本發(fā)明涉及的是一種核工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基于外置噴淋的核反應(yīng)堆安全殼冷卻模擬系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：
核能是現(xiàn)有技術(shù)水平下可大規(guī)模發(fā)展的替代能源，在我國的能源結(jié)構(gòu)中具有重要地位。但是由于核電廠潛在的輻射安全風險，安全性問題是大規(guī)模發(fā)展核電必須解決的關(guān)鍵問題。根據(jù)目前核電發(fā)展形勢和相關(guān)政策要求，對壓水堆核電廠設(shè)計和安全分析工作提出了新的要求。安全殼是核電廠縱深防御體系中包容放射性物質(zhì)的最后屏障，在核電廠的事故工況下，能否及時有效地冷卻安全殼，將直接影響到安全殼完整性和其他專設(shè)安全設(shè)施的功能，最終影響放射性物質(zhì)向環(huán)境的釋放。因此，為從設(shè)計上實際消除大量放射性物質(zhì)釋放的可能性，必須保障事故下安全殼冷卻系統(tǒng)的功能。非能動安全殼冷卻系統(tǒng)(PCS)是三代壓水堆核電廠非能動安全性的重要體現(xiàn)，用于直接從鋼制安全殼容器向環(huán)境傳遞熱量，在事故工況下將堆芯衰變熱移除安全殼的傳輸通道，用以防止安全殼壓力在設(shè)計基準事故以及嚴重事故后超過安全壓力限值，并且在較長時期內(nèi)持續(xù)降低安全殼的壓力和溫度，直接決定了三代壓水堆核電廠事故下安全殼的完整性和冷卻效果。對于非能動安全殼冷卻，國內(nèi)外開展了實驗與模擬分析研究。然而，作為一種創(chuàng)新設(shè)計，非能動安全殼的冷卻在目前的實際工程應(yīng)用經(jīng)驗并不豐富，特別是對安全殼換熱性能的研究、對安全殼內(nèi)部氫氣行為的影響研究等都存在很大程度的不足，這些不足都嚴重制約了非能動安全殼冷卻措施的實施和發(fā)展，因此有必要針對非能動安全殼冷卻功能開展實驗研究。為了模擬實際工況，各國先后建立了眾多實驗裝置以模擬非能動安全殼冷卻功能。在工程建設(shè)方面，在第三代反應(yīng)堆AP1000的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)設(shè)計階段由美國西屋公司主導，開展了單項效應(yīng)實驗和整體性實驗，包括水膜形成、流動及眾多換熱實驗，實驗多基于原型安全殼結(jié)構(gòu)和大型實驗裝置LST開展，對于我國自主研發(fā)的先進核反應(yīng)堆的特殊結(jié)構(gòu)，已有的實驗結(jié)論將可能出現(xiàn)較大的偏差。在國內(nèi)外研究方面，典型的實驗裝置包括：Anderson等人在”ExperimentalanalysisofheattransferwithintheAP600containmentunderpostulatedaccidentconditions”(NuclearEngineeringandDesign，1998，185：153-172)中提到使用14塊鋁板通過不同放置角度得到的AP600安全殼切片模型裝置，但由于AP600反應(yīng)堆安全殼本身同我國先進的非能動壓水堆安全殼結(jié)構(gòu)的區(qū)別，加之鋁板等效造成的材料性能偏差，其實驗結(jié)論尚不足以應(yīng)用至先進非能動壓水堆的安全分析中。OECD在名為”O(jiān)ECD/SETH-2PROJECTPANDAANDMISTRAEXPERIMENTSFINALSUMMARYREPORT”報告中提到PANDA實驗裝置中研究了內(nèi)部噴淋對安全殼內(nèi)氣體混合，特別是對氫氣分層現(xiàn)象的影響，但第三代核電技術(shù)采用的安全殼外部冷卻并不僅僅是將噴淋頭從安全殼內(nèi)部移到外部，更多的是需要考慮噴淋水流量、流道尺寸、冷凝水流動及對流換熱等產(chǎn)生的影響。