CN102855802A - 球形燃料元件等效模型热工水力实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，包括承压组件、电热组件、绝缘组件、密封组件以及压力测量组件等，各组件之间可现场组装与拆卸。本发明采用带环肋片细棒束电热元件作为球形燃料元件的等效模型结构，实现了电加热方式，可开展单相水流动与传热实验，能够反映球形燃料元件的热工水力特性；测压组件可现场组装与拆卸，便于更换O型密封圈和引压管等消耗品，降低了损耗和成本；定位格架对带环肋片细棒束起横向定位的作用，定位格架的单锥面结构可同时引导多根带环肋片细棒组装，降低了组装的难度，提高了组装的效率；采用铜辫子连接下导电组件和下导电接头，实现了软性连接，有效地解决了电热组件热膨胀带来的问题。

Description

球形燃料元件等效模型热工水力实验装置

技术领域

本发明涉及一种热工水力实验装置，具体是指球形燃料元件等效模型热工水力实验装置。

背景技术

球形燃料元件水冷堆是一种新概念核反应堆，将球形燃料元件拓展应用到轻水堆中，与高温气冷堆不同，该类型反应堆采用轻水作为冷却剂，球形燃料元件的直径更小。球形燃料元件的球形结构和微小尺寸降低了临界热流密度（CHF）发生的可能性；全陶瓷材料避免了事故工况下的锆水反应，避免了氢气爆炸事故；因此，球形燃料元件水冷堆具有较高的固有安全性。

球形燃料元件水冷堆研发面临着一系列重大技术瓶颈，针对堆芯热工水力特性的研究手段是便是其中之一。由于燃料小球数量众多难以实现电加热，电磁感应等非接触式加热方式存在功率小、吸收功率难以测量控制以及屏蔽效应等缺陷，因此已有的实验装置和手段无法实现有效地加热，难以堆芯研发的需求，有必要研制新的实验装置开展球形燃料元件热工水力实验研究，满足球形燃料元件水冷堆研发的需求。

目前国内外没有针对球形燃料元件等效模型的热工水力实验装置。俄罗斯开发了一种研究核反应堆燃料元件流道热破坏机理的模拟装置（专利号：RU2275702-C2），它的加热器是一种条棒状结构，中心为点火器，往外依次是产生热量的熔融混合物、屏蔽层和密封壳，通过控制熔融混合物燃烧和温度来模拟加热燃料元件流道。这种加热器为条棒状结构，可模拟传统的棒状燃料元件，但与球形燃料元件不具备相似性，不能作为球形燃料元件的等效模型结构，不能模拟球形燃料元件。这种加热器采用熔融混合物燃烧模拟热量释放，可模拟燃料元件烧毁这类一次性实验，但不适合模拟球形燃料元件热工水力特性这类需多次重复的实验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于球形燃料元件等效模型热工水力实验的装置，解决电加热、绝缘和密封性能问题，能够在高温、高压条件下稳定运行，可开展单相水流动与传热实验。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，包括上筒体，上筒体为具有上下两个开口端的空腔结构，在上筒体的上开口端设置有上槽面法兰，在上槽面法兰端面设置有上导电铜盘，在上槽面法兰侧面设置有出口接管，在上筒体的下开口端安装有下榫面法兰，在下榫面法兰侧面设置有进口接管，在下榫面法兰下端连接有下槽面法兰，在下槽面法兰内安装有下导电接头，在下槽面法兰下端安装有下筒体，下导电接头与下导电铜头连接，在上筒体内安装有绝缘组件，绝缘组件构成腔室，在上导电铜盘和下导电接头之间安装有多个位于腔室内的带环肋片细棒束，在所述上筒体侧面设置有与腔室连通的测压装置。上筒体整体呈圆柱状，其内部空腔形成圆筒状结构，在下筒体的两端分别安装上槽面法兰和下榫面法兰，在上槽面法兰和下榫面法兰的侧面分别安装出口接管和进口接管，在上槽面法兰上端安装上导电铜盘，在下榫面法兰下端安装下槽面法兰，在下槽面法兰下端安装下筒体，下筒体内部安装有压紧环组件，压紧环组件起到压紧密封的作用，同时与外界导电，在下槽面法兰内部安装下导电接头，在上导电铜盘和下导电接头之间安装多个带环肋片细棒束，带环肋片细棒束是电热原件，在带环肋片细棒束两端加上电压后，可以持续发热，同时在进口接管连接冷却水，可以模拟出球形燃料原件的等效模型，可以进行热工水力实验，在上筒体的侧壁上开设测试孔，并安装测压组件即可以完成对内部的压力测试，采用带环肋片细棒束电热元件作为球形燃料元件的等效模型结构，实现了电加热方式，可开展单相水流动与传热实验，能够反映球形燃料元件的热工水力特性。

