高温高压下氮气释放动力学的实验可视化

《Annals of Nuclear Energy》：Experimental visualization of nitrogen release dynamics under high temperature and high pressure

　　

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  构建了高温高压回路以可视化N₂释放动力学。
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  分析了压力、温度和预释放对气泡的影响。
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  预释放历史通过残余膨胀将气泡尺寸增大至5毫米。
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  释放起始点的表观过饱和度低于CNT预测值。

引言

氮气增压具有被动调节的优点，广泛应用于反应堆系统中。与传统蒸汽增压相比，氮气增压无需加热和喷淋系统，结构更简单，能耗更低，且具备快速启动能力。俄罗斯的KLT-40s和ABV-60M船用反应堆是氮气增压在现代反应堆设计中应用的典型例子，其中前者为世界首座浮动核电站——"罗蒙诺索夫院士号"提供动力（Dowdall and Standring, 2014）。在中国，清华大学设计的NHR200-II反应堆也采用氮气增压（Wentao et al., 2021）。与传统蒸汽增压设计相比，采用N₂增压可将反应堆启动时间从20小时缩短至2小时（Xinlong et al., 2022）。

然而，在反应堆长期运行过程中，氮气通过稳压器中的气液界面溶解到冷却剂中，最终达到饱和。在反应堆停堆等瞬态条件下，快速的压力和温度变化会降低氮气溶解度，导致过饱和。当过饱和度超过临界阈值时，氮气成核并形成气泡（Firoozabadi et al., 1992）。这些气泡可能积聚在蒸汽发生器管束中，降低传热效率。在失水事故（LOCA）场景下，氮气释放可能延迟低压安全注射系统的启动，从而威胁反应堆安全（Sarrette and Bestion, 2003）。因此，理解和模拟氮气释放行为对于氮气增压反应堆的热工水力安全分析至关重要。

现有关于高压条件下气体释放的研究主要聚焦于非均相成核，其所需的过饱和度低于均相成核（S. Jones et al., 1999）。在反应堆运行瞬态中，非均相成核主导气泡形成（Bifan et al., 2023）。理论研究已建立了壁面成核位点模型（McHale and Garimella, 2010）、气泡生长与脱离模型（Epstein and Plesset, 1950, Gro? and Pelz, 2017, S.F. Jones et al., 1999），以及脱离后气泡行为模型，包括运动（Liger-Belair, 2005）和聚并（Liao and Lucas, 2010, Liao and Lucas, 2009）。Sarrette and Bestion (2003) 通过实验测量了6 MPa下氮气释放的弛豫时间和气泡直径。Boeije et al. (2022) 在3–10 MPa下对释放过程进行了可视化，获得的气泡尺寸和生长速率与理论预测一致。

然而，现有关于壁面成核尺寸和密度的研究主要是在环境温度和压力条件下进行的。由于壁面气体成核的形成过程仍不明确，在环境条件下得出的结论可能不适用于其他温度和压力状态。例如，在大气压力下形成的壁面气体成核在增压过程中会被压缩，导致成核尺寸减小。此外，预增压过程已被证明显著影响成核位点（Boeije et al., 2022）。另外，经典成核理论（CNT）广泛用于估算气泡成核的自由能垒（Blander and Katz, 1975, Oxtoby, 1992, Goldman, 2008），但当存在非均相空腔、表面成核和流体动力学扰动时，该理论常常高估可观测的起始阈值（S. Jones et al., 1999, Tawfik and Diez, 2014, Gro? and Pelz, 2017）。因此，对于高温释放场景，CNT的实验验证仍然缺乏。

为解决这些研究空白，本研究构建了一个高温高压可视化回路，用于氮气释放实验。通过图像处理对降压诱导释放过程中的气泡动力学进行可视化和分析。系统研究了压力、温度和预释放历史对释放强度和壁面附着气泡尺寸分布的影响。设计了四个互补的实验工况，以研究温度、压力和流动条件对氮气释放的影响。开展了高温实验，以评估经典成核理论在反应堆相关条件下的有效性。

章节摘要

实验装置

如图1所示，构建了一个高温高压氮气增压流动回路，以研究氮气释放现象。该系统配备了可视化装置以捕捉气泡动力学。关键运行参数汇总于表1。回路的压力边界合格至16 MPa，而高温实验使用的最大运行压力为15 MPa。垂直圆柱形316不锈钢实验段（80毫米

饱和判据

根据亨利定律，溶解氮气的饱和浓度与气相压力成正比。在反应堆降压过程中，饱和浓度降低，导致过饱和，进而引发氮气释放。由于冷却剂中的溶解氮在长期稳态运行中通常处于饱和状态，本研究在进行释放实验前首先确立饱和条件。

确定气体溶液饱和的几种方法

降压诱导释放现象

打开泄压阀后，回路压力迅速下降，随后实验段中出现释放气泡。图7显示了稳压器压力和气泡含量（以消光强度表征）随时间的变化。释放过程始于快速阶段（0至35秒），在此期间消光强度（代表释放强度）急剧增加，达到峰值后迅速下降。随后，释放强度

结论

构建了高温高压可视化回路，以研究反应堆相关条件下过饱和溶液中氮气释放动力学。主要发现总结如下：

• 1.
  降压诱导释放最初经历一个快速阶段，其特征是释放强度急剧增加，达到峰值后迅速衰减。释放强度在降压后约60秒时趋于稳定，随后进入长时间缓慢释放

利益冲突声明

作者声明，他们不知道有任何可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金：（No. 52276158）。

Jianxian Song|Bifan Liu|Xin Lv|Boran Liu|Haoran Liu|Yuxiang Ding|Junlian Yin|Dezhong Wang