本發(fā)明屬于鈉冷快堆燃料組件熱工水力特性試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種模擬鈉冷快堆燃料組件熱工水力特性的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

鈉冷快堆作為世界上第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的首選堆型，它以液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑，因具有固有安全性、經(jīng)濟(jì)性好等許多優(yōu)點(diǎn)而受到世界各國的廣泛關(guān)注。在正常運(yùn)行情況下，液態(tài)金屬鈉在堆芯內(nèi)處于單相狀態(tài)，由于液態(tài)金屬鈉良好的傳熱，載熱流動(dòng)特性是堆芯得到較好的冷卻，保證鈉冷快堆的安全穩(wěn)定運(yùn)行；在某些事故下，如額外反應(yīng)性引入和排熱能力惡化，局部故障蔓延等，燃料組件內(nèi)的冷卻劑溫度上升，液態(tài)鈉可能產(chǎn)生沸騰，由于鈉沸騰的總效應(yīng)是使反應(yīng)性增加，它可能引起災(zāi)難性的后果，同時(shí)，和其它任何流體一樣，液態(tài)鈉沸騰也可以產(chǎn)生兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性，這些流動(dòng)不穩(wěn)定性對于快堆安全有很大的危害。因此，開展事故工況下液態(tài)金屬鈉在燃料組件內(nèi)的熱工水力特性研究，防止鈉冷快堆在堆芯內(nèi)出現(xiàn)鈉沸騰現(xiàn)象。

本發(fā)明基于上述目的設(shè)計(jì)了一種模擬鈉冷快堆燃料組件熱工水力特性的試驗(yàn)裝置，其能夠?qū)崿F(xiàn)對鈉冷快堆在事故工況下堆芯內(nèi)的熱工水力特性進(jìn)行合理的模擬，從而揭示在事故工況下堆芯內(nèi)的沸騰機(jī)理。

例如，中國專利申請?zhí)?00810135238x，公開了一種鈉冷快堆的燃料組件模擬件，該模擬件由頭部、中部部分和尾部三部分組成。頭部的操作頭下端的內(nèi)圓上安置節(jié)流孔板，在上過渡接頭中設(shè)置上屏蔽棒；中間部分還包括過濾器。本發(fā)明提供的設(shè)計(jì)方案能夠比較好的模擬液態(tài)金屬鈉在燃料組件內(nèi)的流速和壓降，但是無法模擬液態(tài)金屬鈉在燃料組件內(nèi)的熱工特性，導(dǎo)致對鈉冷快堆堆芯內(nèi)的熱工特性研究欠缺，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械加工難度很大。

例如，中國專利201310202427.5，公開了一種鈉冷快堆堆外組件實(shí)驗(yàn)段。該實(shí)驗(yàn)段包括用于放置組件的腔體，腔體的下部設(shè)有腔體入口管，腔體的上部設(shè)有腔體出口管，在腔體中還設(shè)有密封塊或者帶有實(shí)驗(yàn)段定位塊的流致振動(dòng)固定架。本發(fā)明主要集中于研究反應(yīng)堆內(nèi)組件與組件的相互作用，完成流致振動(dòng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，屬于組件級別的水力實(shí)驗(yàn)，沒有進(jìn)行單個(gè)組件內(nèi)的熱工水力實(shí)驗(yàn)，無法模擬一個(gè)組件棒束內(nèi)出現(xiàn)沸騰時(shí)的熱工水力特性。

發(fā)明說明

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提供了一種能夠模擬鈉冷快堆燃料組件內(nèi)單相和兩相熱工水力特性的試驗(yàn)裝置及方法，其能夠?qū)︹c冷快堆在事故工況下燃料組件內(nèi)出現(xiàn)鈉沸騰的熱工水力特性進(jìn)行研究，為快堆的設(shè)計(jì)建造、運(yùn)行以及事故工況下特殊措施的采取提供重要的理論依據(jù)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種模擬鈉冷快堆燃料組件熱工水力特性的試驗(yàn)裝置，包括下部聯(lián)箱、電加熱棒束、內(nèi)六邊形套管、圓形套管和上部膨脹箱、阻力棒；所述下部聯(lián)箱由聯(lián)箱底部蓋板2、圍筒4和上部蓋板6構(gòu)成，位于內(nèi)六邊形套管10內(nèi)的電加熱棒束8底端穿過下部聯(lián)箱并利用卡套1固定在聯(lián)箱底部蓋板2上，在聯(lián)箱底部蓋板2上開有小口連接下部聯(lián)箱殘留鈉的引鈉管3，在圍筒4靠上的位置開孔連接試驗(yàn)裝置液態(tài)金屬鈉進(jìn)口管線5；下部聯(lián)箱與內(nèi)六邊形套管10在上部蓋板6處通過焊接連接；在內(nèi)六邊形套管10上開多個(gè)孔分別用于連接測溫裝置7和測壓裝置9；電加熱棒束8由多根電加熱棒構(gòu)成，在電加熱棒束8頂端利用定位格架11與內(nèi)六邊形套管10進(jìn)行固定，電加熱棒束8的徑向位置通過繞絲進(jìn)行固定；內(nèi)六邊形套管10頂端與圓形套管12的底端通過焊接連接，圓形套管12與上部膨脹箱通過膨脹箱底板13進(jìn)行焊接連接；上部膨脹箱由膨脹箱底板13、膨脹箱圍筒14、膨脹箱端蓋17組成，膨脹箱圍筒14上開孔連接試驗(yàn)裝置出口管線15，膨脹箱端蓋17上開口分別連接液位探針18和測壓裝置19；阻力棒16上端位于上部膨脹箱內(nèi)且下端插入圓形套管12部分長度構(gòu)成鈉腔室和出口阻力區(qū)。

