一種超疏水表面的浮點(diǎn)式非能動(dòng)核安全殼的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及屬于核安全技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超疏水表面的浮點(diǎn)式非能動(dòng)核安全殼，具體說(shuō)是一種利用超疏水表面及浮點(diǎn)式結(jié)構(gòu)強(qiáng)化核反應(yīng)堆安全殼的冷凝傳熱技術(shù)，主要用于核反應(yīng)堆失水事故。
【背景技術(shù)】
[0002]核能作為一種可再生、無(wú)污染的能源被世界各國(guó)廣泛關(guān)注和利用，但世界上幾次核事故也將核電安全性提到了前所未有的高度。當(dāng)核反應(yīng)堆發(fā)生事故時(shí)，為了確保在其他主動(dòng)性冷卻系統(tǒng)不能正常工作情況下仍然能將安全殼內(nèi)熱量排除，實(shí)現(xiàn)有效控制安全殼內(nèi)溫度、壓力，以保證安全殼的完整性，從而控制和限制放射性物質(zhì)從反應(yīng)堆擴(kuò)散出去，保護(hù)周邊環(huán)境免遭放射性物質(zhì)的傷害。非能動(dòng)安全殼就是為達(dá)到這個(gè)目的而設(shè)計(jì)的，目前非能動(dòng)核電站，例如AP1000的安全殼冷卻系統(tǒng)主要采用鋼-混凝土安全殼，為進(jìn)一步提高安全殼的性能，需設(shè)計(jì)一種高導(dǎo)熱能力的非能動(dòng)核安全殼，高效的非能動(dòng)安全殼一方面可以降低發(fā)生事故時(shí)安全殼內(nèi)的峰值壓力，安全系數(shù)得以提高，另一方面在水箱水容量一定的情況下，可以維持更長(zhǎng)的噴淋時(shí)間，即可以減小水的每小時(shí)用量。
[0003]與傳統(tǒng)的非能動(dòng)安全殼相比，超疏水表面的浮點(diǎn)式非能動(dòng)核安全殼具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)浮點(diǎn)式凸起結(jié)構(gòu)增大了冷凝換熱面積；(2)浮點(diǎn)式凸起對(duì)冷凝液膜具有擾動(dòng)作用；(3)超疏水表面具有自清潔、防腐蝕及抗氧化等優(yōu)良特性；(4)超疏水表面可使蒸汽的冷凝由膜態(tài)冷凝變?yōu)橹闋罾淠?，大大減薄了液膜厚度。這樣的非能動(dòng)安全殼不僅特性優(yōu)異，而且操作簡(jiǎn)單，技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)安全，因此具有很好的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種超疏水表面的浮點(diǎn)式非能動(dòng)核安全殼，其特征在于，所述非能動(dòng)核安全殼在圓柱體I兩端分別連接穹頂2及下封頭4組成，其中，圓柱體I和穹頂2的內(nèi)表面利用模具，采用化學(xué)處理，制備出具有一定間距的浮點(diǎn)式凸起結(jié)構(gòu)3 ;在安全殼的穹頂2外表面上方，設(shè)置冷卻水噴頭5，噴出的水在安全殼的外表面形成液膜，液膜蒸發(fā)吸熱，從而實(shí)現(xiàn)將反應(yīng)堆內(nèi)部的熱傳遞到周?chē)h(huán)境中。
[0005]所述浮點(diǎn)式凸起結(jié)構(gòu)3為微納米多尺度凸起；具有超疏水特性；所謂超疏水是指液體與固體表面的接觸角大于150度；如果浮點(diǎn)式凸起結(jié)構(gòu)為半球形，那么凸起所占的安全殼的面積S。= π r 2，而半球形凸起的表面積為S1= 4 π r 2/2 = 2 π r2，這樣無(wú)論結(jié)構(gòu)的半徑大小如何，其表面積就都是所占安全殼表面的2倍，因此當(dāng)凸起結(jié)構(gòu)的間距很小時(shí)，凸起結(jié)構(gòu)的面積就向安全殼2倍的表面積接近，因此凸起的存在，大大增加了安全殼的表面積，所傳遞的熱量也會(huì)相應(yīng)的增加；根據(jù)傳遞的熱量等于換熱系數(shù)h、冷凝面積s及溫差A(yù)T三者的乘積，傳遞的熱量Q = hSA T ;其次浮點(diǎn)式凸起結(jié)構(gòu)還對(duì)安全殼的側(cè)壁起強(qiáng)化壁面的冷凝換熱作用；即對(duì)于傳統(tǒng)的安全殼而言，當(dāng)蒸汽在壁面冷凝時(shí)，凝結(jié)的部分液體會(huì)沿著壁面向下流動(dòng)，流動(dòng)的液膜較厚且附著在壁面上，屬于層流，換熱效果很差，不利于蒸汽的冷凝換熱，而浮點(diǎn)式凸起結(jié)構(gòu)的存在，對(duì)液膜具有擾動(dòng)作用，可使液膜處于紊流狀態(tài)，因此強(qiáng)化了壁面的冷凝換熱。
