一种在试验条件下测定气溶胶浓度和行为的试验系统的制作方法

本发明属于安全壳内气溶胶试验技术领域，具体涉及一种在试验条件下测定气溶胶浓度和行为的试验系统。

背景技术：

在传统的第二代压水堆中，一般采用干式密封安全壳。安全壳由钢筋混凝土制成，并专门设置了安全壳喷淋系统，可以在事故工况下，降低安全壳内的压力和温度。第三代大型先进压水堆ap1000中设置了非能动安全壳冷却系统，该系统由一台与安全壳屏蔽构筑物结构合为一体的储水箱、从水箱经由流量分配装置将水输送至安全壳壳体的管道，以及相关的仪表、管道和阀门构成。

核电厂在严重事故情况下，放射性物质以气体、蒸汽、气溶胶形式释放。其中，气溶胶是悬浮在气体中的固态或液态颗粒，是放射性物质释放的主要载体，其在空间中扩散、分布和沉积等过程，在反应堆严重事故安全领域受到重点关注。

在第二代压水堆安全壳中，气溶胶颗粒沉积机理以重力沉降为主，热泳、扩散泳和布朗扩散三种沉积机理相对次要。在第三代先进压水堆ap1000中，由于非能动安全壳冷却系统能够降低钢制安全壳温度，温度相对降低的安全壳形成冷壁，使固体表面和气空间的温度梯度增强，同时增强了安全壳内的蒸汽冷凝，影响了气溶胶的热泳、扩散泳沉积作用，进而影响了气溶胶在安全壳内的沉积情况。

目前国内外进行的气溶胶试验，主要以第二代压水堆安全壳作为研究对象。世界各国在研究严重事故情况下，核电厂安全壳内的气溶胶行为试验中，采用的安全壳模型如下所示。

1、demona

demona试验由德国联邦研究技术部(bmft)和美国核管会(usnrc)资助，在battelle安全壳模拟试验装置上进行，研究压水堆堆芯熔化情况下气溶胶在安全壳内的自然移除现象。试验所用的钢筋混凝土结构安全壳模型容积为626m3，与德国压水堆安全壳形状相似。内部分为多个隔室。在靠近底部的位置注入蒸汽来维持压力，以使安全壳气空间能较好地混合。

试验的主要特点有：(1)多隔室，各隔室热工水力情况不同；(2)考虑局部凝结及其对气溶胶沉积的影响；(3)饱和蒸汽、过饱和蒸汽环境中，不溶气溶胶、吸湿气溶胶的行为；(4)氢气爆燃对气溶胶行为的影响(干燥再悬浮)。

battelle安全壳模型为钢筋混凝土结构，划分为9个隔室，隔室间有开口相连。在试验开始时注入蒸汽加热安全壳，吸湿的naoh气溶胶由3个等离子体炬产生并分别在两个不相邻的时间段注入到隔室内。

在安全壳模型中的7个位置设置远程控制的过滤器测点，用来测量气溶胶浓度和粒度分布。每个测点设置12个过滤器样本，其中8个过滤器样本测量气溶胶浓度随时间的变化，另外4个过滤器样本测量气溶胶粒度分布。通过对过滤器沉积量称重，并测量通过过滤器的气流体积可以得出气溶胶浓度。典型测量误差为测量值的12％～30％。为了得到颗粒粒度分布，4个过滤器必须沉积相对少量的气溶胶材料(沉积量小于单层颗粒)。使用扫描电子显微镜观察过滤器，并用半自动光学方法(假定沉积的颗粒均为球形)计算颗粒数量分布和质量分布。

2、kaever

1993年～1997年在位于德国法兰克福的battelle研究所进行的kaever项目，主要研究轻水堆堆芯融化时不同热工水力情况下的气溶胶沉积行为。试验装置为钢制水平圆柱形容器，容积为10.595m³，容器外表面的绝大部分覆有绝热层，绝热层和钢制容器壁之间装有绝缘层。试验压力范围是1.06～3.5bar，温度范围是85～100℃。

加热盛有待蒸发气溶胶材料的坩埚，当材料蒸发时便产生气溶胶。使用氮气作为气溶胶载体输运到试验容器中，并对气体流量实时监测。使用取样线提取气溶胶样本。过滤器分析可以给出干燥颗粒的浓度和粒度分布。此外，冲击器的样本也能给出气溶胶的粒度分布。光度计测量具有12个不同的光谱波长，能够给出气空间中的浓度大小和粒度分布。

