熔鹽冷凍壁形成及控制實(shí)驗(yàn)研究

周金豪 孫波 佘長鋒 竇強(qiáng) 龍德武 李晴暖 吳國忠

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熔鹽冷凍壁形成及控制實(shí)驗(yàn)研究

周金豪1,2孫波1,2佘長鋒1,2竇強(qiáng)1,2龍德武1,2李晴暖1,2吳國忠1,2

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所嘉定園區(qū) 上海 201800）;2（中國科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201800）

乏燃料干法后處理中高溫熔鹽化學(xué)工藝過程中存在設(shè)備腐蝕問題，以凝固鹽層作為容器保護(hù)內(nèi)襯的熔鹽冷凍壁技術(shù)被認(rèn)為是一種可行的解決方式。為開展該技術(shù)研究，自行研制并搭建了一套硝酸鹽(40.0-7.0-53.0wt%NaNO2-NaNO3-KNO3)冷凍壁技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置上熔鹽運(yùn)行溫度150?250 oC，熔鹽最大流量500 L?h?1，循環(huán)導(dǎo)熱油運(yùn)行溫度5?120oC，導(dǎo)熱油流量1.5?15 m3?h?1。目前在該裝置上開展了冷凍壁靜態(tài)形成及平衡維持等工藝研究，實(shí)驗(yàn)中采用容器外壁循環(huán)導(dǎo)熱油冷卻換熱實(shí)現(xiàn)冷凍壁的形成及維持，并試驗(yàn)了冷凍壁技術(shù)在熔鹽靜態(tài)工況下應(yīng)用的工藝條件。冷凍壁形成平均速率可控制在0.2?0.5 mm?min?1。在冷凍壁靜態(tài)形成過程中，隨厚度增大，熱交換量逐漸減小，同時(shí)冷凍壁層溫差逐漸增大，并均呈衰減趨勢(shì)變化；處于平衡維持狀態(tài)時(shí)，徑向溫度分布、熱流量及冷凍壁厚度均保持穩(wěn)定，熔鹽發(fā)熱功率即為平衡狀態(tài)時(shí)的熱流量，其大小同時(shí)與外壁導(dǎo)熱油的冷卻熱流量相等；實(shí)驗(yàn)還獲得了較理想的靜態(tài)應(yīng)用工藝操作條件，為氟化物熔鹽冷凍壁的研究及應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

熔鹽，反應(yīng)堆，干法處理，冷凍壁，傳熱

核電作為一種安全、清潔、低碳、可靠的能源已被越來越多的國家接受和重視，近年來掀起了全球性的核電研究熱潮。熔鹽反應(yīng)堆是6種第四代反應(yīng)堆堆型之中唯一使用液態(tài)燃料的反應(yīng)堆，具有本征安全性高、出口溫度高、可實(shí)現(xiàn)釷增殖利用、防止核擴(kuò)散等優(yōu)點(diǎn)，近年來備受關(guān)注[1]。熔鹽反應(yīng)堆核燃料以氟化物形式溶解在由LiF和BeF2組成的共熔鹽中[2]，為實(shí)現(xiàn)燃料循環(huán)利用，具有耐輻照、低臨界風(fēng)險(xiǎn)、放射性廢物少等優(yōu)點(diǎn)的干法后處理技術(shù)已成為熔鹽堆燃料循環(huán)唯一可選擇的技術(shù)路線。

熔鹽堆燃料干法處理工藝主要有高溫鈾氟化揮發(fā)、減壓蒸餾、電解冶煉和還原萃取等[3]，這些工藝流程均在高溫熔鹽介質(zhì)中進(jìn)行多種高溫熔鹽化學(xué)反應(yīng)。高溫熔融氟化物的強(qiáng)腐蝕性對(duì)設(shè)備材料有較高要求，尤其在鈾的氟化揮發(fā)工藝中[4?5]，由于引入強(qiáng)氟化劑參與反應(yīng)，工藝設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)遭遇更大挑戰(zhàn)。因此，高溫熔鹽化學(xué)過程產(chǎn)生的工藝容器腐蝕問題是干法技術(shù)發(fā)展的主要障礙之一。