所述下部聯(lián)箱為截面為圓形。

所述電加熱棒按照三角形布置構(gòu)成電加熱棒束8，電加熱棒的數(shù)量為7根、19根、37根或61根，每根電加熱棒端頭留有通電引線和熱電偶引線。

所述內(nèi)六邊形套管采用外圓內(nèi)六邊形的結(jié)構(gòu)，其側(cè)面開有測溫孔和測壓孔。

所述上部膨脹箱的橫截面為圓形或者方形，在其頂部留有液位探針孔和測壓孔。

所述阻力棒16采用一段兩頭封閉的鋼管，其長度依據(jù)實(shí)際的需要選定，其一端固定在上部膨脹箱的膨脹箱端蓋17，配合圓形套管12構(gòu)成鈉腔室和出口阻力區(qū)。

所述下部聯(lián)箱、電加熱棒束8、內(nèi)六邊形套管10、圓形套管12、上部膨脹箱和阻力棒16均采用耐高溫材料，運(yùn)行溫度可以達(dá)到950℃。

所述耐高溫材料為gh3625高溫合金或因科洛伊800h。

所述模擬鈉冷快堆燃料組件熱工水力特性的試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，在進(jìn)行單相熱工試驗(yàn)時(shí)，保證試驗(yàn)裝置液態(tài)金屬鈉進(jìn)口管線5液態(tài)金屬鈉的溫度在650℃以下，通過調(diào)節(jié)電加熱棒束8的功率，保證液態(tài)金屬鈉在電加熱棒束內(nèi)處于單相狀態(tài)，從而模擬了液態(tài)金屬鈉在鈉冷快堆堆芯內(nèi)的單相熱工水力特性，此過程中的溫度和壓力由測溫裝置7和測壓裝置9進(jìn)行測量；在進(jìn)行兩相熱工試驗(yàn)時(shí)，保證試驗(yàn)裝置液態(tài)金屬鈉進(jìn)口管線5液態(tài)金屬鈉的溫度在650～850℃，通過調(diào)節(jié)電加熱棒束8的功率，保證液態(tài)金屬鈉在電加熱棒束8內(nèi)處于汽液兩相狀態(tài)，從而模擬了液態(tài)金屬鈉在鈉冷快堆堆芯內(nèi)的兩相熱工水力特性，此過程中的溫度和壓力由測溫裝置7和測壓裝置9進(jìn)行測量。

和現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下的有益結(jié)果：

1、由于本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置為針對鈉冷快堆燃料組件熱工水力特性而發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置，能夠合理、有效的模擬鈉冷快堆燃料組件的結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)簡單，容易加工，成本低廉。

2、由于本發(fā)明裝置都是采用高溫合金材料制造，運(yùn)行溫度范圍為100～950℃，在650℃以下液態(tài)金屬鈉處于單相，本發(fā)明的試驗(yàn)裝置可以模擬液態(tài)金屬鈉在堆芯內(nèi)單相時(shí)的熱工水力特性，在650～950之間通過改變系統(tǒng)壓力可以實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬鈉在本發(fā)明裝置內(nèi)沸騰，可以模擬事故工況下堆芯內(nèi)出現(xiàn)鈉沸騰時(shí)兩相的熱工水力特性。

3、本發(fā)明的內(nèi)六邊形套管采用外圓內(nèi)方結(jié)構(gòu)，及保證了流道截面符合試驗(yàn)要求，有保證了在高溫條件下試驗(yàn)的安全可靠。