綜上，針對我國先進非能動反應(yīng)堆設(shè)計研發(fā)需要，需要建立一套能夠模擬非能動安全殼冷卻功能的實驗裝置，以便開展針對非能動安全殼冷卻性能及安全殼內(nèi)氫氣行為的實驗研究，最終實現(xiàn)對先進核反應(yīng)堆示范工程的驗證和改造。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN104269195A，公布日2015.1.7，公開了一種模擬核電安全殼基準事故工況的實驗系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，包括用于裝載非能動氫氣復合器整機的實驗容器，設(shè)置在實驗容器內(nèi)、用于檢測實驗容器內(nèi)部壓力的第一壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及均與實驗容器連接的排氣管道、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)和至少為四個的取樣管道；所述實驗容器通過多點熱電偶與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。但該技術(shù)結(jié)構(gòu)復雜，并且需要用于裝載非能動氫氣復合器整機的實驗容器，空間占用率高，不利于頻繁和大量的數(shù)據(jù)采集和模擬工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于外置噴淋的核反應(yīng)堆安全殼冷卻模擬系統(tǒng)及方法，通過外置噴淋噴頭對按比例縮小的安全殼模型進行噴淋冷卻，安全殼內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集裝置和質(zhì)譜儀進行數(shù)據(jù)采集和采樣點分析，得到安全殼的換熱特性與安全殼內(nèi)復雜的氫氣流動行為之間的作用關(guān)系。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：本發(fā)明涉及一種基于外置噴淋的核反應(yīng)堆安全殼冷卻模擬系統(tǒng)，包括：安全殼、質(zhì)譜儀、數(shù)據(jù)采集裝置、實驗氣體噴口、依次相連的原水高位水箱、變頻噴淋水泵、噴淋噴頭和儲液箱，其中：噴淋噴頭位于安全殼外正上方，實驗氣體噴口位于安全殼內(nèi)；數(shù)據(jù)采集裝置和質(zhì)譜儀位于安全殼外，并采集安全殼內(nèi)的信息數(shù)據(jù)和樣品數(shù)據(jù)。所述的信息數(shù)據(jù)包括：溫度、壓力和流量數(shù)據(jù)。所述的原水高位水箱與變頻噴淋水泵之間設(shè)有電磁球閥。所述的變頻噴淋水泵與噴淋噴頭之間依次串聯(lián)設(shè)有電磁球閥、入口流量計、進口熱電偶、進口壓力傳感器和實驗閘閥。所述的噴淋噴頭與儲液箱之間依次串聯(lián)設(shè)有出口熱電偶、出口流量計和電磁球閥。所述的進口壓力傳感器與儲液箱之間并聯(lián)設(shè)有注水閘閥。所述的實驗氣體噴口通過實驗氣體供應(yīng)管線向安全殼提供初始實驗氣體。所述的安全殼外設(shè)有上部保溫層和下部保溫層。所述的上部保溫層與安全殼壁面間的間隙形成噴淋水的流道。所述的出口熱電偶位于流道的出口。所述的安全殼內(nèi)設(shè)有與質(zhì)譜儀相連的濃度采樣點。本發(fā)明涉及上述系統(tǒng)的模擬方法，包括以下步驟：步驟1、在原水高位水箱中注入略多于一次實驗用噴淋水量，關(guān)閉實驗閘閥，打開注水閘閥，根據(jù)實驗工況表調(diào)控變頻噴淋水泵進行初次供水，直至入口流量計測得的變頻噴淋水泵泵出的噴淋水的流量達到實驗工況要求。