為解決高溫強(qiáng)腐蝕環(huán)境下工藝設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行問題，冷凍壁技術(shù)被認(rèn)為是一種可能的方案[6?7]，該技術(shù)是在容器外壁設(shè)置冷卻換熱措施，通過吸收熱量來降低壁面溫度，讓易結(jié)晶熔鹽在內(nèi)壁形成冷凍介質(zhì)保護(hù)層，隔絕反應(yīng)介質(zhì)與器壁的直接接觸，從而減輕對(duì)容器材質(zhì)的腐蝕。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory, ANL)[6]及橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)[7]曾針對(duì)鈾的連續(xù)氟化揮發(fā)工藝中容器腐蝕問題，開展過熔鹽冷凍壁保護(hù)內(nèi)襯的研究，包括內(nèi)部加熱方式、外壁冷卻方式、傳熱通量、厚度監(jiān)測(cè)等工藝技術(shù)。但隨著20世紀(jì)70年代美國熔鹽反應(yīng)堆項(xiàng)目的終止，熔鹽冷凍壁未能真正用于實(shí)際工藝流程。目前在化工、冶金、水利等行業(yè)有很多類似冷凍壁的技術(shù)，包括冷卻壁、槽幫、凍結(jié)壁、冷坩堝等。如煉鋼高爐內(nèi)的冷卻壁[8]是靠對(duì)爐子內(nèi)襯的冷卻，緩解鐵水對(duì)內(nèi)襯的侵蝕、滲透和沖刷，并且可以掛住部分凝固融渣，降低內(nèi)襯溫度，延長磚襯壽命；電解制鋁工藝中電解槽側(cè)部炭塊內(nèi)壁上沉積著一層由鋼玉(Al2O3)和冰晶石組成的結(jié)殼，它分布在陽極的周圍，形成一個(gè)橢圓的環(huán)，稱為“槽幫”[9?10]，可以保護(hù)側(cè)部炭塊免受電解質(zhì)和鋁液等高溫熔體的侵蝕；凍結(jié)法鑿井工藝[11]中應(yīng)用制冷技術(shù)暫時(shí)凍結(jié)加固井筒周圍不穩(wěn)定地層并隔絕地下水后再進(jìn)行鑿井，凍結(jié)壁厚度由測(cè)溫探頭判斷。這些技術(shù)的核心與熔鹽冷凍壁的概念相同，均是使用冷卻介質(zhì)通過溫度梯度達(dá)到容器內(nèi)外穩(wěn)定傳熱，這表明在核燃料處理工藝中用熔鹽冷凍壁技術(shù)降低容器腐蝕程度仍不失為一種潛在的有效技術(shù)，值得繼續(xù)研究。

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所承擔(dān)了中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)“釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(Thorium Molten Salt Reactor, TMSR)”的研究任務(wù)，在燃料的高溫處理方案中，裂變材料鈾的分離純化計(jì)劃使用氟化揮發(fā)技術(shù)。采用冷凍壁降低熔鹽對(duì)氟化揮發(fā)反應(yīng)裝置容器內(nèi)壁的腐蝕對(duì)于保證氟化揮發(fā)工藝過程的順利進(jìn)行以及提高分離得到的鈾產(chǎn)品的純度具有重要意義。為開展熔鹽冷凍壁相關(guān)技術(shù)研究，我們自行研制了一套冷凍壁技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)裝置，并在該裝置上開展了硝酸鹽冷凍壁靜態(tài)形成及維持實(shí)驗(yàn)研究，主要考察了冷凍壁形成速率、冷卻傳熱量、平衡熱流量及厚度控制等重要工藝參數(shù)，并實(shí)驗(yàn)摸索了冷凍壁實(shí)際靜態(tài)應(yīng)用的工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)開展冷凍壁形成及控制維持的研究需求，自行研制了一套冷凍壁技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)裝置[12]。該裝置由冷凍壁試驗(yàn)罐、熔鹽回路及用于冷卻的導(dǎo)熱油回路組成，如圖1所示。

