CN102881339A - 便于测量壁温的球形燃料元件模拟件及其组装工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了便于测量壁温的球形燃料元件模拟件及其组装工艺，包括棒状电热元件，电热元件的两端分别与上导电板、下导电板连接，在所述电热元件的一端设置有内凹的盲孔，在电热元件的侧壁上设置有与盲孔底部连通的圆孔，在所述盲孔内安装有铠装热电偶，在铠装热电偶与电热元件之间还设置有绝缘套管，所述圆孔用银钎焊填充焊接。本发明在每个电热元件内均可以安装铠装热电偶，在任意的一个电热元件内都可以测量任意深度的，可以准确地模拟出球形燃料元件，适用于的模拟件的水工特性实验；电热元件的几何结构尺寸及排列尺寸以球形燃料元件为基准、通过多孔介质流体动力学与传热学理论计算得到，可有效模拟球形燃料元件热工水力特性。

Description

便于测量壁温的球形燃料元件模拟件及其组装工艺
技术领域
本发明涉及一种测量壁温的模拟件，具体是指便于测量壁温的球形燃料元件模拟件及其组装工艺。
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，当热流密度达到由泡核沸腾转变为膜态沸腾所对应的值时，加热表面上的气泡很多，以致使很多气泡连成一片，覆盖了部分加热面。由于气膜的传热系数低，加热面的温度会很快升高，而使加热面烧毁。这一临界对应点又称为沸腾临界点、偏离泡核沸腾DNB或临界热流密度CHF；全陶瓷材料避免了事故工况下的锆水反应，锆水反应是在压水堆丧失冷却剂事故的某个阶段，燃料元件棒束未被冷却剂液体浸没而处于裸露状态时，高温锆合金包壳与蒸汽发生的伴随有放热并产生氢气的剧烈化学反应，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中的球形燃料元件与高温气冷堆中的球形燃料相比球径更小，通常只有1~5mm；且元件中的球形燃料数量众多，超过10万个。由于球形燃料元件水冷堆中的球形燃料元件具备上述特点，因此用于模拟该球形燃料元件热工水力特性的模拟件也面临着三个技术难点，一是难以对其核释热进行模拟，二是难以对其热工水力特性进行模拟，三是难以对其壁温进行测量。目前国内外没有适用于球形燃料元件热工水力特性的电热模拟件。
发明内容
本发明的目的在于提供便于测量壁温的球形燃料元件模拟件，解决球形燃料元件的等效模拟元件表面温度测量困难的问题，满足球形燃料元件热工水力特性模拟实验对加热元件及测温装置的需求。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
便于测量壁温的球形燃料元件模拟件，包括棒状电热元件，电热元件的两端分别与上导电板、下导电板连接，在所述电热元件的一端设置有内凹的盲孔，在电热元件的侧壁上设置有与盲孔底部连通的圆孔，在所述盲孔内安装有铠装热电偶，在铠装热电偶与电热元件之间还设置有绝缘套管，所述圆孔用银钎焊填充焊接。球形燃料元件模拟件整体呈圆柱状，为实心不锈钢结构，其两端分别与上导电板、下导电板连接，在上导电板、下导电板之间加持续电压，电流经过球形燃料元件模拟件后发热，持续向外发散的热量模拟出球形燃料元件的核释热量，为了避免临界热流密度CHF的发生，在实心不锈钢的圆柱状电热元件的一端开设有盲孔，盲孔沿电热元件的的轴线延伸至所需测温点，然后在电热元件的侧壁开设圆孔，圆孔将盲孔的末端和外壁连通，将铠装热电偶穿入盲孔并抵达盲孔末端，铠装热电偶外套装有绝缘套管，然后，使用银钎焊将圆孔填焊，银钎焊将铠装热电偶的末端与圆孔连接，由此处采集温度信号，由于温度采集点是在电热元件的侧壁上，能够保证采集值的真实性；而且，在一个热工水力特性测试工装中，上导电板和下导电板之间安装有多个电热元件，在每个电热元件内均可以安装铠装热电偶，在任意的一个电热元件内都可以测量任意深度的，如此，可以准确地模拟出球形燃料元件，适用于的模拟件的水工特性实验。