步驟2、關(guān)閉注水閘閥，打開實驗閘閥，變頻噴淋水泵泵出的噴淋水經(jīng)過噴淋噴頭后回收至儲液箱；噴淋噴頭對安全殼進行噴淋，安全殼內(nèi)的數(shù)據(jù)采集裝置開始記錄入口流量計、進口熱電偶、進口壓力傳感器、出口熱電偶和出口流量計的讀數(shù)，記錄自出口水流量穩(wěn)定后至出口流量計不再計數(shù)所經(jīng)歷的時間；同時，安全殼內(nèi)部各濃度采樣點開始采樣，并將樣品送入質(zhì)譜儀分析記錄。步驟3、達到噴淋持續(xù)時間后，關(guān)閉入口流量計與變頻噴淋水泵之間的電磁球閥、實驗閘閥和變頻噴淋水泵，進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。所述的后續(xù)數(shù)據(jù)處理是指：根據(jù)數(shù)據(jù)采集裝置采集到的信息數(shù)據(jù)，整合安全殼外的溫度信號、壓力信號和入口流量計的信號，得到基于平均換熱性能的安全殼內(nèi)各點氫氣濃度分布變化圖，以解明介入不同安全殼外部冷卻措施時，對安全殼內(nèi)氫氣流動分布及氫氣風險的影響。技術(shù)效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明應(yīng)用廣泛基于先進核反應(yīng)堆非能動安全殼的按比例縮小模型，設(shè)計實驗裝置，研究在實施不同工況條件下的安全殼進行外部噴淋后，安全殼內(nèi)部氫氣流動遷移，特別是氫氣濃度分層現(xiàn)象、氣溶膠遷移流動以及安全殼冷卻特性，找出其中的關(guān)鍵參數(shù)和影響因素，以解明安全殼的換熱特性與安全殼內(nèi)復雜的熱工水力行為之間的作用關(guān)系；由于外部冷卻的投入造成的安全殼內(nèi)局部氫氣濃度的變化將直接影響非能動氫氣復合器的布置、消氫效果，甚至是可用性，因此本發(fā)明可為包括非能動氫氣復合器在內(nèi)的各種緩解措施的優(yōu)化設(shè)計和布局提供理論基礎(chǔ)和前期準備。附圖說明圖1為本發(fā)明示意圖；圖中：1為儲液箱，2為噴淋水收集管線，3為出口流量計，4為出口熱電偶，5為上部保溫層，6為下部保溫層，7為安全殼，8為噴淋噴頭，9為注水閘閥，10為實驗閘閥，11為入口流量計，12為外部冷卻管線，13為變頻噴淋水泵，14為原水高位水箱，15為排水閥，16為實驗氣體供應(yīng)管線，17為進氣閥，18為進口熱電偶，19為進口壓力傳感器，20為電磁球閥，21為原水箱進口熱電偶，22為流道，23為質(zhì)譜儀，24為濃度采樣點，25為數(shù)據(jù)采集裝置，26為實驗氣體噴口。具體實施方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例包括：安全殼7、質(zhì)譜儀23、數(shù)據(jù)采集裝置25、實驗氣體供應(yīng)管線16、實驗氣體噴口26、依次相連的排水閥15、原水高位水箱14、變頻噴淋水泵13、入口流量計11、進口熱電偶18、進口壓力傳感器19、實驗閘閥10、噴淋噴頭8、出口熱電偶4、出口流量計3和儲液箱1，其中：噴淋噴頭8位于安全殼7外正上方，進口壓力傳感器19和儲液箱1之間并聯(lián)設(shè)有注水閘閥9；實驗氣體噴口26位于安全殼7內(nèi)，并與實驗氣體供應(yīng)管線16相連；數(shù)據(jù)采集裝置25和質(zhì)譜儀23位于安全殼7外，數(shù)據(jù)采集裝置25采集安全殼7內(nèi)的溫度信息、壓力信息和流量信息，質(zhì)譜儀23分析安全殼7內(nèi)各濃度采樣點24的采樣數(shù)據(jù)。