3、thai

位于德国eschborn的thai试验设施(thermalhydraulics,aerosols,iodine)自1998年起运行，为集总参数和计算流体力学安全壳分析程序的验证提供试验数据。thai设施的主体是一个60m3的不锈钢容器，高9.2m，直径3.2m。可运行于180℃、1.4mpa的工况下，能承受缓和的氢气爆燃。可以利用活动的内部构件将容器分隔为多个隔室。容器的圆柱体部分安装三个独立的加热/冷却封套，用于控制壁面温度，容器外表面和加热/冷却封套用石棉做绝热处理。顶部设有大型法兰和两个人孔。五个高度和周向位置的测量法兰可以安装原位光学和常规仪表或采样线。供给系统能够在多个位置注入蒸汽、空气、气体(氦气或氢气)、碘或气溶胶。

以上3种是现有的较为典型的严重事故条件下气溶胶行为试验系统及其试验方法。试验系统中，均包括安全壳模型、气溶胶发生、测量系统等，但安全壳模型均以第二代压水堆安全壳作为研究对象，都不能用于模拟第三代核电厂ap1000的非能动安全壳冷却系统，因此，需要设计新的试验系统来进行试验。

另外，除thai设施外，均未考虑对壁面温度的控制问题。而thai仅设计了独立的加热/冷却封套，无法应对大量蒸汽冷凝条件下的散热问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在试验条件下测定气溶胶浓度和行为的试验系统，解决非能动冷却下安全壳内气溶胶行为试验测定问题。

本发明的技术方案如下：一种再试验条件下测定气溶胶浓度和行为的试验系统，该系统包括试验容器，以及与试验容器同时相连接的气溶胶发生系统、水温控制系统、蒸汽发生系统、气溶胶测量系统以及氢气燃烧系统，其中，试验容器为侧壁带有夹层的筒体结构，其通过水温控制系统对试验容器内部的温度进行控制；气溶胶发生系统可产生气溶胶并输送至试验容器；蒸汽发生系统可为试验容器提供固定温度的饱和蒸汽；氢气燃烧系统通过对氢气燃烧控制，为试验容器生成所需的膨胀气流；气溶胶测量系统包括气溶胶采样测量模块以及滤膜收集测量模块，通过采样测量模块获得气溶胶的粒径分布；利用滤膜收集测量模块利用称重法和扫描电子显微镜观察相结合，分析二次生成的气溶胶的质量和组成。

所述的试验容器内外壁面之间的夹层中可流通冷却水，形成水套结构，对试验容器内壁进行温度控制；其中，所述的试验容器侧壁内外壁之间水套结构为上中下三层结构，可分别对所述的三层水套中的冷却流体进行单独控制。

所述的试验容器与水温控制系统相连接，所述的水温控制系统包括热交换器、水过滤器、内加热器以及空冷机，所述的热交换器一端通过管道分别与水过滤器、内加热器相连接后，接入试验容器外侧壁下端的水套入水口，所述的热交换器另一端通过稳压器与试验容器外侧壁上端的水套出水口相连接，且热交换器的换热端接入空冷机，利用空冷机管道循环的冷却介质对热交换器中的热量进行交换。

所述的稳压器设置在试验容器中水套冷却回路的最高位置处，且稳压器连通氮气瓶顶压，用于维持水套回路内压力恒定；所述的热交换器为管壳式热交换器，其与空冷机、内加热器相互配合，对试验容器中水套对冷却介质进行温度控制。

所述的蒸汽发生系统包括蒸汽发生器及补水箱，其中，蒸汽发生器为圆柱型不锈钢容器，其内部安装有加热器，可产生高温高压蒸汽；蒸汽发生器通过蒸汽供应管路与试验容器下部的手孔相连接，利用长管通入至试验容器水套区域下方，在管口设有挡板，用于蒸汽分流；补水箱通过水泵与蒸汽发生器相连接，通过补水箱为蒸汽发生器供应去离子水。

所述的气溶胶采样测量模块包括光学粒子计数器、凝结核计数器、串级冲击式采样器、差分电迁移率计数器以及光学粒径谱仪，其中，若干个所述的光学粒子计数器设置在试验容器的高中低不同位置，并通过设置在侧边法兰上的取样管，测量再悬浮和再夹带试验过程中试验容器里的气溶胶数量浓度，并对容器中气溶胶取样代表性进行分析；所述的凝结核计数器利用布置在电加热水池表面附近区域的取样管，测量再夹带生成粒子的数量浓度；所述的串级冲击式采样器、差分电迁移率计数器、光学粒径谱仪布置在气溶胶再悬浮样品、再夹带水池上方区域，以获得气溶胶的粒径分布。

