專利名稱:用于檢測(cè)核反應(yīng)堆中間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種核工業(yè)領(lǐng)域的檢測(cè)裝置，具體是一種用于檢測(cè)核反應(yīng)堆中間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的裝置。
背景技術(shù)：
隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)能源的需求越來(lái)越大。由于傳統(tǒng)的化石燃料帶來(lái)了巨大的環(huán)境污染問(wèn)題，近年來(lái)對(duì)能源清潔性的要求越來(lái)越高。由于核能的溫室氣體排放幾乎為零，并具有能量密度高、能量輸出穩(wěn)定、技術(shù)日益成熟且已得到大規(guī)模應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。因此，核能成為了除傳統(tǒng)化石能源外的重要能源來(lái)源選擇之一。在核能利用中，由于其特殊性，安全問(wèn)題是首先予以考慮的。其中堆芯的熱量傳輸對(duì)反應(yīng)堆的安全有重大影響，為了確保反應(yīng)堆的安全，要能保證在任何情況下確保堆芯的冷卻。在堆芯冷卻過(guò)程中，正常運(yùn)行、異常運(yùn)行或是事故工況下在反應(yīng)堆內(nèi)都可能會(huì)涉及到兩相流動(dòng)與傳熱問(wèn)題。如堆芯冷卻劑通道的過(guò)冷沸騰，管道破口處的冷卻劑兩相噴放，兩相自然循環(huán)，高溫熔融物與冷卻劑作用下的蒸汽爆炸，蒸汽發(fā)生器U 型管內(nèi)的冷凝回流，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)兩相流動(dòng)傳熱等等。而在新一代核電廠中所大力倡導(dǎo)的非能動(dòng)安全設(shè)計(jì)中，重力、浮力、熱對(duì)流、蒸發(fā)和冷凝是常用的幾種非能動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力。在失去強(qiáng)迫循環(huán)的情況下，通過(guò)非能動(dòng)的安全設(shè)計(jì)，建立冷卻劑在堆內(nèi)的自然流動(dòng)，維持熱量向熱阱的輸送過(guò)程，可以在很大程度上避免堆芯過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)。由此引出的兩相自然循環(huán)、冷卻液體的蒸發(fā)和冷凝等也都屬于兩相流動(dòng)傳熱問(wèn)題，其中仍然有不少問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。這些兩相流動(dòng)傳熱問(wèn)題的研究都對(duì)核電廠設(shè)計(jì)與改進(jìn)、事故分析和安全有著重要的指導(dǎo)和促進(jìn)作用。
歷史上發(fā)生過(guò)的三哩島、切爾諾貝利、福島等三次較大的核反應(yīng)堆事故是人們汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)開(kāi)展與核反應(yīng)堆安全問(wèn)題相關(guān)研究的重要依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。在這些事故中的某一局部或進(jìn)程中，存在著大量的兩相流動(dòng)傳熱現(xiàn)象，其中有一種兩相自然流動(dòng)現(xiàn)象在各個(gè)事故間具有相似性，值得特別予以關(guān)注，即浮力引發(fā)的間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。浮力引發(fā)的間隙流動(dòng)不穩(wěn)定是指在加熱系統(tǒng)中，流體在浮力驅(qū)動(dòng)下，發(fā)生間歇性的流動(dòng)，在系統(tǒng)中交替性地呈現(xiàn)單相或兩相形態(tài)，流動(dòng)方向會(huì)有正反兩個(gè)方向變化，伴隨著周期性的蒸汽噴涌和過(guò)冷液體的回流，局部的過(guò)冷沸騰可反復(fù)地產(chǎn)生或抑制的復(fù)雜流動(dòng)傳熱過(guò)程。這種現(xiàn)象常發(fā)生在具有較長(zhǎng)上升管路、下端加熱的系統(tǒng)中。整個(gè)循環(huán)的流動(dòng)過(guò)程可分為過(guò)冷沸騰，流動(dòng)振蕩，蒸汽噴涌和回流冷卻幾個(gè)階段。
核反應(yīng)堆正常運(yùn)行、異常運(yùn)行或是事故工況中存在大量的兩相流動(dòng)與傳熱問(wèn)題。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)間的相互作用十分復(fù)雜，在一些情況下由于驅(qū)動(dòng)力不足，可能難以建立穩(wěn)定的兩相自然循環(huán)，此時(shí)便會(huì)發(fā)生間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。研究表明在沸水堆、CANDU重水堆、液態(tài)金屬冷卻快堆和壓水堆核電廠事故工況下均觀測(cè)到了間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。這些情況下，由于涉及到核反應(yīng)堆的流動(dòng)傳熱問(wèn)題，間隙流動(dòng)不穩(wěn)定性一方面可能會(huì)阻止冷卻劑注入堆芯，導(dǎo)致不能及時(shí)導(dǎo)出堆芯熱量，增加了堆芯熔化的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面也存在作為一種導(dǎo)出熱量的手段的可能性。因此，間隙流動(dòng)不穩(wěn)定性會(huì)對(duì)事故進(jìn)程和反應(yīng)堆的安全產(chǎn)生重要影響，有必要進(jìn)行詳細(xì)研究。