所述的原水高位水箱14與變頻噴淋水泵13之間、變頻噴淋水泵13與入口流量計11之間、出口流量計3與儲液箱1之間分別設(shè)有電磁球閥20。所述的出口流量計3與儲液箱1之間的電磁球閥20用以防止在實驗前調(diào)整噴淋水量時，由于儲液箱1存水而產(chǎn)生的噴淋水自噴淋水收集管線2的倒灌現(xiàn)象。所述的實驗氣體供應(yīng)管線16上設(shè)有進氣閥17。所述的注水閘閥9用于實驗前調(diào)控并穩(wěn)定噴淋水的流量。所述的安全殼7外設(shè)有上部保溫層5和下部保溫層6。所述的上部保溫層5與安全殼7壁面間的間隙形成噴淋水的流道22。所述的出口熱電偶4位于流道22的出口處，用于測量出口水溫。所述的安全殼7為國核示范工程CAP1400反應(yīng)堆安全殼1：10縮小模型。所述的安全殼7為圓柱體，頂部和底部為橢圓形穹頂。所述的安全殼7的襯里材料為304不銹鋼，設(shè)計壓力為0.8MPa。所述的上部保溫層5為石棉材料，按比例模擬的覆蓋高度為5547mm。所述的變頻噴淋水泵13的噴淋水的流量根椐安全殼原型CAP1400事故后投入噴淋水量?；蟮慕Y(jié)果通過以下?lián)Q熱關(guān)系式確定：其中：為噴淋水的流量，為安全殼7外壁面平均換熱系數(shù)，A為安全殼7外壁面表面積，為安全殼7外壁面平均溫度，為噴淋水換熱前后水溫的平均值，Cp為噴淋水的比熱容，ρ為噴淋水的密度，ΔT為噴淋水換熱前后水溫的升高值。所述的變頻噴淋水泵13的噴淋水流量的上限流量為5m3/h。所述的安全殼7的鋼制襯里對安全殼7進行夾持固定。所述的噴淋水的流道22的寬度為147mm，其最底端距離安全殼7最底端的距離為2318mm。所述的上部保溫層5和下部保溫層6可減小安全殼的熱耗散，使安全殼7的壁面溫度維持恒定并隔熱。所述的噴淋噴頭8為噴淋角度大于110°的扇形噴嘴，噴出的額定流量為3m3/h，揚程大于25m。所述的原水高位水箱14的容量為一次實驗用噴淋水量的1.5～2倍。所述的原水高位水箱14中設(shè)有熱電偶21，并與排水閥15相連。所述的實驗氣體供應(yīng)管線16可根據(jù)不同實驗目的和需求，向安全殼7內(nèi)提供初始實驗氣體，包括不同組分比的如氦氣、氦氣/蒸汽、氦氣/蒸汽/空氣、含有惰性氣體、氣溶膠等的純凈物或混合氣體。本實施例涉及上述裝置的模擬實驗方法，包括以下步驟：步驟1、在原水高位水箱14中注入略多于一次實驗用噴淋水量，關(guān)閉實驗閘閥10，打開注水閘閥9，根據(jù)實驗工況表調(diào)控變頻噴淋水泵13進行初次供水，沿外部冷卻管線12依次經(jīng)過入口流量計11、進口熱電偶18、進口壓力傳感器19、注水閘閥9后送至儲液箱1，直至入口流量計11測得的變頻噴淋水泵13泵出的噴淋水的流量達到實驗工況要求。步驟2、關(guān)閉注水閘閥9，打開實驗閘閥10，變頻噴淋水泵13泵出的噴淋水依次經(jīng)過入口流量計11、進口熱電偶18、進口壓力傳感器19、實驗閘閥10、噴淋噴頭8、出口熱電偶4、出口流量計3進入噴淋水收集管線2后回收至儲液箱1；噴淋噴頭8對安全殼7進行噴淋，安全殼7外的數(shù)據(jù)采集裝置25開始記錄入口流量計11、進口熱電偶18、進口壓力傳感器19、出口熱電偶4和出口流量計3的讀數(shù)；同時，安全殼7內(nèi)部各濃度采樣點24開始采樣，并將樣品送入質(zhì)譜儀分析記錄，并通過秒表記錄自出口水流量穩(wěn)定后至出口流量計3不再計數(shù)所經(jīng)歷的時間。所述的出口水流量穩(wěn)定是指：出口的水流量變化值小于等于出口流量計3總量程的±10％。所述的安全殼7內(nèi)初始狀態(tài)可視研究問題自由確定，如已產(chǎn)生一定的氫氣濃度分層現(xiàn)象、達到一定的超壓極限。為充分引入外部冷卻的效果，所述的安全殼7內(nèi)初始溫度高于噴淋水溫度。