在所述上筒体侧面、以及绝缘组件上开设有与腔室连通的孔，所述测压装置包括连接在上筒体侧壁的引压接嘴，引压接嘴内部安装有与腔室连通的引压管，在绝缘组件内的引压管上套装有密封环座，在密封环座上设置有凹槽，在该凹槽内安装有O型密封圈。进一步讲，作为本发明的优选，测压组件为可拆卸的结构，在上筒体侧面侧面开设孔，该孔沿上筒体直径向内延伸并穿过绝缘组件与腔室连通，在该孔内安装有引压管，在引压管上套装有密封环座，密封环座位于绝缘组件内，在密封环座上设置有凹槽，凹槽内安装的O型密封圈可以避免腔室内的液体通过孔进入到引压接嘴内，如此，引压接嘴可以便于拆卸，现场安装。

在所述引压接嘴的开口端设置有压紧螺母，在压紧螺母与引压接嘴之间安装有引压嘴，所述引压管延伸至引压嘴内。进一步讲，通过安装引压嘴，可以将压力引到需要测试的设备上，方便连接和拆卸。

在所述下导电接头上设置有环形槽，在下导电接头上设置有定位格架，所述带环肋片细棒束穿过定位格架后通过银钎焊与定位格架、以及下导电接头连接。进一步讲，带环肋片细棒束上端与上导电铜盘通过银钎焊结，带环肋片细棒束的下端与下导电接头通过银钎焊结，上导电铜盘通过上导电板接通电源，上导电板可增大电流的过流面积，定位格架对带环肋片细棒束起横向定位的作用。

所述定位格架整体呈圆板状，其一端为平面，另一端面向外凸出形成锥面，在定位格架上设置有多个定位孔，定位孔连接定位格架的两个端面且相互平行。进一步讲，定位格架的单锥面结构可同时引导多根带环肋片细棒组装，降低了组装的难度，提高了组装的效率。

在所述下筒体内安装有与下导电铜头连接的下导电组件，下导电组件通过铜辫子与下导电接头连接。进一步地，作为本发明的进一步改进，采用铜辫子连接下导电组件和下导电接头，实现了软性连接，有效地解决了电热组件热膨胀带来的问题，带环肋片细棒束与铜辫子同时焊接，避免了银钎焊时的冷却处理，降低了焊接的难度，提高焊接的质量和效率。

在所述下导电组件上设置有压紧组件，在压紧组件上设置有密封环。

所述绝缘组件是由6块规格相同的陶瓷或者石英玻璃绝缘片组成的正六边形结构，绝缘片截面为等腰梯形。绝缘组件由6块相同规格的陶瓷或石英玻璃绝缘片组成，组成整体后其外部为正六面体，内部为正六面体空腔，具有良好的绝缘性能，便于绝缘组件以及电热组件的组装与拆卸。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本发明球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，带环肋片细棒束是电热原件，在带环肋片细棒束两端加上电压后，可以持续发热，同时在进口接管连接冷却水，可以模拟出球形燃料原件的等效模型，可以进行热工水力实验，在上筒体的侧壁上开设测试孔，并安装测压组件即可以完成对内部的压力测试，采用带环肋片细棒束电热元件作为球形燃料元件的等效模型结构，实现了电加热方式，可开展单相水流动与传热实验，能够反映球形燃料元件的热工水力特性；

2本发明球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，测压组件可现场组装与拆卸，便于更换O型密封圈和引压管等消耗品，降低了损耗和成本；

