用于强化反应堆安全壳内壁面冷凝换热的油脂浸渍表面制造技术

本发明专利技术涉及用于强化反应堆安全壳内壁面冷凝换热的油脂浸渍表面，提出了核反应堆安全壳及其应用。该核反应堆安全壳包括：壳体，所述壳体的内表面设置有微纳结构层；所述微纳结构层的表面涂覆有油脂，所述油脂具有下列特征的至少之一：在压力为0.05～1MPa的条件下，所述油脂的热解温度不低于200℃，光解温度不低于200℃，蒸发温度不低于200℃，在水中的溶解度不超过1g，满足公式(1‑c)/(c‑f)

Oil impregnated surface used to enhance condensation heat transfer on the inner wall of reactor containment

The present invention relates to an oil impregnated surface used to enhance condensation heat transfer on the inner wall of a nuclear reactor containment, and puts forward a nuclear reactor containment and its application. The containment of the nuclear reactor includes: a shell, the inner surface of the shell is provided with a micro-nano structure layer, and the surface of the micro-nano structure layer is coated with oil, which has at least one of the following characteristics: under the pressure of 0.05-1 MPa, the pyrolysis temperature of the oil is not lower than 200 degrees, the photolysis temperature is not lower than 200 degrees, the evaporation temperature is not lower than 200 degrees, and the oil is dissolved in water. The solution does not exceed 1g and satisfies the formula (1_c)/(c_f)