目前，盡管已有許多研究人員對(duì)間隙流動(dòng)不穩(wěn)定以及類似的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了大量的測(cè)試和理論研究，對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了初步分析和探索，但是對(duì)無(wú)法建立自然循環(huán)的流動(dòng)系統(tǒng)中的間隙流動(dòng)不穩(wěn)定性的研究仍然存在不足:對(duì)此種情況下間隙流動(dòng)不穩(wěn)定性的影響因素、流動(dòng)特征方面的研究有待進(jìn)一步完善，對(duì)間隙流動(dòng)不穩(wěn)定性機(jī)理方面的研究還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。從工程的角度來(lái)看，目前的研究大多集中在低溫輸送系統(tǒng)、重力熱管、海洋油氣輸送系統(tǒng)等，在核反應(yīng)堆領(lǐng)域的研究較少。而其他領(lǐng)域中的結(jié)論受限于系統(tǒng)的運(yùn)行條件(如低溫相對(duì)于常溫或高溫)、介質(zhì)的流動(dòng)傳熱特征(如油-氣-水相對(duì)于汽-水)等，并不能直接加以應(yīng)用于核反應(yīng)堆領(lǐng)域中。
經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，吳鴿平秋穗正蘇光輝賈斗南在《環(huán)形窄縫通道內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定性試驗(yàn)研究》(《核動(dòng)力工程》2007年第6期I江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院江蘇鎮(zhèn)江212013西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)中公開(kāi)了一種測(cè)試裝置，其加熱長(zhǎng)度為1800_，間隙尺寸為1.5_的環(huán)形窄縫通道試驗(yàn)段；以去離子水為上質(zhì)，進(jìn)行了強(qiáng)迫循環(huán)下兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)壓力為1.5 3.0MPa，質(zhì)量流量為3.0 25kg / h，加熱功率為3.0 6.5kW，進(jìn)口溫度為20°C、40°C、60°C。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定加熱功率和進(jìn)口條件下，回路流量低于特定值，會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。試驗(yàn)研究了進(jìn)口過(guò)冷度、系統(tǒng)壓力和質(zhì)量流量等參數(shù)對(duì)不穩(wěn)定性的影響，得到了環(huán)形窄縫通道內(nèi)強(qiáng)迫循環(huán)下兩相流動(dòng)不穩(wěn)定區(qū)間。但該技術(shù)所涉及的檢測(cè)方式無(wú)法適用于現(xiàn)有第三代非能動(dòng)安全壓水堆核電廠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種用于檢測(cè)核反應(yīng)堆中間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的裝置，模擬間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象并記錄、量化分析影響該現(xiàn)象的相關(guān)因素；適用于第三代非能動(dòng)安全壓水堆核電廠中廣泛采用的非能動(dòng)、無(wú)強(qiáng)迫循環(huán)驅(qū)動(dòng)的安全設(shè)施等設(shè)計(jì)條件。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括:提供能量輸入的位于下方的熱源、位于上方的冷卻源、連接于冷卻源和熱源之間用于模擬間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的上升段、與熱源的另一端相連的流量源以及數(shù)據(jù)采集裝置，其中:熱源與流量源之間設(shè)置有第一開(kāi)關(guān)閥用于切斷強(qiáng)迫循環(huán)流量；
上升段包括:用于觀察間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的可視化段和直管段，其中:直管段的高度或管道直徑可調(diào)以提供上升高度和管道內(nèi)徑的組合參數(shù)對(duì)間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的影響數(shù)據(jù)；
