纳米流体在先进反应堆安全系统中应用的基础理论研究

熔融物堆内滞留-压力容器外部冷却（IVR-ERVC）是缓解堆芯熔融严重事故，保证反应堆安全的重要策略之一。冷却介质在反应堆压力容器底封头处的沸腾传热系数和临界热通量是决定IVR-ERVC系统热裕量的两个重要参数。鉴于纳米流体在强化沸腾传热和提高临界热通量方面的巨大潜力，以及不对反应堆主系统设计构成干扰的优势，课题组提出了采用纳米流体替代常规冷却介质（水）作为IVR-ERVC系统冷却介质的新思路，并开展了大量的前期工作，初步证明了纳米流体应用于IVR-ERVC系统的可行性。本项目就是在前期研究的基础上将没有深入研究的问题及研究中发现的新问题进一步深入下去，拟研究纳米颗粒沉积对金属表面形态的影响规律及其提高沸腾传热系数和临界热通量的机理，分析纳米流体在受限夹层空间内的沸腾两相流行为，并根据上述结果建立纳米流体沸腾两相流多维理论模型，为我国CAP1400核电技术的开发奠定必要的理论和实践基础。

熔融物堆内滞留-压力容器外部冷却（IVR-ERVC）是缓解堆芯熔融严重事故，保证反应堆安全的重要策略之一。鉴于冷却介质在反应堆压力容器底封头处的沸腾传热系数（HTC）和临界热通量(CHF)决定了IVR-ERVC系统热裕量的大小，如何提高冷却介质的传热性能成为关乎反应堆安全的关键。近年来向基液中加入纳米颗粒制成纳米流体以其高效、简便等特点成为最有前景的强化换热的方法之一。大量实验表明，即便对于浓度极低的稀相纳米流体（纳米颗粒体积浓度小于0.1%）其CHF相比于其基液的提高幅度可高达200%。可预见，采用纳米流体替代常规冷却介质作为IVR-ERVC系统冷却介质成为未来防范沸腾危机、保障核反应堆安全的新思路。但是作为一种全新的介质，纳米流体的核态沸腾具有很多不同于纯工质的新奇特性。例如，实验观测到在纳米流体沸腾过程中，纳米颗粒会沉积到加热壁面上，同时汽泡在加热壁面上的生长及脱离行为也会发生变化。不仅如此，纳米颗粒泡状流的两相流结构也不同于纯工质泡状流。人们对于这些现象的内在机理还缺乏足够的认识，相应的理论预测模型尚无建立，这大大阻碍了纳米流体在工业系统中的应用。因此，本课题通过对纳米流体的新奇特性进行基础理论研究，旨在建立适用于纳米流体的沸腾传热模型，以期实现对于纳米流体传热性能的准确预测。.本课题的研究依据纳米流体的特性分为两个部分：第一部分探究了纳米颗粒对于加热壁面的作用，包括：(1)纳米流体沸腾过程中纳米颗粒在加热壁面上的沉积过程及机理以及纳米颗粒沉积对加热壁面形态和性质（表现于壁面粗糙度、润湿度、多孔性及毛细作用等）的影响，(2)加热壁面形态及性质的变化对于壁面上的汽泡成核、生长及脱离行为以及纳米流体沸腾传热性能（包括传热系数及临界热通量）的影响，(3)纳米颗粒沉积对于汽泡下方的微液层导热的影响及微液层内纳米颗粒的布朗运动增强导热的机理分析；第二部分探究了纳米颗粒对于气液两相流结构的影响，包括：(1)纳米流体泡状流的流动参数（截面含气率，气泡速度，气泡尺寸及界面浓度等）的变化分析，(2)纳米颗粒对于气泡受力的影响（升力和曳力等）及机理分析，(3)纳米颗粒对于气泡聚合的影响及机理分析。本课题在基础理论研究的基础上首次建立了纳米流体两相流沸腾模型，为我国CAP1400核电技术的开发奠定了必要的理论基础。