3本发明球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，带环肋片细棒束的下端与下导电接头通过银钎焊结，上导电铜盘通过上导电板接通电源，上导电板可增大电流的过流面积，定位格架对带环肋片细棒束起横向定位的作用，定位格架的单锥面结构可同时引导多根带环肋片细棒组装，降低了组装的难度，提高了组装的效率；

4本发明球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，采用铜辫子连接下导电组件和下导电接头，实现了软性连接，有效地解决了电热组件热膨胀带来的问题，带环肋片细棒束与铜辫子同时焊接，避免了银钎焊时的冷却处理，降低了焊接的难度，提高焊接的质量和效率；

5本发明球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，绝缘组件由6块相同规格的陶瓷或石英玻璃绝缘片组成，组成整体后其外部为正六面体，内部为正六面体空腔，具有良好的绝缘性能，便于绝缘组件以及电热组件的组装与拆卸。

附图说明

图1为本发明局部剖开结构示意图；

图2为图1中俯视方向测压组件结构示意图；

图3为带环肋片细棒束轴向排列方式示意图；

图4为定位格架结构示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：

1-上端紧固组件，2-上导电板，3-绝缘垫圈，4-上槽面法兰，5-带环肋片细棒束，6-测压组件，7-定位格架，8-下槽面法兰，9-下端紧固组件，10-下导电组件，11-压紧螺母，12-下导电铜头，13-压紧环组件，14-密封环，15-铜辫子，16-下筒体，17-下导电接头，18-进口接管，19-下榫面法兰，20-支撑架组件，21-上筒体，22-绝缘组件，23-出口接管，24-上导电铜盘，25-上法兰盖，26-O型密封圈，27-引压管，28-密封垫圈，29-引压嘴，30-压紧螺母，31-引压接嘴，32-密封环座。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1至4所示，本发明球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，包括上筒体21，上筒体21为具有上下两个开口端的空腔结构，其内部空腔形成圆筒状结构，在上筒体21的上开口端设置有上槽面法兰4，上筒体21与上槽面法兰4焊接而成，在上槽面法兰4端面设置有上导电铜盘24，上槽面法兰4与上导电铜盘24设置有绝缘垫圈3，在上槽面法兰侧面设置有出口接管23，在上导电铜盘24上安装有上导电板2，在上导电板2上端放置有上法兰盖25，上法兰盖25与上槽面法兰4通过上端紧固组件1连接，并将上导电板2、上导电铜盘24夹紧在上法兰盖25与上槽面法兰4之间；在上筒体21的下开口端安装有下榫面法兰19，在下榫面法兰19侧面设置有进口接管18，在下榫面法兰19下端连接有下槽面法兰8，下榫面法兰19与下槽面法兰8通过下端紧固组件9连接，下槽面法兰8下端焊接有下筒体16；在下槽面法兰8内安装有下导电接头17，下导电接头17整体呈圆柱状，其一端开口另一端封闭，在其内部套装有圆筒，该圆筒连接在，其内部设置有下导电接头17的封闭端面上；在上导电铜盘24和下导电接头17之间安装有多个带环肋片细棒束5，带环肋片细棒束5是不锈钢细棒，其上设置有均匀分布的环状肋片，带环肋片细棒束5的上端插入上导电铜盘24并通过银钎焊接；带环肋片细棒束5的上端穿过定位格架7，定位格架7整体呈圆板状，其一端为平面，另一端面向外凸出形成锥面，在定位格架7上设置有多个定位孔，通孔连接定位格架7的两个端面且相互平行，带环肋片细棒束5由定位格架7的锥面引导并穿入定位孔，穿入顺序为从中心向四周依次进行，当细棒束一端全部穿入定位格架7后，对另一端重复上述过程，两端均穿好之后，将细棒束一端校准平齐，保证肋片在轴向上排列的均匀度，带环肋片细棒束5上端插入上导电铜盘24中进行银钎焊结，下端整体置于下导电接头17的圆筒中进行银钎焊结；在下筒体16内部安装有下导电组件10，下导电组件10与下导电接头17通过铜辫子15实现软连接；下导电组件连接有压紧环组件13，压紧环组件13穿过下筒体16的端面，压紧环组件13内部两端分别与下导电组件10、下导电铜头12连接，在下筒体16上开设有通孔，压紧环组件13与下筒体16通过锥形体配合密封，在下筒体16的通孔侧壁设置有密封环14；在上筒体21和/或下筒体16外表面设置有支撑组件20；在上筒体21内部安装有绝缘组件22，绝缘组件22由6块规格相同的陶瓷或者石英玻璃绝缘片组成的正六边形结构，绝缘片截面为等腰梯形，6块绝缘片连接成内外均为正六面柱的空腔结构，其内部为腔室；还包括位于上筒体21侧壁上的两个测压组件6，在其中一块绝缘片上设置有孔，该孔贯穿绝缘片并延伸穿过上筒体21侧壁，将腔室与上筒体21外侧连通，在该孔位置的上筒体21侧壁上连接有测压组件6，测压组件6包括引压接嘴31，引压接嘴31整体呈圆筒形，其末端通过螺纹连接有压紧螺母30，压紧螺母轴线上开孔，在压紧螺母30与引压接嘴31顶端之间安装有引压嘴29，引压嘴29与引压接嘴31端面之间还设置有密封圈28；在引压嘴29内安装有引压管27，引压管27的末端位于绝缘片的孔内，并在其上套装有密封环座32，在密封环座32上设置有凹槽，凹槽内安装有O型密封圈26。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，包括上筒体（21），上筒体（21）为具有上下两个开口端的空腔结构，其特征在于：在上筒体（21）的上开口端设置有上槽面法兰（4），在上槽面法兰（4）端面设置有上导电铜盘（24），在上槽面法兰（4）侧面设置有出口接管（23），在上筒体（21）的下开口端安装有下榫面法兰（19），在下榫面法兰（19）侧面设置有进口接管（18），在下榫面法兰（19）下端连接有下槽面法兰（8），在下槽面法兰（8）内安装有下导电接头（17），在下槽面法兰（8）下端安装有下筒体（16），下导电接头（17）与下导电铜头（12）连接，在上筒体（21）内安装有绝缘组件（22），绝缘组件（22）构成腔室，在上导电铜盘（24）和下导电接头（17）之间安装有多个位于腔室内的带环肋片细棒束（5），在所述上筒体（21）侧面设置有与腔室连通的测压装置（6）。