數(shù)據(jù)采集裝置采集記錄上升段中間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的影像、上升段中的溫度、壓力、壓力差、兩相流動(dòng)的流量，記錄冷卻源的冷卻水高度、溫度，并記錄熱源的溫度和端部壓力。
所述的直管段的兩端分別與冷卻源和熱源相連，中間設(shè)置可視化段。
所述的直管段的側(cè)壁設(shè)置支管用以連接第一熱電偶、第一壓力傳感器和差壓傳感器，測(cè)量溫度和壓差的變化，其中:熱電偶和壓力傳感器作為一組設(shè)置于直管段的入口和出口，壓差傳感器設(shè)置于直管段的入口和出口處。
上述三種測(cè)量器件，熱電偶和壓力傳感器作為一組共同使用，在直管段的入口、出口各設(shè)一組用以測(cè)量直管段入口出口的溫度壓力情況，以研究直管段的不同結(jié)構(gòu)對(duì)于流動(dòng)不穩(wěn)現(xiàn)象特性的影響。由于直管段的直徑和長(zhǎng)度均可變化，因此熱電偶和壓力傳感器位置可變，只需滿足對(duì)于入口出口的測(cè)量需要即可。壓差傳感器同理，兩端分別設(shè)置在直管段的入口出口處。
所述的冷卻源包括:儲(chǔ)水裝置、若干第二熱電偶和液位計(jì)，其中:第二熱電偶共6個(gè)，于儲(chǔ)水裝置的高度方向等分為3組，于儲(chǔ)水裝置的圓周方向等分為2列，高度上的第一組設(shè)置在高于1/10的位置，第二組設(shè)置在高于底部3/10的位置，第三組設(shè)置在高于底部1/2的位置；圓周方向上第一列與液位計(jì)相距90度圓周角，第二列與第一列相距90度圓周角。位置與角度的取 值考慮到測(cè)量不同水深溫度的變化規(guī)律的需要，在同一水深不同位置測(cè)量溫度取平均值可以減小實(shí)驗(yàn)誤差。儲(chǔ)水裝置側(cè)邊設(shè)置聯(lián)通式液位計(jì)，液位計(jì)上端和下端均與儲(chǔ)水裝置連接，液位計(jì)高度與儲(chǔ)水裝置高度相同。
所述的儲(chǔ)水裝置的儲(chǔ)水量為該儲(chǔ)水裝置的1/5所述的儲(chǔ)水裝置的底部中心與上升段相連，側(cè)壁與開(kāi)關(guān)閥外部的排水管路相連。
所述的熱源包括:加熱管、若干第三熱電偶和第二壓力傳感器，其中:加熱管的兩端分別設(shè)置一個(gè)第三熱電偶和第二壓力傳感器，中部設(shè)置一個(gè)第三熱電偶。
所述的加熱管中設(shè)置加熱件為陶瓷電加熱圈。
所述的流量源處設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥，該流量調(diào)節(jié)閥的兩端分別與流量源和第二開(kāi)關(guān)閥相連。
流量源與熱源結(jié)合，對(duì)本裝置內(nèi)的水作循環(huán)預(yù)熱，以改變測(cè)試中的初始溫度。
所述的流量源為轉(zhuǎn)速為1400r/min的單級(jí)單吸離心泵。
所述的第一熱電偶、第一壓力傳感器、差壓傳感器、第二熱電偶、第三熱電偶和第二壓力傳感器均是由支管進(jìn)行固定連接且分別與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連以提供數(shù)據(jù)信息。
所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括:用于記錄上升段中間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象影像的攝影攝
像裝置。
本發(fā)明涉及一種根據(jù)上述裝置的用于檢測(cè)間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的應(yīng)用，以倒GEY波峰因數(shù)作為其判別指標(biāo)，具體為:倒GEY波峰因數(shù)GEYlieeip CF>0.01時(shí)，間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生；GEYKe cipCF = 8.65782 X IO-2.Η . 95ν 744廣.4，其中:對(duì)于一個(gè)可能發(fā)生間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的豎直圓管，H為特征高度，D為管道直徑，P為加熱功率，均采用國(guó)際單位制。
所述的間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的周期計(jì)算模型為:[0026]
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)核反應(yīng)堆中間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的裝置，其特征在于，包括:提供能量輸入的位于下方的熱源、位于上方的冷卻源、連接于冷卻源和熱源之間用于模擬間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的上升段、與熱源的另一端相連的流量源以及數(shù)據(jù)采集裝置，其中:熱源與流量源之間設(shè)置有第一開(kāi)關(guān)閥用于切斷強(qiáng)迫循環(huán)流量； 