步驟3、達到噴淋持續(xù)時間后，關(guān)閉入口流量計11與變頻噴淋水泵13之間的電磁球閥20、實驗閘閥10和變頻噴淋水泵13，進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。所述的后續(xù)數(shù)據(jù)處理是指：根據(jù)數(shù)據(jù)采集裝置25采集到的數(shù)據(jù)信息，整合安全殼7外部的外部冷卻管線12、噴淋水收集管線2的溫度信號、壓力信號和入口流量計11的信號，得到基于平均換熱性能的安全殼7內(nèi)各點氫氣濃度分布變化圖，以解明介入不同安全殼7外部冷卻措施時，對安全殼7內(nèi)氫氣流動分布及氫氣風險的影響?；诓煌踩珰?的冷卻措施得到的平均熱流密度代表了對應(yīng)安全殼7外壁面的熱交換量，當壁面加熱功率恒定時，噴淋水量越大，平均熱流密度將越高，換熱性能越好；而對應(yīng)于不同外壁面的換熱性能，安全殼7內(nèi)部各空間氫氣濃度也將受到邊界條件的影響，呈現(xiàn)積聚或均勻化行為。因此，量化平均熱流密度與安全殼內(nèi)各空間氫氣濃度之間的關(guān)系，對于解明安全殼冷卻措施對氫氣流動分布的作用機制至關(guān)重要。所述的平均熱流密度的計算公式為：其中：為平均熱流密度，為噴淋水的平均比熱容，為噴淋水的質(zhì)量流量，T1為出口水溫隨時間的變化，T2為入口水溫隨時間的變化，t為時間，S為安全殼7外壁面表面積。所述的噴淋水的質(zhì)量流量的計算公式為其中：M為噴淋水的噴淋總質(zhì)量，t為自出口水流量穩(wěn)定后至出口流量計3不再計數(shù)所經(jīng)過的時間，ρ為噴淋水的密度，V為入口水流量，t1為噴淋時間。所述的原水高位水箱14的容量為一次實驗用噴淋水量的1.5～2倍，以保證噴淋水在接觸高溫安全殼7表面后仍能以液態(tài)形式存在，避免發(fā)生相變，導致?lián)Q熱過程難以量化。所述的步驟1是為保證噴淋水流量順利調(diào)整并穩(wěn)定管道流量。所述的電磁球閥20用于遠程控制調(diào)節(jié)噴淋水流量。所述的進口熱電偶18和出口熱電偶4分別用于測量噴淋水的入口溫度及出口溫度，以便計算安全殼7壁面的平均熱流密度，量化傳熱能力。所述的進口壓力傳感器19用于測量入口水壓，以確定噴淋水的初始狀態(tài)參數(shù)。所述的質(zhì)譜儀用以測量安全殼7內(nèi)部各位置的混合氣體濃度和各組分分布。所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于讀取、顯示和存儲相應(yīng)的溫度、壓力、流量及濃度數(shù)據(jù)。所述的原水高位水箱14和儲液箱1用以儲存初始化噴淋水及儲存回流的冷凝水。本實施例基于先進核反應(yīng)堆安全殼非能動冷卻系統(tǒng)的驗證、開發(fā)和拓展需求，設(shè)計測試裝置，研究在實施不同工況條件下的安全殼7進行外部噴淋后，安全殼7內(nèi)部氫氣流動遷移，特別是氫氣濃度分層現(xiàn)象以及安全殼冷卻特性，解明安全殼7的換熱特性與安全殼7內(nèi)復雜的氫氣流動行為之間的作用關(guān)系，找出其中的關(guān)鍵參數(shù)和影響因素。通過本實施例可以獲得先進核反應(yīng)堆非能動安全殼冷凝現(xiàn)象和外部噴淋對安全殼7內(nèi)氫氣流動遷移影響的關(guān)鍵機理和參數(shù)，可以為我國先進核反應(yīng)堆工程建設(shè)和設(shè)計改造提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。由于本實施例采用的安全殼7是基于原型安全殼尺寸比例?；玫?，因此可在此基礎(chǔ)上繼續(xù)拓展其他涉及安全殼7外部噴淋影響的實驗，包括如氣溶膠遷移流動、安全殼超壓緩解、安全殼內(nèi)局部隔間復雜的氫氣流動行為等方面的研究。