活化凹穴内表观动态接触角对钠沸腾核化的影响机制

Sodium-cooled fast reactor is the key step of the thermal reactor-fast reactor-fusion reactor three-step strategy of our national nuclear energy development. In the safety analysis of sodium-cooled fast reactor, sodium boiling nucleation superheat greatly impacts the boiling incipience characteristics and flow pattern evolution. Related existing research mainly focuses on apparent parameter and phenomenon analyses and lacks an investigation into the micro-mechanism during the nucleation process, introducing relatively large uncertainties in safety assessment. In this project, taking sodium boiling nucleation superheat as the research object, experiment considering the micro-parameter influences and numerical analysis of inert gas concentration coupling heat and mass transfer would be conducted to investigate the dynamic evolution performance of the interface in active cavities. The mechanism of macro-parameter apparent effect on nucleation superheat and also the rule of the interface curvature variation rate effect on sodium boiling nucleation superheat would be studied to build an internal relationship between the apparent contact angle and interface velocity. Based on the assessment of inert gas effects and active cavity parameter properties, the mechanism of apparent dynamic contact angle on sodium boiling nucleation would be illustrated. The mechanism model and calculation method of sodium boiling nucleation superheat based on the dynamic micro-performance of interface will be developed, which will help the boiling incipience prediction in the safety analysis of the sodium-cooled fast reactor.

钠冷快堆是我国核能发展的热堆-快堆-聚变堆“三步走”战略中的关键一环，在钠冷快堆安全分析中，钠沸腾核化过热度对起始沸腾特性和流型演化具有显著影响。现有针对钠沸腾核化过热度的研究侧重于表观参数和现象学分析，缺乏针对核化过程微观机制的探讨，在安全评估中引入了较大的不确定性。本项目以钠沸腾核化过热度为研究对象，以活化凹穴内的相界面表观接触角动态演化行为为核心，以微观参数影响的实验研究和惰性气体浓度的传热-传质耦合数值分析为基础，探索实验宏观参数对核化过热度的表观影响机制，研究活化凹穴内相界面曲率变化率对钠沸腾核化过热度的影响规律，构建表观接触角与相界面运动速度的内在联系，在评估惰性气体影响和活化凹穴参数特性的基础上，阐明表观动态接触角对钠沸腾核化的影响机制，开发基于相界面微观动态行为的钠沸腾核化过热度机理模型和计算方法，为钠冷快堆安全分析中的起始沸腾预测提供支持。

钠冷快堆是我国核能发展的热堆-快堆-聚变堆“三步走”战略中的关键一环，在钠冷快堆安全分析中，钠沸腾核化过热度对起始沸腾特性和流型演化具有显著影响。现有针对钠沸腾核化过热度的研究侧重于表观参数和现象学分析，缺乏针对核化过程微观机制的探讨，在安全评估中引入了较大的不确定性。本项目采用实验研究、数值模拟、理论分析相结合的方法，全面探讨了钠沸腾核化的内在机制。通过实验方法获得了不同工况下的加热壁面温度、液钠流体温度、气体温度和压力的瞬态数据，计算了不同工况下的界面变形率的值，获得了热流密度、压力、界面变形率对钠沸腾核化的影响规律。实验结果表明，随着界面变形率的增大，钠沸腾核化过热度逐渐增大，但影响随着界面变形率的增大逐渐减弱；运行压力通过运行温度影响液钠-不锈钢的相互作用，造成活化凹穴内相界面位置随着温度的增大而降低；随着热流密度的增大，核化过热度显著增大。基于数值方法开展了传热-传质耦合作用下的近壁面惰性气体浓度分析，获得了近壁面凹穴惰性气体浓度特性，发现其在实验工况下影响可忽略。通过分析活化凹穴内的三相接触线处液态金属的局部传热特征和蒸发冷凝对相界面力平衡的影响，基于分子动力学方法的基本思想，研究加热稳态和瞬态工况下的相界面行为，构建了活化凹穴内相界面的力平衡方程，并基于实验数据建立了表观接触角与界面瞬态运动相关的组合参数的直接联系，形成了基于凹穴内相界面微观动态行为的钠沸腾核化过热度理论模型，完成了理论模型与实验数据的对比验证，符合良好。基于模型进一步分析了热流密度、流速、加热方式等参数对核化过热度的影响。本项目的研究成果能够为钠冷快堆安全分析中的起始沸腾预测提供支持。

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