所述的气溶胶采样测量模块包括气溶胶采样管后端的采样缓冲装置，可对采样气进行1:10～1:100稀释，再通过其他现有气溶胶测量设备进行测量。

所述的滤膜收集测量模块包括滤膜、滤膜夹，其中，所述的滤膜固定在滤膜夹中，并安装在采样管后端，采样管位于气溶胶再悬浮试验盘或再夹带模块上方，配合后端的手动式变频泵收集受到这两种机理而再次释放的气溶胶，利用称重法和扫描电子显微镜观察分析相结合的方式，分析二次生成的气溶胶的质量和组成。

所述的气溶胶测量系统还包括可视化观测模块，所述的可视化观察模块包括高速摄像头、普通监控摄像头、照明设备、数据传输及存储设备，其中，所述的高速摄像头为耐温、耐压、防潮、耐冲击的工业高速摄像头，其可以记录再夹带试验中，电加热水池中气泡上升阶段的气泡大小和电加热水池表面破裂的气泡大小，有助于观察试验中气泡对再夹带中气溶胶二次生成的影响。

所述的氢气燃烧系统包括氢气氧气预混容器、燃烧管控制器以及流量计，其中，所述的氢气氧气预混容器通过燃烧管控制器及流量计接入试验容器；所述的氢气氧气预混容器可将氢气和氧气以一定比例混合，并利用燃烧管控制器，根据试验所需的压力把气体混合物输入已抽真空的氢气燃烧管内，利用点火装置引燃，膨胀的热气通过燃烧管的喷嘴喷出，通过控制氢气和氧气体积比、注入量来控制生成的压力尖峰和膨胀热气的流速。

该系统还包括氢气浓度监测模块，所述的氢气浓度监测模块直接设置在试验容器上，用于测量试验容器内部的氢气浓度。

所述的气溶胶发生系统包括气溶胶发生模块和氮气瓶，其中，所述的气溶胶发生模块与试验容器直接相连接，所述的氮气瓶直接与气溶胶发生模块相连接，通过氮气瓶中的压缩气体作为载流，将气溶胶发生模块中的气溶胶输送至试验容器内，其中，氮气瓶中存储2～4bar压力的压缩气体。

本发明的显著效果在于：本发明所述的一种在试验条件下测定气溶胶浓度和行为的试验系统能够系统、全面地对第三代核电厂的非能动安全壳内气溶胶迁移行为进行试验模型研究，利用水冷双层安全壳，对ap1000的钢制安全壳进行较好的模拟，提供真实气溶胶环境的试验模拟，方便开展严重事故条件下气溶胶行为试验。

附图说明

图1为本发明所述的一种在试验条件下测定气溶胶浓度和行为的试验系统结构示意图；

图中：1、氮气瓶；2、气溶胶发生模块；3、氢浓度监测模块；4、废气处理模块；5、卸压模块；6、气溶胶测量系统；7、补水箱；8、蒸汽发生器；9、水过滤；10、收集罐；11、水套入水口；12、内加热器；13、水过滤器；14、热交换器；15、稳压器；16、水套出水口；17、空冷机；18、氢气氧气预混容器；19、燃烧管控制器；20、流量计；21、试验容器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种在试验条件下测定气溶胶浓度和行为的试验系统，包括试验容器21、气溶胶发生系统、水温控制系统、蒸汽发生系统、废气废液收集系统以及氢气燃烧系统，其中，试验容器21为不锈钢圆柱筒体结构，其可以承受缓和的氢气燃烧，试验容器21的侧壁为双层结构，在内外壁面之间的夹层中可流通冷却水，形成水套结构，用于对试验容器21内壁进行冷却；在试验容器21内外壁面之间的水套形成上中下三层结构，可在三层水套中分别设有冷却回路，可分别对三层水套中的冷却流体进行分别控制；在试验容器21上设有若干个法兰孔，并分别与气溶胶发生系统、水温控制系统、蒸汽发生系统、废气废液收集系统、氢气燃烧系统及气溶胶测量系统6相连接，其中，水温控制系统包括热交换器14、水过滤器13、内加热器12以及空冷机17，热交换器14一端通过管道分别与水过滤器13、内加热器12相连接后，接入试验容器21外侧壁下端的水套入水口11，热交换器14另一端通过稳压器15与试验容器21外侧壁上端的水套出水口16相连接，且热交换器14的换热端接入空冷机17，利用空冷机管道循环的冷却介质对热交换器14中的热量进行交换；该稳压器15安装在试验容器21中水套冷却回路的最高位置处，且稳压器15连通氮气瓶顶压，用于维持水套回路内压力恒定；热交换器14为管壳式热交换器，其与空冷机17、内加热器12相互配合，对试验容器21中水套对冷却介质进行温度控制。