1.1.1 冷凍壁試驗(yàn)罐

冷凍壁試驗(yàn)罐使用材質(zhì)為316L不銹鋼的錐形罐(圖2(a))，壁厚6 mm，底部入口內(nèi)徑200 mm，錐形角度5°，有效高度620 mm，有效體積約40 L。在距離入口往上100 mm、300 mm和500 mm三個(gè)截面的徑向上各布置11個(gè)熱電偶（精度±0.1 °C），用于實(shí)驗(yàn)中測(cè)量試驗(yàn)罐內(nèi)的溫度場分布。從壁面至中心的前7個(gè)熱電偶相互間隔5 mm，后4個(gè)相互間隔10 mm，熱電偶分布如圖2(b)所示。

試驗(yàn)罐內(nèi)壁點(diǎn)焊螺旋鋼絲拉筋，用于提高冷凍壁的附著性。試驗(yàn)罐外壁復(fù)合有寬度為50 mm的換熱夾套，用于通入循環(huán)導(dǎo)熱油冷卻冷凍壁試驗(yàn)罐外壁。換熱夾套內(nèi)帶有螺旋式導(dǎo)流槽以提高熱交換冷卻效果。

冷凍壁試驗(yàn)罐中間設(shè)置一根電加熱棒，插入DN50mm法蘭接管上安裝固定（固定在DN50mm法蘭接管上），用于模擬燃料鹽中裂變產(chǎn)物衰變發(fā)熱，最大加熱功率為3 kW。冷凍壁試驗(yàn)罐上蓋可快速開啟，利用機(jī)械卡尺測(cè)量冷凍壁的厚度，用于對(duì)熱電偶溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。

1.1.2 熔鹽回路

熔鹽回路主要包括熔鹽加熱儲(chǔ)罐1、熔鹽加熱儲(chǔ)罐2、熔鹽泵、熔鹽流量計(jì)、三通分流閥及閘閥等。熔鹽加熱儲(chǔ)罐1、2的材質(zhì)均為Inconel600，最大加熱功率均為15 kW。加熱儲(chǔ)罐1（鎮(zhèn)江三維電加熱器有限公司）用于運(yùn)行時(shí)加熱熔鹽以維持其溫度，加熱儲(chǔ)罐2（鎮(zhèn)江三維電加熱器有限公司）用于初始硝酸鹽加熱熔融，及回路停止運(yùn)行后或緊急情況下儲(chǔ)存熔鹽。熔鹽泵為超耐熱型屏蔽泵（大連帝國泵業(yè)有限公司），揚(yáng)程22 m，額定流量1.2 m3?h?1，最高工作溫度330oC。熔鹽流量計(jì)采用耐高溫的靶式流量計(jì)（泉州日新流量儀器儀表有限公司），量程30?500 L?h?1。三通分流閥及閘閥均為遠(yuǎn)程控制電動(dòng)操作，調(diào)節(jié)三通分流閥可控制主實(shí)驗(yàn)段與旁通回路間熔鹽流量分配。熔鹽管路設(shè)置電伴熱及保溫層，熔鹽泵及閥門均設(shè)置通導(dǎo)熱油（單獨(dú)的循環(huán)導(dǎo)熱油機(jī)）的夾套，用于預(yù)熱及保溫。

1.1.3 導(dǎo)熱油回路

導(dǎo)熱油回路主要包括導(dǎo)熱油槽、導(dǎo)熱油泵、冷卻器及流量計(jì)等。導(dǎo)熱油溫度由油槽加熱器及冷卻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，加熱器功率10 kW，導(dǎo)熱油泵為變頻高溫離心泵，揚(yáng)程20 m，導(dǎo)熱油流量大小通過導(dǎo)熱油泵的變頻功率調(diào)節(jié)，測(cè)定采用靶式流量計(jì)，量程1.5?15 m3?h?1。冷卻器采用一臺(tái)風(fēng)冷器和一臺(tái)水冷板式換熱器，總最大冷卻功率約為15 kW。