4、在出口區(qū)設(shè)計(jì)鈉腔室和阻力區(qū)，這與堆芯的實(shí)際組件結(jié)構(gòu)相似，能更加準(zhǔn)確的反映堆芯內(nèi)的熱工水力特性，減小與實(shí)際情況的偏差。

附件說明

圖1為本發(fā)明試驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明裝置截面a‐a的示意圖。

圖3為本發(fā)明裝置截面b‐b的示意圖。

圖4為本發(fā)明裝置電加熱棒的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)的說明：

如圖1所示，一種模擬鈉冷快堆燃料組件熱工水力特性的試驗(yàn)裝置，包括下部聯(lián)箱、電加熱棒束、內(nèi)六邊形套管、圓形套管和上部膨脹箱、阻力棒。下部聯(lián)箱由聯(lián)箱底部蓋板2、圍筒4和上部蓋板6構(gòu)成，電加熱棒束8利用卡套1固定在聯(lián)箱底部蓋板2，在聯(lián)箱底部蓋板2上開一個(gè)小口連接下部聯(lián)箱殘留鈉的引鈉管3，在圍筒4靠上的位置開孔連接試驗(yàn)裝置液態(tài)金屬鈉進(jìn)口管線5；下部聯(lián)箱與內(nèi)六邊形套管10在上部蓋板6處通過焊接連接；在內(nèi)六邊形套管10上開多個(gè)孔分別用于連接測溫裝置線7和測壓裝置9；電加熱棒束由多根電加熱棒8構(gòu)成，在電加熱棒8頂端利用定位格架11與內(nèi)六邊形套管10進(jìn)行固定，電加熱棒8的徑向位置通過繞絲進(jìn)行固定；內(nèi)六邊形套管10頂端與圓形套管12的底端通過焊接連接；圓形套管12與阻力棒16構(gòu)成鈉腔室和阻力區(qū)，圓形套管12與上部膨脹箱通過膨脹箱底板13進(jìn)行焊接連接；上部膨脹箱由膨脹箱底板13、膨脹箱圍筒14、膨脹箱端蓋17組成，膨脹箱圍筒14上開一個(gè)孔連接試驗(yàn)裝置出口管線15，上蓋板上開四個(gè)口分別連接液位探針16和測壓裝置19。

如圖2所示，內(nèi)六邊形套管10內(nèi)為電加熱棒束8。內(nèi)六邊形套管10采取外圓內(nèi)方的結(jié)構(gòu)，電加熱棒束由一根中間電加熱棒棒8‐2和一定數(shù)量6、12、18或24的周圍電加熱棒8‐1按照一定的柵距比三角形排列，電加熱棒束和內(nèi)六邊形套管10形成了能夠模擬鈉冷快堆燃料組件熱工水力特性的管束區(qū)。

如圖3所示，由外而內(nèi)依次是阻力棒16、圓形套管12。阻力棒16與圓形套管12構(gòu)成典型的環(huán)形通道，模擬實(shí)際堆芯內(nèi)上屏蔽棒之間形成的環(huán)形通道。

如圖3所示，電加熱棒束8由一根直的中間電加熱棒8‐2和多根頂端彎曲的周圍電加熱棒8‐1構(gòu)成，電加熱棒徑向依靠繞絲8‐3進(jìn)行定位。

本發(fā)明裝置的實(shí)驗(yàn)方法為：在進(jìn)行單相熱工試驗(yàn)時(shí)，保證試驗(yàn)裝置液態(tài)金屬鈉進(jìn)口管線5液態(tài)金屬鈉的溫度在650℃以下，通過調(diào)節(jié)電加熱棒束8的功率，保證液態(tài)金屬鈉在電加熱棒束內(nèi)處于單相狀態(tài)，從而模擬了液態(tài)金屬鈉在鈉冷快堆堆芯內(nèi)的單相熱工水力特性，此過程中的溫度和壓力由測溫裝置7和測壓裝置9進(jìn)行測量；在進(jìn)行兩相熱工試驗(yàn)時(shí)，保證試驗(yàn)裝置液態(tài)金屬鈉進(jìn)口管線5液態(tài)金屬鈉的溫度在650～850℃，通過調(diào)節(jié)電加熱棒束8的功率，保證液態(tài)金屬鈉在電加熱棒束8內(nèi)處于汽液兩相狀態(tài)，從而模擬了液態(tài)金屬鈉在鈉冷快堆堆芯內(nèi)的兩相熱工水力特性，此過程中的溫度和壓力由測溫裝置7和測壓裝置9進(jìn)行測量。

以上內(nèi)容僅用來說明本發(fā)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式僅限于此，對于本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員來說，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍之內(nèi)，對以上所述實(shí)施例的變化和變型都應(yīng)當(dāng)視為在本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。