上升段包括:用于觀察間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的可視化段和直管段，其中:直管段的高度或管道直徑可調(diào)以提供上升高度和管道內(nèi)徑的組合參數(shù)對(duì)間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的影響數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)采集裝置采集記錄上升段中間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的影像、上升段中的溫度、壓力、壓力差、兩相流動(dòng)的流量，記錄冷卻源的冷卻水高度、溫度，并記錄熱源的溫度和端部壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置，其特征是，所述的冷卻源包括:儲(chǔ)水裝置、若干第二熱電偶和液位計(jì)，其中:第二熱電偶共6個(gè)，于儲(chǔ)水裝置的高度方向等分為3組，于儲(chǔ)水裝置的圓周方向等分為2列，高度上的第一組設(shè)置在高于1/10的位置，第二組設(shè)置在高于底部3/10的位置，第三組設(shè)置在高于底部1/2的位置；圓周方向上第一列與液位計(jì)相距90度圓周角，第二列與第一列相距90 度圓周角；儲(chǔ)水裝置側(cè)邊設(shè)置聯(lián)通式液位計(jì)，液位計(jì)上端和下端均與儲(chǔ)水裝置連接，液位計(jì)高度與儲(chǔ)水裝置高度相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的裝置，其特征是，所述的儲(chǔ)水裝置的儲(chǔ)水量為該儲(chǔ)水裝置的1/5-3/5。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的裝置，其特征是，所述的儲(chǔ)水裝置的底部中心與上升段相連，側(cè)壁與開(kāi)關(guān)閥外部的排水管路相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置，其特征是，所述的熱源包括:加熱管、若干第三熱電偶和第二壓力傳感器，其中:加熱管的兩端分別設(shè)置一個(gè)第三熱電偶和第二壓力傳感器，中部設(shè)置一個(gè)第三熱電偶。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置，其特征是，所述的流量源處設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥，該流量調(diào)節(jié)閥的兩端分別與流量源和第二開(kāi)關(guān)閥相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1-6任一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，所述的第一熱電偶、第一壓力傳感器、差壓傳感器、第二熱電偶、第三熱電偶和第二壓力傳感器均是由支管進(jìn)行固定連接且分別與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連以提供數(shù)據(jù)信息。
8.一種根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求
所述裝置的應(yīng)用，其特征在于，用于檢測(cè)間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，其判別指標(biāo)為:倒GEY波峰因數(shù)GEYlieeip CF > 0.01時(shí)，間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生；GEYEe cip CF = 8.65782 X IO-2.H _-ymya _，其中:對(duì)于一個(gè)可能發(fā)生間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的豎直圓管，H為特征高度，D為管道直徑，P為加熱功率，均采用國(guó)際單位制。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的應(yīng)用，其特征是，所述的間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的周期計(jì)算模型為:
專利摘要
一種核工業(yè)領(lǐng)域的用于檢測(cè)核反應(yīng)堆中間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的裝置，包括提供能量輸入的位于下方的熱源、位于上方的冷卻源、連接于冷卻源和熱源之間用于模擬間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的上升段、與熱源的另一端相連的流量源以及數(shù)據(jù)采集裝置，其中熱源與流量源之間設(shè)置有第一開(kāi)關(guān)閥用于切斷強(qiáng)迫循環(huán)流量；本發(fā)明用于詳細(xì)闡述低壓力工況下浮力引發(fā)的間隙流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，解明間隙流動(dòng)不穩(wěn)定性的特征，定性與定量地建立系統(tǒng)特征參數(shù)與間隙流動(dòng)不穩(wěn)定性特征的相互關(guān)系，找出其中的關(guān)鍵參數(shù)和影響因素。
文檔編號(hào)G21C17/022GKCN103219055SQ201310121625
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月9日
發(fā)明者曹學(xué)武, 佟立麗, 鄒杰, 陳金波, 宮海光 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan