耐事故核燃料碳化硅包壳表面腐蚀形貌对沸腾传热性能影响的机理研究

Due to its superiority in suppressing hydrogen generation under severe accident conditions and its outstanding performance under in-core conditions, Silicon Carbide (SiC) cladding is one of the most promising candidates among the diverse designs of accident tolerant fuel (ATF) cladding. It has been reported that the corrosion morphology of SiC ceramics is completely different from the microstructure of the oxide layer of metallic materials. Recent boiling heat transfer studies show that the micro/nano-structure of the heater surface has substantial effect on the wall boiling heat transfer. In order to understand the effect of corrosion morphology on boiling heat transfer performance of SiC cladding, experimental investigation and theoretical analysis will be performed in the proposed project. For the experiments, an advanced coating technology and a micro-manufacturing technique will be utilized to mimic the features of the corrosion morphology on a heater surface. The behavior of vapor and liquid phases during boiling heat transfer will be monitored with a high-speed imaging system while the temperature of the heater is measured with a high-speed infra-red thermometry. The effect of morphology on heat flux distribution will be studied based on the solution of an inversed heat conduction problem. The force balance at the liquid-vapor phase interface, the hetergeneous nucleation at the heating surface and the instability at the interface will be theoretically analyzed under different boiling conditions to investigate the effects of corrosion morphology on the behavior of bubbles, potential dry patch, and vapor film. The key morphology parameters for boiling heat transfer will be identified and boiling heat transfer correlations will be derived based on the key thermal hydraulics and surface morphology related geometrical parameters. The outcome of this project will help the assessment of thermal-hydraulic performance of the SiC-cladded accident tolerant fuels during their in-service period.

碳化硅包壳在抑制严重事故产氢与堆内使役性能等方面的优越性使其成为耐事故核燃料包壳选材的最优方案之一。然而，腐蚀实验表明碳化硅包壳表面腐蚀形貌与金属氧化层微观结构迥异。鉴于表面微纳结构对沸腾传热的重要影响，本项目将从实验研究和理论分析两方面研究碳化硅包壳表面腐蚀形貌对沸腾传热的影响规律。在实验方面，将采用先进涂层技术及表面微加工技术在加热器表面复现碳化硅包壳表面腐蚀形貌，利用高速红外热像及高速摄像技术同步记录加热表面沸腾的相界面行为及壁面温度瞬变，并通过导热逆问题求解获取表面热流分布，从而分析腐蚀形貌对相界面行为和热流分配的影响规律。在理论分析方面，将从相界面受力平衡、气泡异质核化及不稳定性原理等方面分析腐蚀形貌对气泡、干斑及气膜行为的影响机理，锁定影响沸腾传热的关键形貌参数，并建立沸腾传热量与关键形貌参数的关联式。项目研究成果将为碳化硅包壳耐事故燃料服役期内的热工性能分析奠定科学基础。

在压水堆大破口失水事故的堆芯再淹没过程中，高温包壳表面会覆盖气膜阻止低温冷却水接触包壳表面，导致壁面无法快速冷却。仅在包壳表面温度降至最小膜态沸腾温度以下时，冷却水才能再湿润高温表面进入过渡沸腾，从而显著提升换热能力。在骤冷前沿下游的蒸汽冷却区域，夹带在蒸汽中的液滴撞击包壳壁面可以显著改善裸露区域的换热，降低燃料包壳峰值温度。事故容错燃料包壳具有优良的抗氧化能力，能够抑制高温条件下包壳与冷却水的释能产氢反应，提高反应堆耐受瞬态和事故工况的能力。本项目针对失水事故堆芯再淹没过程的骤冷以及液滴撞击冷却两个关键物理现象，开展碳化硅和铁铬铝等耐事故燃料包壳表面沸腾传热实验研究。.针对再淹没过程的骤冷现象，对比研究了事故容错燃料包壳铁铬铝、SiC等的骤冷行为，分析了冷却水过冷度、表面氧化特性、粗糙度和固体热物性等不同参数对骤冷过程沸腾传热的影响。采用高速相机对试样表面的骤冷沸腾传热行为进行可视化研究，利用内置热电偶测量骤冷过程的温度变化曲线。基于导热反问题，分析得到了试验样品表面的沸腾曲线，并根据最小热流密度准则确定了表面的最小膜态沸腾温度。过冷度的增大导致试样表面的气膜厚度减小，膜态沸腾换热系数随之增大；较薄的气膜厚度使得气膜更容易坍塌，因而大过冷度条件下的最小膜态沸腾温度更高。粗糙度的增大使得骤冷前沿附近的沸腾更加剧烈，产生大量的蒸汽进入气膜，使气膜更加稳定。因而，较大粗糙度的表面骤冷时间更长，最小膜态沸腾温度更小。与锆-4相比，铁铬铝的固体热物性增大，其骤冷时间能增大100%，最小膜态沸腾温度减小。综合以上因素的影响，提出了膜态沸腾换热关系式和最小膜态沸腾温度关系式。.针对液滴碰撞冷却现象，研究了液滴撞击冷却碳化硅、铁铬铝表面的行为，分析了Weber数、粗糙度、表面氧化以及固体热物性等参数对液滴碰撞传热的影响。基于高速相机的可视化结果，根据沸腾现象将液滴与加热表面的碰撞行为分为沉积，带二次液滴散射的反弹，带二次液滴散射的碎化，反弹以及碎化五种方式，并依据此分类对各种材料表面绘制了液滴碰撞相图。实验发现，随着Weber数的增大，液滴最大铺展直径增大，液滴Leidenfrost温度增大。基于液滴碰撞过程中的能量平衡，开发了液滴最大铺展直径模型。基于液体的均相核化理论，开发了液滴Leidenfrost温度的关系式。