【技术实现步骤摘要】
用于强化反应堆安全壳内壁面冷凝换热的油脂浸渍表面
本专利技术涉及表面科学与工程领域，具体地，本专利技术涉及用于强化反应堆安全壳内壁面冷凝换热的油脂浸渍表面，更具体地，本专利技术涉及核反应堆安全壳、核反应装置、提高核反应堆安全壳换热系数的方法以及提高核电厂安全系数的方法。
技术介绍
核电厂反应堆安全壳是防止反应堆放射性外泄的最后一道屏障，是保证核电厂安全性的重要设施。事故条件下(例如一回路破口和蒸汽主管道断裂事故)，高温冷却剂和蒸汽从反应堆回路中释放到安全壳空间，使得安全壳内温度、压力急剧上升，严重威胁安全壳的完整性。因此，安全壳内部热量的及时排离对于安全壳的完整性乃至整个核电厂的安全性至关重要。目前核电厂普遍采用非能动安全壳热量排出机制。以AP1000型压水堆核电站为例，事故条件下，蒸汽首先在安全壳内壁面冷凝，再经钢壳导热、外部液膜及空气对流换热，最终热量被释放到环境大气中。其中，安全壳内壁面冷凝换热是整个换热环节的最大热阻所在，是安全壳换热能力提升的重要环节。然而，据了解，目前安全壳内壁面大多涂覆有亲水性(接触角小于30°)涂层，蒸汽凝结的模式主要为膜状凝结。而膜状凝结的换热系数较滴状凝结低1～2个数量级。因此，实现安全壳内壁面的滴状凝结，是提升安全壳热量载出能力的一个潜在途径。
技术实现思路
本申请是基于专利技术人对以下事实和问题的发现和认识作出的：目前，面向滴状凝结的表面改性技术在不断发展，主要包括：1)面向传统滴状凝结的疏水表面，即在冷凝表面涂覆疏水层如特氟龙(聚四氟乙烯)；2)面向新型滴状凝结的超疏水表面，即在冷凝表面构造微纳结构，并镀以低表面能的化学物质如硅烷。然而，将上述方法应用于核反应堆安全壳，均存在很大的局限性。首先，疏水性涂层厚度大、导热系数低，这将大大增加传热热阻，抵消滴状凝结的优势；而用于超疏水的化学涂层，尽管只有单分子层厚度，但是其热稳定性较差，远远不能承受反应堆事故下的高温条件。其次，在核电厂的辐照环境下，上述低表面能有机物质均有辐照分解、性质退化的风险。最后，上述疏水表面规模化制备成本高、难度大，并不适用于核反应堆安全壳内壁面高达上千平方米的大规模应用场景。因此，目前要想实现安全壳内壁面的滴状凝结还存在很大挑战。基于上述问题，专利技术人发现，将一种与水互不相容，物理、化学性质稳定，并且在高温、高湿以及核反应堆辐照环境下均能够稳定存在的润滑油涂覆在具有微纳结构的安全壳内壁面，可以使安全壳内壁面具备超润滑特性，从而加速冷凝液滴从油脂表面脱落，显著强化换热，在不凝气存在的条件下换热系数可相对传统滴状凝结提升高达80％。此外，该安全壳结构的表面油脂层具有自愈合性，涂覆的油脂可借助其自身的流动性和毛细力自动补充表面缺陷，且该安全壳结构的制备方法简单、高效、成本低廉，只需在具有微纳结构的安全壳内壁面涂覆一种特殊的润滑油即可形成，适于大规模的推广应用。为此，在本专利技术的第一方面，本专利技术提出了一种核反应堆安全壳。根据本专利技术的实施例，所述核反应堆安全壳包括：壳体，所述壳体的内表面设置有微纳结构层；所述微纳结构层的表面涂覆有油脂，所述油脂具有下列特征的至少之一：在压力为0.05～1MPa的条件下，所述油脂的热解温度不低于200℃，光解温度不低于200℃，蒸发温度不低于200℃，在水中的溶解度不超过1g，满足公式(1-c)/(c-f)＜Lys(w)/σyw＜0，其中，σyw为所述油脂与冷凝液形成的界面的表面能，Lys(w)为冷凝液存在下所述油脂在所述微纳结构层的铺展系数，c为所述微纳结构层的粗糙因子，f为所述微纳结构层的表面固体份额。专利技术人发现，所述油脂与水互不相容，物理、化学性质稳定，并且在高温、高湿以及核反应堆辐照环境下均能够稳定存在，进一步地，所述油脂能够浸润微纳结构表面，并且在冷凝液(如水蒸气冷凝液)存在的情况下，所述油脂仍然能够稳定存在，油脂-微纳结构界面不会被冷凝液-微纳结构界面所取代。将具有上述性质的油脂涂覆在微纳结构表面形成的根据本专利技术实施例的核反应堆安全壳在高温、高压下理化性质稳定，且所述安全壳的内表面具有超润滑特性，可以加速冷凝液滴从油脂表面脱落，显著强化换热，在不凝气存在的条件下换热系数可相对传统滴状凝结提升高达80％。此外，所述安全壳内表面的油脂层具有自愈合性，涂覆的油脂可借助其自身的流动性和毛细力自动补充表面缺陷，且所述安全壳的制备方法简单、高效、成本低廉，只需在具有微纳结构的安全壳内壁面涂覆根据本专利技术实施例的润滑油即可形成，适于大规模的推广应用。根据本专利技术的实施例，上述核反应堆安全壳还可进一步包括如下附加技术特征至少之一：根据本专利技术的实施例，所述油脂进一步具有下列特征：在压力为0.05～1MPa的条件下，满足公式Lyw(q)＜0，其中，Lyw(q)为空气存在下所述油脂在所述冷凝液表面的铺展系数。专利技术人发现，满足所述公式的油脂不会包覆冷凝液，进而，所述油脂在冷凝液存在的情况下能够进一步稳定存在。根据本专利技术的实施例，所述油脂的涂覆厚度为0.1至500微米，如为0.5微米、1微米、5微米、10微米、50微米、100微米或300微米。若油脂的涂覆厚度过厚，则导热系数过低，大大增加传热热阻；若油脂的涂覆厚度过薄，则无法长时间维持滴状凝结。根据本专利技术的实施例，所述油脂包括但不限于Mobilgear600XP680、Mobilgear600XP460、Mobilgear600XP320、Mobilgear600XP220、MobilDTE768、Krytox1525/1525XP、Krytox16256/16256XP。根据本专利技术的实施例，所述涂覆是通过将所述油脂在所述微纳结构层的表面进行涂刷、喷涂或浸润等方式进行的。根据本专利技术的实施例，所述壳体为钢制壳或混凝土壳。根据本专利技术的实施例，所述微纳结构层为无机锌微纳结构层。在本专利技术的第二方面，本专利技术提出了一种核反应装置。根据本专利技术的实施例，所述核反应装置包括：核反应堆安全壳，所述核反应安全壳如前面任一项所描述的；核反应堆，所述核反应堆设置在所述核反应堆安全壳的内侧；蒸汽发生器，所述蒸汽发生器设置在所述核反应堆安全壳内并与所述核反应堆相连；以及冷却单元，所述冷却单元包括喷淋器和水箱，所述冷却单元设置在所述核反应堆安全壳的外侧，用于将所述核反应堆安全壳进行冷却处理。专利技术人发现，在事故条件下，所述核反应装置中的核反应堆安全壳能够将安全壳内部的热量及时排离，保障核反应装置的安全性。在本专利技术的第三方面，本专利技术提出了一种提高核反应堆安全壳换热系数的方法。根据本专利技术的实施例，所述方法包括：在微纳结构层的表面涂覆油脂，所述微纳结构层设置在核反应堆安全壳的壳体的内表面，所述油脂具有下列特征的至少之一：在压力为0.05～1MPa的条件下，所述油脂的热解温度不低于200℃，光解温度不低于200℃，蒸发温度不低于200℃，在水中的溶解度不超过1g，满足公式(1-c)/(c-f)＜Lys(w)/σyw＜0，其中，σyw为所述油脂与冷凝液形成的界面的表面能，Lys(w)为冷凝液存在下所述油脂在所述微纳结构层的铺展系数，c为所述微纳结构层的粗糙因子，f为所述微纳结构层的表面固体份额。专利技术人发现，所述方法可以有效提高核反应堆安全壳的换热系数，在事故条件下，所述核反应堆安全壳能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核反应堆安全壳，其特征在于，包括：壳体，所述壳体的内表面设置有微纳结构层；所述微纳结构层的表面涂覆有油脂，所述油脂具有下列特征的至少之一：在压力为0.05～1MPa的条件下，所述油脂的热解温度不低于200℃，光解温度不低于200℃，蒸发温度不低于200℃，在水中的溶解度不超过1g，满足公式(1‑c)/(‑f)