實(shí)驗(yàn)過程中所有的操作采用分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System, DCS)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，如加熱器、泵、閥門等的開啟，裝置運(yùn)行參數(shù)及實(shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)如溫度、流量、壓力等均可實(shí)時(shí)采集并記錄，數(shù)據(jù)記錄間隔為1 s，可根據(jù)需要選取。

1.2 試劑

實(shí)驗(yàn)中使用的熔鹽（實(shí)驗(yàn)介質(zhì)）為市場采購的固體混合硝酸鹽（山東濰坊昌盛硝鹽有限公司生產(chǎn)，40.0-7.0-53.0wt%NaNO2-NaNO3-KNO3，熔點(diǎn)142 oC），熔鹽裝載量220 kg。

導(dǎo)熱油為市場采購的美孚605，溫度?6?300oC，密度0.86 g?mL?1(15 oC)，比熱容1.87 kJ?kg?1?oC?1(50oC)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)干法后處理工藝特點(diǎn)，結(jié)合冷凍壁技術(shù)的應(yīng)用方式，實(shí)驗(yàn)研究主要分以下三種不同模式開展。

1.3.1 冷凍壁靜態(tài)形成

(1) 將固體鹽在加熱儲(chǔ)罐2內(nèi)加熱至250 oC熔融并保溫，同時(shí)開啟電伴熱將熔鹽泵、管道、閥門等預(yù)熱至200 oC；(2) 通過氣體壓送的方式將熔鹽從加熱儲(chǔ)罐2中轉(zhuǎn)移到加熱儲(chǔ)罐1中，同時(shí)對(duì)熔鹽泵進(jìn)行充液灌泵，然后啟動(dòng)熔鹽旁通循環(huán)回路，并通過加熱罐1的加熱及電伴熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)熔鹽到預(yù)期的溫度；(3) 開啟導(dǎo)熱油循環(huán)泵并控制實(shí)驗(yàn)所需流量，通過導(dǎo)熱油槽電加熱器及冷水機(jī)調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油到實(shí)驗(yàn)所需溫度，即保證進(jìn)試驗(yàn)罐夾套的導(dǎo)熱油溫度恒定；(4) 調(diào)節(jié)三通分流閥讓熔鹽進(jìn)入冷凍壁試驗(yàn)罐，到達(dá)溢流口后三通分流閥調(diào)回原位，旁通回路中的熔鹽則繼續(xù)循環(huán)備用，此時(shí)試驗(yàn)罐內(nèi)熔鹽處于靜止?fàn)顟B(tài)，并且與導(dǎo)熱油進(jìn)行換熱；(5) 保持導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度及流量穩(wěn)定，使冷凍壁逐漸形成，并用機(jī)械卡尺測(cè)量不同時(shí)刻冷凍壁厚度，試驗(yàn)罐內(nèi)溫度分布由DCS系統(tǒng)自動(dòng)記錄；(6) 冷凍壁達(dá)到預(yù)期厚度后，結(jié)束本工況試驗(yàn)，將殘余熔鹽排掉以觀察冷凍壁形態(tài)及均勻性，或者直接開啟三通閥分流用熔鹽將冷凍壁沖刷熔化，以進(jìn)行下一組工況的實(shí)驗(yàn)；(7) 所有工況實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉系統(tǒng)運(yùn)行，打開閘閥將所有熔鹽排放至加熱儲(chǔ)罐2中冷卻儲(chǔ)存，以便下次實(shí)驗(yàn)使用。

1.3.2 冷凍壁靜態(tài)平衡維持

開展冷凍壁靜態(tài)維持實(shí)驗(yàn)時(shí)，則在完成§1.3.1的步驟(4)后，即試驗(yàn)罐中充滿熔鹽并保持靜止時(shí)，開啟試驗(yàn)罐中心加熱棒（設(shè)置為恒定功率），以模擬燃料鹽衰變熱，同時(shí)保持導(dǎo)熱油溫度及流量恒定，DCS系統(tǒng)自動(dòng)記錄溫度、流量等信息，并用機(jī)械卡尺和熱電偶監(jiān)測(cè)冷凍壁厚度，直至達(dá)到持續(xù)60?90min的平衡狀態(tài)。