2.根据权利要求1所述的球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，其特征在于：在所述上筒体（21）侧面、以及绝缘组件（22）上开设有与腔室连通的孔，所述测压装置（6）包括连接在上筒体（21）侧壁的引压接嘴（31），引压接嘴（31）内部安装有与腔室连通的引压管（27），在绝缘组件（22）内的引压管（27）上套装有密封环座（32），在密封环座（32）上设置有凹槽，在该凹槽内安装有O型密封圈（26）。

3.根据权利要求2所述的球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，其特征在于：在所述引压接嘴（31）的开口端设置有压紧螺母（30），在压紧螺母（30）与引压接嘴（31）之间安装有引压嘴（29），所述引压管（27）延伸至引压嘴（29）内。

4.根据权利要求1所述的球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，其特征在于：在所述下导电接头（17）上设置有环形槽，在下导电接头（17）上设置有定位格架（7），所述带环肋片细棒束（5）穿过定位格架（7）后通过银钎焊与定位格架（7）、以及下导电接头（17）连接。

5.根据权利要求4所述的球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，其特征在于：所述定位格架（7）整体呈圆板状，其一端为平面，另一端面向外凸出形成锥面，在定位格架（7）上设置有多个定位孔，通孔连接定位格架（7）的两个端面且相互平行。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，其特征在于：在所述下筒体（16）内安装有与下导电铜头（12）连接的下导电组件（10），下导电组件（10）通过铜辫子（15）与下导电接头（17）连接。

7.根据权利要求6所述的球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，其特征在于：在所述下导电组件（10）上设置有压紧组件（13），在压紧组件（13）上设置有密封环（14）。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的球形燃料元件等效模型热工水力实验装置，其特征在于：所述绝缘组件（22）是由6块规格相同的陶瓷或者石英玻璃绝缘片组成的正六边形结构，绝缘片截面为等腰梯形。

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