖12 房間壓力曲線(10%)Fig.12 Room pressure curve(10%)

實(shí)際試驗(yàn)中房間內(nèi)外壓差,在鈉噴射階段前的60 s,略微有點(diǎn)升高,最高為31 Pa。當(dāng)打開事故通風(fēng)后,壓差迅速下降至-2 200 Pa,并基本維持在該區(qū)域范圍內(nèi)。遠(yuǎn)離燃燒區(qū)的空氣溫度在鈉開始噴射的前60 s基本沒有變化,近燃燒區(qū)的溫度有明顯變化,如圖13所示。測(cè)點(diǎn)3在60 s內(nèi)由20℃迅速上升至200℃以上,房間壓差在燃燒區(qū)溫度上升時(shí),開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì),說明壓力隨溫度的升高而變大這個(gè)規(guī)律在試驗(yàn)中能夠得到很好的驗(yàn)證。但是由于壓力上升是由于整個(gè)房間的平均溫度上升使氣體體積熱膨脹而形成的,在鈉開始噴射的前60 s,房間的平均溫度并沒有很大的變化,故房間壓差的變化遠(yuǎn)小于理論計(jì)算曲線。

4.4 理論計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異性分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算的差異主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)計(jì)算結(jié)果早期壓力遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)壓力,壓力峰值出現(xiàn)在鈉泄漏的早期,實(shí)驗(yàn)中在后期才出現(xiàn)明顯的壓力升高。

(2)實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)室溫度梯度很大,而理論計(jì)算只能給出一個(gè)溫度。

(3)理論計(jì)算中房間的熱力學(xué)參數(shù)上升都很急促,其燃燒室壓力和溫度上升速率遠(yuǎn)大于實(shí)際試驗(yàn)的上升速率。

圖13 燃燒區(qū)溫度和房間壓差隨時(shí)間變化Fig.13 Temperature(Sign 3)and pressure curve

這是由于霧火程序FEUM IX的計(jì)算模型過于保守所致,模型假設(shè)加快了熱量向空氣中的釋放和熱量的釋放速率。這些模型假設(shè)主要有以下幾個(gè)方面：

(1)模型假設(shè)霧滴直徑很小,小霧滴假設(shè)放大了氧氣與鈉燃燒反應(yīng)的面積,而FEUM IX程序采用100%霧化份額更加放大了氧氣與鈉燃燒反應(yīng)的面積,而實(shí)際試驗(yàn)中鈉火以霧狀燃燒的份額很小。

(2)采用10%霧化份額計(jì)算的熱力學(xué)參數(shù),在200 s時(shí),溫度理論計(jì)算值和燃燒區(qū)上空1 500mm處空氣溫度的試驗(yàn)值非常一致,但是壓力曲線差異很大。主要是理論計(jì)算的模型中假設(shè)化學(xué)反應(yīng)是瞬時(shí)的,加快了熱量釋放的速度,同時(shí)弱化了鈉氧化物氣溶膠的載熱作用,弱化了熱量擴(kuò)散的時(shí)間效應(yīng),從而放大了瞬間的高壓效應(yīng)。

5 結(jié)論

(1)該試驗(yàn)條件下所發(fā)生的鈉火以柱狀鈉火為主,對(duì)于噴頭打散的噴射鈉流,直接發(fā)生霧狀燃燒的鈉滴非常少,主要是由于鈉流撞擊燃燒盤盤底所形成的飛濺而使鈉滴發(fā)生霧狀燃燒。

(2)不同測(cè)點(diǎn)的溫度存在很大的差異,燃燒區(qū)空氣溫度在鈉噴射過程中上升非常迅速,并形成瞬間高溫峰值。遠(yuǎn)離燃燒區(qū)的空氣溫度沒有出現(xiàn)瞬間高溫峰值,溫度上升平緩。房間氣體溫度存在著很大的不均勻性,房間內(nèi)平均溫度很難在瞬間達(dá)到一個(gè)高溫沖擊的效果,因而不可能在瞬間形成高壓峰值,從而不可能對(duì)火災(zāi)發(fā)生處的建筑物及設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞。

(3)該試驗(yàn)條件下,試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算存在很大的差異,說明理論計(jì)算存在很大的保守性,需要進(jìn)一步研究理論計(jì)算模型假設(shè)的條件在實(shí)際鈉泄漏中是否可能發(fā)生,希望在以后的工作中加大對(duì)鈉霧火條件及后果的研究,旨在開發(fā)與實(shí)際鈉泄漏發(fā)生條件具有擬合性的理論計(jì)算模型,從而從根本上解決了安全評(píng)審中的鈉霧火問題。

[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.