蒸汽发生系统包括蒸汽发生器8及补水箱7，其中，蒸汽发生器8为圆柱型不锈钢容器，其内部安装有加热器，可产生高温高压蒸汽；蒸汽发生器8通过蒸汽供应管路与试验容器21下部的手孔相连接，利用长管通入至试验容器21水套区域下方，在管口设有挡板，用于蒸汽分流；补水箱7通过水泵与蒸汽发生器8相连接，通过补水箱7为蒸汽发生器8供应去离子水。

废气废液收集系统包括废气处理模块4、卸压模块5以及收集罐10，其中，收集罐10通过管道和电磁阀安装在试验容器21的下端，通过试验容器21下方的液位计读数判断凝结水的收集量，并通过开启电磁阀，利用收集罐10收集试验容器21下端的凝结水；收集罐10通过水过滤9与蒸汽发生系统中的补水箱7相连接，将试验容器21中的凝结水再反馈至补水箱内；废气处理模块4通过卸压模块5与试验容器21相连接，其中，废气处理模块4包括旋风分离器和高效过滤器，其可以净化废气，防止试验过程中生成的气溶胶对环境造成污染，危害试验人员健康。

气溶胶测量系统6包括气溶胶采样测量模块、滤膜收集测量模块以及可视化观测模块，其中，气溶胶采样测量模块包括气溶胶采样管后端的采样缓冲装置，可对采样气进行1:10～1:100稀释，再通过测量设备进行测量；气溶胶采样测量模块还包括光学粒子计数器、凝结核计数器、串级冲击式采样器、差分电迁移率计数器以及光学粒径谱仪，其中，若干个光学粒子计数器安装在试验容器的高中低不同位置，并通过安装在侧边法兰上的取样管，测量再悬浮和再夹带试验过程中试验容器里的气溶胶数量浓度，并对容器中气溶胶取样代表性进行分析；凝结核计数器利用布置在电加热水池表面附近区域的取样管，测量再夹带生成粒子的数量浓度；串级冲击式采样器、差分电迁移率计数器、光学粒径谱仪布置在气溶胶再悬浮样品、再夹带水池上方区域，以获得气溶胶的粒径分布。滤膜收集测量模块包括滤膜、滤膜夹，其中，滤膜固定在滤膜夹中，并安装在采样管后端，采样管位于气溶胶再悬浮试验盘或再夹带模块上方，配合后端的手动式变频泵收集受到这两种机理而再次释放的气溶胶，利用称重法和扫描电子显微镜观察分析相结合的方式，分析二次生成的气溶胶的质量和组成。可视化观测模块包括高速摄像头、普通监控摄像头、照明设备、数据传输及存储设备，其中，高速摄像头为耐温、耐压、防潮、耐冲击的工业高速摄像头，其可以记录再夹带试验中，电加热水池中气泡上升阶段的气泡大小和电加热水池表面破裂的气泡大小，有助于观察试验中气泡对再夹带中气溶胶二次生成的影响。

氢气燃烧系统包括氢气氧气预混容器18、燃烧管控制器19以及流量计20，其中，氢气氧气预混容器18通过燃烧管控制器19及流量计20接入试验容器21，其中，氢气氧气预混容器18可将氢气和氧气以一定比例混合，并利用燃烧管控制器19，根据试验所需的压力把气体混合物输入已抽真空的氢气燃烧管内，利用点火装置引燃，膨胀的热气通过燃烧管的喷嘴喷出，通过控制氢气和氧气体积比、注入量来控制生成的压力尖峰和膨胀热气的流速，试验利用燃烧管生成所需的膨胀气流，燃烧管底部对准样品或容器壁面喷放气体以产生气溶胶再悬浮现象；

氢浓度监测模块3直接接入试验容器21，可用于测量试验容器21内部的氢气浓度。

气溶胶发生系统包括气溶胶发生模块1和氮气瓶2，其中，气溶胶发生模块1与试验容器21直接相连接，氮气瓶2直接与气溶胶发生模块1相连接，通过氮气瓶2中的压缩气体作为载流，将气溶胶发生模块1中的气溶胶输送至试验容器内，其中，氮气瓶2中存储2～4bar压力的压缩气体。