【技术特征摘要】
1.一种核反应堆安全壳，其特征在于，包括：壳体，所述壳体的内表面设置有微纳结构层；所述微纳结构层的表面涂覆有油脂，所述油脂具有下列特征的至少之一：在压力为0.05～1MPa的条件下，所述油脂的热解温度不低于200℃，光解温度不低于200℃，蒸发温度不低于200℃，在水中的溶解度不超过1g，满足公式(1-c)/(-f)<Lys(w)/σyw<0，其中，σyw为所述油脂与冷凝液形成的界面的表面能，Lys(w)为冷凝液存在下所述油脂在所述微纳结构层的铺展系数，c为所述微纳结构层的粗糙因子，f为所述微纳结构层的表面固体份额。2.根据权利要求1所述的核反应堆安全壳，其特征在于，所述油脂进一步具有下列特征：在压力为0.05～1MPa的条件下，满足公式Lyw(q)<0，其中，Lyw(q)为空气存在下所述油脂在所述冷凝液表面的铺展系数。3.根据权利要求1所述的核反应堆安全壳，其特征在于，所述油脂的涂覆厚度为0.1～500微米。4.根据权利要求1所述的核反应堆安全壳，其特征在于，所述壳体为钢制壳或混凝土壳。5.根据权利要求1所述的核反应堆安全壳，其特征在于，所述微纳结构层为无机锌微纳结构层。6.一种核反应装置，其特征在于，包括：核反应堆安全壳，所述核反应安全壳如权利要求1～5任一项所限定的；核反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈凤，颜笑，赵崇岩，黄志勇，薄涵亮，董玉杰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11