一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验装置及实验方法

本发明涉及的是一种气溶胶颗粒沉积壁面制备的实验装置及实验方法。

背景技术：

1、在反应堆发生类似堆芯熔毁等严重事故后，堆芯的燃料元件包壳会大面积失效，放射性核素进入一回路并最终随冷却剂释放到安全壳内。气溶胶是放射性核素在安全壳气相空间的主要存在状态之一，会在安全壳内弥散并迁移。气溶胶的迁移途径可能有多种，壁面沉积是其中的一个重要途径。安全壳内壁有广阔的沉积表面，安全壳内还有很多设备和隔板，气溶胶在重力、布朗扩散、热泳及扩散泳等效应的作用下，会运动并沉积到设备表面、隔间地板和安全壳壁面。因此，固体壁面是严重事故后安全壳内放射性气溶胶的主要积存位置之一。气溶胶颗粒沉积壁面伴随的热工水力现象又会导致放射性二次迁移。一回路冷却剂泄漏发生闪蒸会促使安全壳内弥散大量的蒸汽，蒸汽在遇到安全壳内的壁面时会产生冷凝。壁面气溶胶颗粒的存在一方面会影响冷凝表面的结构，改变壁面凝结核的分布，也可能会引入冷凝换热热阻，进而对冷凝换热特性产生影响。另一方面，壁面冷凝水的产生会对沉积气溶胶颗粒产生冲刷，带来放射性气溶胶进一步的迁移，影响安全壳内的放射性分布特性。综上所述，气溶胶颗粒沉积表面的冷凝换热、气溶胶冲刷迁移等过程，会对安全壳内的热工水力特性及放射性迁移特性产生影响。因此为了评估其可能存在的影响机制，需要针对气溶胶颗粒沉积表面，开展冷凝换热及气溶胶冲刷等行为研究。

2、气溶胶的释放和迁移沉积在实际事故进程中会长时间的持续进行，气溶胶的沉积机制也存在多种变化，例如颗粒间的凝并现象、潮湿环境的吸湿增长、近壁面的扩散泳沉积及大空间的自然沉降等，这使得安全壳内不同时间的不同壁面气溶胶沉积特性存在着较大差异。不同粒径、不同质量密度的壁面气溶胶沉积对于冷凝换热及气溶胶冲刷迁移等过程可能产生不同的影响，为了准确评估沉积壁面的影响方式，针对单一变量下的沉积壁面开展实验研究是十分必要的。这为研究用气溶胶颗粒沉积壁面的制备和测量提出了较高的要求。

3、对于气溶胶冲刷的相关实验研究，沉积壁面的制备是必不可少的，专利号202210175277.2提出了一种壁面气溶胶冲模拟的方法，包含对气溶胶沉积壁面的制备，然而并未提及具体的制备方法和沉积量测量方法。“experimental and analyticalinvestigations of aerosol processes—wash-out and wash-down(freitag，2018)”在进行实验研究时，采用了沉积样片采样的方法测量了不同沉积壁面的沉积质量，测量方法直接可信，实验采用大空间沉积，沉积质量密度较为均匀。然而较多测量样片的放置改变了壁面结构会对冲刷过程有较大的影响。

4、经过调研发现，气相空间取样测量是评估气溶胶沉积特性的主要手段，如专利号201911116369.8和专利号202210280460.9提出的沉积特性测量方法，对管道空间进行采样，分别针对不同条件下的沉积特性和沉积率等进行测量，然而这些沉积特性测量仅针对不同的特定管道环境，难以较精确地适用于大空间沉积环境的评估。专利号201210163291.7提出了一种窄矩形通道内可视化的气溶胶运动沉积观测系统，可以建立窄矩形气溶胶沉积环境，并简单评估气溶胶的沉积运动规律，然而难以准确评估气溶胶的沉积量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供能够制备分布较为均匀的沉积壁面，并测量气溶胶颗粒沉积密度分布，为开展沉积壁面的热工特性实验提供支持的一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验装置及实验方法。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、本发明一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验装置，其特征是：包括空气压缩机、储气罐、干燥罐、流量计、气溶胶发生器、过渡段、沉积实验段、对照实验段、后处理水箱，空气压缩机、储气罐、干燥罐、流量计、气溶胶发生器、过渡段依次连接，储气罐与干燥罐之间安装第一阀门，干燥罐与流量计之间安装第二阀门，过渡段分别连接后处理水箱、沉积实验段和对照实验段，过渡段与对照实验段之间安装第三阀门，过渡段与反处理水箱之间安装第四阀门，过渡段与沉积实验段之间安装第五阀门，沉积实验段和对照实验段的出口分别连接反处理水箱，沉积实验段与反处理水箱之间设置第六阀门，对照实验段与反处理水箱之间设置第七阀门，后处理水箱设置第八阀门。

