瑞士首次完成小堆非能动冷却系统真实条件实验

瑞士Paul Scherrer研究所的研究人员通过实验研究了小型模块化反应堆的非能动冷却系统，首次收集了高分辨率测量数据。

在传统反应堆中，诸如水喷淋系统等能动的安全措施在紧急情况下提供冷却。这些系统依靠泵和阀门来消散热量并控制安全壳内的压力。然而，这些系统依赖于可靠的电源供应。如果电源失效，其功能可能会受到影响。

许多小型模块化反应堆（小堆）的一个关键特征是其安全概念：它们不依赖于需要外部能量的能动系统，而是使用非能动冷却。冷凝、重力和密度差异等物理效应可以在紧急情况下确保反应堆安全。

然而，据Paul Scherrer研究所（PSI）称，迄今为止，对这类复杂冷却过程的仿真一直需要实验数据，而这些数据一直有限。该研究所的一项新研究如今为弥补这一差距提供了重要贡献。在该研究所的PANDA实验台上，研究人员首次在真实条件下研究了小堆的非能动冷却系统。在超过十个国家的合作伙伴的科学支持下进行的这些实验提供了高分辨率测量数据，可用于在仿真中验证此类系统。研究结果已发表在《Nuclear Engineering and Design》期刊上。

PANDA实验台横跨五层楼，高度达25米。它由多个容器组成，总容积约为500立方米，可以真实模拟核反应堆中发生的过程。PANDA不含放射性物质。温度高达200摄氏度、压力高达10巴的蒸汽由一个功率为1.5 MW的电加热器产生。在超过80个不同点，可从设施的不同区域抽取气体混合物并用质谱仪进行分析。

Paul Scherrer研究所的一个项目团队测试了一个封闭冷却回路。该系统包括一根大约六米高的垂直管道，冷水在其中流动。如果在事故期间蒸汽逸散到安全壳内，它会撞击管道的冷表面，在那里冷凝，并以液态水的形式滴落回反应堆。在此过程中释放的热量被传递到管道内的水中。由于温水密度低于冷水，它会自然上升并将其热量释放到水库中。冷却后的水然后流回底部。这创造了一个完全基于温水和冷水之间密度差异的自然循环——完全无需泵或电力。

尽管先前的实验已经表明此类系统有效，但PSI团队首次提供了高度详细的测量数据，精确展示了核电站规模系统内部的物理过程将如何展开。研究人员甚至使用高速摄像机详细记录了在管道表面冷凝的微小水滴。研究人员首次能够观察到安全壳内的气体如何分离：更多空气聚集在下部区域，而更多蒸汽停留在顶部。这一发现对反应堆设计和计算机仿真都很重要。如果未考虑到这种效应，系统的散热效果就会降低。

此外，研究人员跟踪了气体中的微小颗粒，并证明它们在管道附近移动非常缓慢。因此，在该区域，冷凝不是由较大的气流决定的，而主要是由扩散决定的：水蒸气仅缓慢地到达管道表面并在那里冷凝。这意味着冷却过程高度依赖于局部条件。

Paul Scherrer研究所指出，许多小堆设计概念可以在这个实验设施中复现。大约有1,450个传感器随时准备提供有价值的数据。

"迄今为止，开发仿真的研究人员无法确定他们的计算是否符合现实，”PSI核工程与科学中心的Yago Rivera Durán说。"我们正在用PANDA弥补这一差距。"

研究所表示，这将首次提供对未来反应堆安全评估和许可至关重要的数据。

"最新的出版物标志着基于PANDA数据的国际基准倡议的启动，”PSI表示。"已有二十五家机构参与了这个全球合作，使用实验结果验证和改进他们的仿真方法。一个后续项目PANDA-2将以此工作为基础，并更加专注于复杂情景以及非能动安全系统的长期自主运行。这个国际项目目前预计将持续到2030年，而国内和欧盟项目已经规划至2030年代以后。"