式中，Φ為穿越冷凍壁層的熱流量，W；1為冷凍壁與熔鹽界面處溫度，oC；2為冷凍壁與金屬內(nèi)壁界面處溫度，oC；3為金屬外壁溫度，oC；1為固體鹽導(dǎo)熱系數(shù)，W?m?1?oC?1；2為金屬壁導(dǎo)熱系數(shù)，W?m?1?oC?1；為容器高度，m；1為中心至冷凍壁與熔鹽界面處的距離，mm；2為中心至金屬內(nèi)壁距離，mm；3為中心至金屬外壁距離，mm。冷凍壁的厚度即為2?1，mm。

1.3.3 冷凍壁靜態(tài)應(yīng)用模擬

冷凍壁實(shí)際應(yīng)用的模擬實(shí)驗(yàn)方式是在形成一定厚度的冷凍壁厚后，排放掉液體熔鹽，然后通入一定溫度的模擬燃料鹽（中心加熱棒模擬燃料鹽中裂變產(chǎn)物的衰變熱），并讓熔鹽保持靜止，試驗(yàn)冷凍壁形態(tài)及厚度的變化情況及影響因素，以獲得保持冷凍壁穩(wěn)定的工藝操作參數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)研究中，通過記錄試驗(yàn)罐內(nèi)熔鹽溫度、發(fā)熱功率、導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫度及流量等數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)傳熱原理[13]，獲得冷凍壁在制造形成及維持狀況下的傳熱規(guī)律。圖3為冷凍壁層的熱傳導(dǎo)示意圖，某時(shí)刻穿越冷凍壁層及金屬壁層的熱流量Φ可由式(1)得到，由此可根據(jù)任意兩個(gè)處于冷凍壁內(nèi)熱電偶的溫度來計(jì)算熱流量。

循環(huán)導(dǎo)熱油與金屬外壁之間的傳熱方式為對(duì)流換熱，導(dǎo)熱油冷卻換熱功率oil可由式(2)得到：

式中，oil為導(dǎo)熱油冷卻熱流量，W；oil為導(dǎo)熱油密度，kg?m?3；oil為導(dǎo)熱油流量，m3?s?1；oil為導(dǎo)熱油比熱容，J?kg?1?oC?1；outlet為導(dǎo)熱油出口溫度，oC；inlet為導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度，oC。

圖3 冷凍壁層熱傳導(dǎo)

Fig.3 Heat conduction of frozen-wall layer.

2 結(jié)果與討論

2.1 冷凍壁靜態(tài)形成

冷凍壁形成時(shí)采用無發(fā)熱的載體空白熔鹽，試驗(yàn)罐受夾套內(nèi)循環(huán)導(dǎo)熱油的作用而壁面溫度降低，使得試驗(yàn)罐內(nèi)高溫熔鹽在內(nèi)壁凝固而形成冷凍鹽保護(hù)層，通過維持熱流一維傳導(dǎo)使凝固界面向逆熱流方向推進(jìn)。圖4為熔鹽初始溫度180 oC、導(dǎo)熱油入口溫度40 oC、流量2.3 m3?h?1時(shí)冷凍壁靜態(tài)形成過程的凝固鹽層形成情況。隨冷卻時(shí)間的推移，緊貼壁面的凝固鹽區(qū)域向中心擴(kuò)展，冷凍壁厚度逐漸增大。圖5為熔鹽起始溫度180 oC、入口溫度40 oC、流速2.3 m3·h?1時(shí)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)罐中部徑向溫度的變化趨勢(shì)，各測(cè)溫點(diǎn)溫度均逐漸降低，最靠近壁面的1#熱電偶溫度下降最快，很快降至熔點(diǎn)之下(142 oC)，2#?5#熱電偶溫度也依次降至熔點(diǎn)之下，表明熔鹽由壁面至中心逐層凝固，約在50 min時(shí)冷凍壁厚度達(dá)到20 mm。