4、本发明一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验装置还可以包括：

5、1、所述过渡段包括入口段、段体，入口段安装在段体的前端，段体的后端设置排气口，入口段与段体之间设置过渡均流板，段体里设置有取样管。

6、2、所述沉积实验段包括沉积腔室、实验壁面，实验壁面安装在沉积腔室下方，二者通过g型夹和橡胶垫片相连，沉积腔室顶端安装钢化玻璃，沉积腔室的前后两侧分别设置腔体入口段和排气口，腔体入口段与沉积腔室之间设置沉积均流板，沉积腔室里设置取样管，取样管连接粒径谱仪。

7、3、所述对照实验段与沉积实验段结构相同，对照实验段的地步设置有取样样片。

8、一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验方法，其特征是：

9、实验准备阶段：密封沉积实验段，对照实验段的实验壁面均匀布置样片，并进行密封，对所用气溶胶在120°环境下进行12小时的烘干，去除水分，启动空气压缩机向储气罐充气20分钟来进行高压气源制备，开启第八阀门向后处理水箱注入水至预设水位，打开第二-第七阀门，开启第一阀门通入干空气并排除水分，排气完毕后关闭第一阀门，向气溶胶发生器内装入干气溶胶，关闭第二-第七阀门，连通过渡段的压力传感器和沉积实验段的压力传感器和流量计，开启粒径谱仪进行预热；

10、实验阶段：打开第一阀门调节至实验预设上游压力，开启第二阀门和第四阀门，过渡段和气溶胶发生器连通，在管路上游压力的作用下配送气溶胶及配送气流流入过渡段并经过第四阀门进入后处理水箱，含气溶胶气流经过水箱后气溶胶被过滤，调节第二阀门并监测流量计和过渡段压力传感器，建立预设的流动压力，开启第六阀门和第七阀门，调节第三阀门和第五阀门，向沉积实验段内引入配送气流，调节管路阀门稳定过渡段的压力并检测实验腔室压力传感器建立稳定的沉积腔室压力环境，同时对称测试腔室建立同样的压力环境，管路压力环境建立后检测压力及流量参数，调节阀门来保证配送及沉积环境的稳定，稳定后每隔五分钟开启沉积腔室取样管路阀门，分别对不同位置的气体进行取样测量，记录取样时间和取样位置，通过沉积腔室视窗实时关注腔室内部沉积情况；

11、实验结束：当沉积时间及预估沉积量满足要求时可结束实验，结束实验时首先关闭第一阀门，关闭空气压缩机，切断气源，关闭粒径谱仪并拷贝实验数据，关闭各仪表电源，静置实验装置，等待装置内气溶胶全部沉降后，打开沉积腔室获取沉积壁面，打开对称测试腔室取出沉积气溶胶后的样片，进行称重测量进而评估气溶胶沉积密度，及沉积量分布；打开第八阀门进行疏水，并使用清水对反处理水箱和实验段进行清洗，使用高压气流对管路残留气溶胶进行吹扫。

12、本发明的优势在于：

13、1、可以制备自然沉降环境颗粒沉积壁面。基于实验装置配送气溶胶并建立气溶胶弥散环境，利用气溶胶的重力沉降效应，让其在弥散空间内自然沉降，实现空间底部颗粒沉积壁面的制备；

14、2、可以沉积壁面颗粒参数的无损精确测量。采用对照测量腔室的创新设计，解决了样片对沉积壁面破坏的技术难题，通过取样实验段的样片称重测量，可以对壁面气溶胶颗粒沉积质量及壁面质量密度分布进行表征，同时通过实验段腔室的空间气溶胶取样测量系统可以获取沉降气溶胶颗粒的粒径分布；

15、3、实验可以建立均匀稳定的气溶胶弥散环境。实验气溶胶配送管路设计过渡段可用于去除质量较大的凝并颗粒，所述配送过渡段及实验段共包含两级均流阻力件，配合较大尺寸的沉积腔室实现均匀粒径、均匀浓度气溶胶环境的建立。