[0006]所述非能動(dòng)安全殼及其浮點(diǎn)式凸起結(jié)構(gòu)材料為不銹鋼和/或鎳。
[0007]本發(fā)明的有益效果在于:1、通過(guò)浮點(diǎn)式凸起結(jié)構(gòu)與金屬板的一體化制備，從而消除了凸起結(jié)構(gòu)和金屬基板的接觸熱阻，能夠確保高效散熱。2、安全殼表面的浮點(diǎn)式凸起結(jié)構(gòu)擴(kuò)展了安全殼的冷凝換熱面積，從而能大大提高安全殼非能動(dòng)散熱效率，保證了安全殼的完整性及安全性。3、所設(shè)計(jì)的浮點(diǎn)式凸起結(jié)構(gòu)對(duì)液膜具有擾動(dòng)作用，可以強(qiáng)化安全殼的冷凝換熱能力。由于強(qiáng)化了換熱，可以減少外部水箱的噴淋時(shí)間及用水量，繼而在設(shè)計(jì)外部水箱時(shí)可以減小水箱體積，不僅減小了水箱重量，降低造了價(jià)，而且進(jìn)一步提高了核電站安全性。4、所設(shè)計(jì)的安全殼內(nèi)表面具有超疏水特性，可使蒸汽的冷凝由膜態(tài)冷凝變?yōu)橹闋罾淠?，可減薄蒸汽冷凝過(guò)程中形成的液膜厚度，大大提高了蒸汽的冷凝效率，從而降低發(fā)生事故時(shí)安全殼內(nèi)的溫度和壓力，使安全殼更加安全，同時(shí)超疏水性表面具有很好的自清潔性、抗腐蝕及抗氧化特性，以確保安全殼不因腐蝕及氧化破壞而縮短使用壽命，進(jìn)一步提高了安全性?？傊?，有益效果在于提高安全殼的抗腐蝕性和蒸汽在安全殼內(nèi)的冷凝傳熱，進(jìn)一步提高現(xiàn)有非能動(dòng)安全殼的安全性能，該安全殼操作簡(jiǎn)單，技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)安全，不僅可降低事故發(fā)生時(shí)安全殼內(nèi)的峰值壓力，而且可延長(zhǎng)一定水量的使用時(shí)間。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為一種超疏水表面的浮點(diǎn)式非能動(dòng)核安全殼。
[0009]圖2為制備表面浮點(diǎn)式結(jié)構(gòu)所用模具。
[0010]圖3為安全殼上的浮點(diǎn)式凸起結(jié)構(gòu)。
[0011]圖4為普通和超疏水不銹鋼板表面的液滴接觸情況，其中(a)普通不銹鋼板表面，(b)超疏水不銹鋼板表面。
[0012]圖5為超疏水表面的滴彈跳過(guò)程不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明提供了一種超疏水表面的浮點(diǎn)式非能動(dòng)核安全殼，下面將結(jié)合【附圖說(shuō)明】本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0014]圖1為一種超疏水表面的浮點(diǎn)式非能動(dòng)核安全殼的部分示意圖，所述非能動(dòng)核安全殼在圓柱體I兩端分別連接穹頂2及下封頭4組成，其中，圓柱體I和穹頂2的內(nèi)表面利用模具(如圖2所示)，采用化學(xué)處理，制備出間隔分布的浮點(diǎn)式凸起結(jié)構(gòu)3 (如圖3所示)；形成內(nèi)表面均是微納米多尺度結(jié)構(gòu)，具有超疏水特性，所謂超疏水是指液體與固體表面的接觸角大于150度；當(dāng)反應(yīng)堆一回路主蒸汽管道發(fā)生破口事故時(shí)，大量高溫蒸汽進(jìn)入安全殼內(nèi)部，并與安全殼內(nèi)空氣發(fā)生自然對(duì)流換熱，使安全殼內(nèi)的溫度和壓力升高。由于安全殼中心部分蒸汽流速較高，故蒸汽主要由中部上沖至安全殼頂部，并與浮點(diǎn)式超疏水表面接觸，發(fā)生珠狀冷凝換熱并形成小液滴，一部分小液滴直接從安全殼內(nèi)表面滑落，另一部分液滴與其他液滴匯合后彈跳離開(kāi)浮點(diǎn)式凸起結(jié)構(gòu)表面(如圖3、4所示)，還有一部分形成液膜沿壁面流下。蒸汽在冷凝過(guò)程中放出熱量，通過(guò)導(dǎo)熱的方式將熱量傳遞到安全殼外表面，由噴頭5噴出的水在安全殼的外表面形成液膜，液膜蒸發(fā)吸熱，達(dá)到利用非能