實(shí)驗(yàn)比較了不同入口導(dǎo)熱油溫度下，冷凍壁厚度隨時(shí)間的變化情況(圖6)。從厚度變化趨勢(shì)來看，入口導(dǎo)熱油溫度越低，對(duì)壁面冷卻效果越好，冷凍壁形成速率越快，當(dāng)導(dǎo)熱油入口溫度為20 oC、40 oC和60 oC時(shí)，平均形成速率分別約為0.5 mm?min?1、0.4 mm?min?1和0.3 mm?min?1。因此，在初始熔鹽溫度一定時(shí)，不同的入口導(dǎo)熱油溫度可獲得不同的冷凍壁形成速度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中試驗(yàn)罐內(nèi)的溫度梯度得到了不同厚度冷凍壁時(shí)的熱流量Φ，如圖7所示。從圖7可以看出，導(dǎo)熱油入口溫度越低，冷卻效果越好，初始熱流量Φ越大。由于固體鹽的導(dǎo)熱系數(shù)較小，隨著冷凍壁厚度增大，熱傳導(dǎo)變慢，熱流量Φ逐漸減小，但其變化量呈衰減趨勢(shì)。

另外通過熱量衡算可知當(dāng)初始熔鹽溫度一定時(shí)，冷凍壁形成過程的總換熱量僅與厚度相關(guān)，即形成相同厚度冷凍壁，無論冷卻條件如何，所需總換熱量基本一定，只是達(dá)到該厚度所需時(shí)間不同。

因此，對(duì)于冷凍壁的制造形成過程，只需根據(jù)熔鹽初始溫度，選擇合適的外壁冷卻條件，即可按一定速率形成所需厚度的冷凍壁。

2.2 冷凍壁靜態(tài)平衡維持

以中心加熱棒模擬燃料熔鹽中裂變產(chǎn)物的衰變熱，進(jìn)行了冷凍壁靜態(tài)平衡維持實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中熔鹽在試驗(yàn)罐中靜止，中心加熱功率、導(dǎo)熱油入口溫度、導(dǎo)熱油流量均保持恒定。達(dá)到平衡狀態(tài)后(圖8(a))，徑向溫度場分布維持不變(圖8(b))，冷凍壁厚度保持穩(wěn)定。

根據(jù)靜態(tài)平衡狀態(tài)下試驗(yàn)罐內(nèi)溫度梯度、導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫度及導(dǎo)熱油流量的數(shù)據(jù)，由式(1)和(2)得到Φ和oil(表1)，三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，其導(dǎo)熱油入口溫度均為20 oC，導(dǎo)熱油流量均為2.3 m3?h?1。結(jié)果表明，當(dāng)冷凍壁處于靜態(tài)平衡態(tài)時(shí)，冷凍壁厚度保持不變，加熱棒功率大體接近穿越冷凍壁層及金屬壁層的熱流量Φ，后者則接近于導(dǎo)熱油冷卻熱流量oil，在平衡狀態(tài)下既沒有多余殘留的熱量使冷凍壁減薄，也沒有過量冷卻使冷凍壁加厚。而且正如預(yù)期的那樣，加熱棒功率略大于Φ，而Φ又略大于oil。這是因?yàn)樵囼?yàn)罐底部、上部及部分外壁都會(huì)通過環(huán)境散熱造成部分熱量損失。

表1 冷凍壁靜態(tài)平衡時(shí)熱流量衡算

由以上熱流量衡算可知，在實(shí)際燃料鹽干法處理過程中，裂變產(chǎn)物的衰變熱功率決定了平衡狀態(tài)的傳熱特點(diǎn)。由于乏燃料燃耗程度不同，衰變熱功率也會(huì)有所差異，因此實(shí)驗(yàn)中模擬了不同中心加熱工況下，靜態(tài)平衡時(shí)冷凍壁層的溫差及厚度，以及其受導(dǎo)熱油入口溫度的影響，如圖9所示。從圖9中可以看出，達(dá)到相同熱流量的狀態(tài)下，導(dǎo)熱油入口溫度越低，冷凍壁層溫差(Δ)越大，對(duì)應(yīng)的冷凍壁厚度越大。而對(duì)于相同導(dǎo)熱油入口溫度時(shí)，熱流量越小的狀態(tài)，冷凍壁層溫差越大，對(duì)應(yīng)的冷凍壁厚度越大。

因此冷凍壁在實(shí)際乏燃料鹽處理中應(yīng)用時(shí)，鑒于裂變產(chǎn)物的衰變熱功率將近似等于平衡時(shí)的熱流量，而衰變熱功率在工藝處理時(shí)間段內(nèi)基本為定值，因此，可通過選擇合適的外壁冷卻條件來使所需厚度的冷凍壁保持穩(wěn)定。

2.3 冷凍壁靜態(tài)應(yīng)用

在冷凍壁實(shí)際應(yīng)用中，一般是在形成一定厚度的冷凍壁后再通入待處理的燃料鹽。為減少燃料鹽成分與冷凍壁成分的交換，并維持一定厚度，需要通過控制換熱條件，盡量減小冷凍壁的熔化或者燃料鹽的凝固。為摸索工藝條件，開展了冷凍壁靜態(tài)應(yīng)用模擬實(shí)驗(yàn)，初始以空白熔鹽形成一定厚度冷凍壁后，通入模擬衰變熱熔鹽（具有一定初始溫度并加載恒功率加熱棒），測(cè)試?yán)鋬霰诘淖兓皽囟确植甲兓?/p>

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定厚度冷凍壁中通入熱的熔鹽后冷凍壁受熱沖擊，厚度會(huì)急速下降，然后隨著持續(xù)冷卻換熱，又有部分熔鹽凝固形成冷凍壁，并逐漸達(dá)到平衡態(tài)。通過對(duì)各種影響因素的研究，發(fā)現(xiàn)只有合適的冷凍壁初始厚度、初始熔鹽溫度、熔鹽發(fā)熱功率及導(dǎo)熱油入口溫度才能保證靜態(tài)應(yīng)用時(shí)冷凍壁厚度波動(dòng)最小化。圖10表示了三組較理想的應(yīng)用工況，初始冷凍壁厚度為10 mm，中心加熱功率為2 kW，熔鹽初始溫度為180 oC，導(dǎo)熱油入口溫度分別為20 oC、40 oC和60 oC，初始冷凍壁熔化量在可接受范圍，且只有很少量的熔鹽重新凝固，這樣既達(dá)到了保護(hù)器壁的目的，又盡量減少了對(duì)工藝介質(zhì)的影響。

因此在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)燃料鹽的具體溫度及裂變產(chǎn)物衰變熱功率情況，選擇合適的初始冷凍壁厚度及冷卻條件。

3 結(jié)語

為開展熔鹽冷凍壁技術(shù)研究而自行研制的實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)到了較好的運(yùn)行效果，基本滿足硝酸鹽冷凍壁實(shí)驗(yàn)研究的需求。主要運(yùn)行參數(shù)為：熔鹽裝載量220 kg，熔鹽溫度150?250 oC，最大流量500 L?h?1，循環(huán)導(dǎo)熱油溫度5?120 oC，流量1.5?15 m3?h?1。

冷凍壁形成實(shí)驗(yàn)研究表明，冷凍壁初始形成時(shí)，熱交換量大。隨著厚度增大，熱交換量逐漸減小，同時(shí)冷凍壁層溫差逐漸增大，但均呈衰減趨勢(shì)變化。冷凍壁形成速率能較好地控制在0.2?0.5 mm?min?1。

冷凍壁靜態(tài)平衡維持時(shí)，裂變產(chǎn)物衰變熱功率（加熱棒模擬）、冷凍壁層熱流量及外壁導(dǎo)熱油冷卻熱流量趨于相等，容器內(nèi)外層處于穩(wěn)定的傳熱狀態(tài)。達(dá)到相同熱流量的狀態(tài)下，導(dǎo)熱油入口溫度越低，冷凍壁層溫差越大，對(duì)應(yīng)的冷凍壁厚度越大，而對(duì)于相同導(dǎo)熱油入口溫度時(shí)，熱流量越小的狀態(tài)，冷凍壁層溫差越大，對(duì)應(yīng)的冷凍壁厚度越大。

通過實(shí)驗(yàn)摸索了冷凍壁在熔鹽靜態(tài)工況下的應(yīng)用工藝，結(jié)果表明需要根據(jù)熔鹽溫度及其發(fā)熱功率，選擇合適的初始冷凍壁厚度、導(dǎo)熱油入口溫度等參數(shù)，以獲得比較理想的冷凍壁靜態(tài)應(yīng)用效果。目前僅開展了固定影響因素情況下的實(shí)驗(yàn)，后續(xù)還將動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)影響因素，以獲取更加靈活可靠的應(yīng)用工藝條件。

通過在硝酸鹽冷凍壁實(shí)驗(yàn)裝置上開展實(shí)驗(yàn)研究，獲得了一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)氟化物熔鹽冷凍壁的研究及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

致謝 感謝復(fù)旦大學(xué)侯惠奇老師在實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及建造過程中提供的指導(dǎo)和建議。

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Experimental research on the formation and controlling of molten salt frozen-wall

ZHOU Jinhao1,2SUN Bo1,2SHE Changfeng1,2DOU Qiang1,2LONG Dewu1,2LI Qingnuan1,2WU Guozhong1,2

1(,,,,);2(,,,)

Background:As corrosion of processing equipment from the high aggressive reagent is a serious problem during the pyroprocessing, the molten salt frozen-wall is proposed as an option for protecting the metallic walls from corrosion by a layer of frozen salt. Purpose: In order to study this means of corrosion protection, the research on the formation and controlling of molten salt frozen-wall was carried out. Methods: Nitrate molten salt (melt point: 142 oC) was used as the research medium and heat transfer oil was adopted as coolant. An experimental platform for the research of molten salt frozen-wall was built, which contains an up-flow tapered test tank covered with heat exchange jacket. The frozen-wall was formed and maintained by controlling the internally heating and the cooling of outer part of the test tank. The thickness of frozen wall was directly measured by caliper and also figured out by the measured temperatures. Results: The operation temperature of molten salt ranges from 150 oC to 250 oC; the maximum flowrate of molten salt is 500 L?h?1; the operation temperature of heat transfer oil ranges from 5 oC to 120 oC; and the flowrate of oil ranges from 1.5 m3?h?1to 15 m3?h?1. Under the expected operating conditions, a layer of frozen can be easily and predictably deposited and maintained on surfaces contacted by the salt. The molten salt frozen-wall was adherent and stable. The average formation rate ranges from 0.2 mm?min?1to 0.5 mm?min?1. The heat flow decreases with the thickness increasing during the process of formation, at the same time temperature difference through frozen-wall layer gradually increased, and the change trends are all damped. The frozen-wall could reach static equilibrium by controlling the heat transfer rate. When frozen-wall is in a state of balance, the temperature gradient and the thickness of frozen-wall are constant; the decay heat of fission produces simulated by heating rod is equal to the heat flow through frozen-wall layer, and is also equal to the cooling power of heat transfer oil. We also simulated the real application scenarios to test the operation parameters and get some good results. Conclusion: All the research results would be helpful for the developing of fluoride molten salt frozen-wall technology.

Molten salt, Reactor, Pyroprocessing, Frozen-wall, Heat transfer

TL244

TL244

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.070602

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目(No.XDA02030000)資助

周金豪，男，1986年出生，2010年于華東理工大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要從事核燃料干法分離技術(shù)研究

竇強(qiáng)，E-mail: douqiang@sinap.ac.cn

2015-01-16，

2015-03-18