在所述电热元件位于上导电板之上的部分套装有保护套。进一步讲，作为本发明的进一步改进，为了防止小径铠装热电偶在钎焊时被火焰熔化，在电热元件的盲孔开口端套装有保护套。
在所述电热元件侧面上设置有多个相互平行且等间距分布的环形肋片。细棒束在结构上与球形燃料元件相似，环肋片处对应球形燃料较大截面，小径处对应球形燃料较小截面，细棒束的横向“叉排”和轴向均匀交错排列方式对应球形燃料致密堆积方式，这种结构相似决定了在流动与传热特性上也与球形燃料元件相似。
所述绝缘套管采用陶瓷或聚四氟乙烯制成。进一步讲，为了铠装热电偶和电热元件之间的绝缘，防止电流通过热电偶的铠套，采用陶瓷或聚四氟乙烯制成绝缘套管，可以满足耐高温、高压、绝缘的要求。
便于测量壁温的球形燃料元件模拟件组装工艺，包括以下步骤：
（A）在电热元件的一端开设盲孔；
（B）在电热元件的侧壁上开设圆孔，圆孔与盲孔末端连通；
（C）首先将铠装热电偶穿过绝缘套管；
（D）然后将步骤（C）的绝缘套管依次穿过上导电板上的定位孔和电热元件的盲孔到达盲孔末端；
（E）然后从电热元件侧面的圆孔处用银钎焊进行填焊，将热电偶固定在测点位置；
（F）在将电热元件焊接外表面进行打磨，恢复原有的结构；
（G）重复步骤（A）至（F）后，将上导电板与多个电热元件进行银钎焊接，最后将下导电板与电热元件焊接。
在组装过程中，单个电热元件的加工和整体的组装是连续的，采用7根或19根或37根电热元件安装在上导电板和下导电板之间，每根电热元件均为相同规格的棒状结构，棒径<3.0mm，棒侧面加工有环形肋片结构，肋片厚度<0.6mm，高度>0.6mm，肋片间距<3.2mm；电热元件在轴向上呈均匀交错排列，在横向上呈正三角形排列，电热元件的几何结构尺寸及排列尺寸以球形燃料元件为基准、通过多孔介质流体动力学与传热学理论计算得到，可有效模拟球形燃料元件热工水力特性。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1本发明便于测量壁温的球形燃料元件模拟件，由于温度采集点是在电热元件的侧壁上，能够保证采集值的真实性；在一个热工水力特性测试工装中，上导电板和下导电板之间安装有多个电热元件，在每个电热元件内均可以安装铠装热电偶，在任意的一个电热元件内都可以测量任意深度的，可以准确地模拟出球形燃料元件，适用于的模拟件的水工特性实验；
2本发明便于测量壁温的球形燃料元件模拟件，在电热元件的盲孔开口端套装有保护套，防止了小径铠装热电偶在钎焊时被火焰熔化；
3本发明便于测量壁温的球形燃料元件模拟件，电热元件在轴向上呈均匀交错排列，在横向上呈正三角形排列，电热元件的几何结构尺寸及排列尺寸以球形燃料元件为基准、通过多孔介质流体动力学与传热学理论计算得到，可有效模拟球形燃料元件热工水力特性。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
附图中标记及相应的零部件名称：
1-铠装热电偶，2-绝缘套管，3-保护套，4-电热元件，5-上导电板，6-下导电板，7-银钎焊，8-环形肋片。
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所示，本发明便于测量壁温的球形燃料元件模拟件，包括棒状电热元件4，电热元件4为φ2.6mm-L300mm的S321不锈钢细棒，细棒包括中间的肋片区域和两端的光滑区域，其中一端加工有深度为100mm的φ1.2mm的圆形盲孔，在盲端位置侧面处加工有φ1.2mm的圆孔与盲孔相通，在侧面上的环形肋片8为环形结构，环形肋片8厚度为0.5mm，高度为1.0mm，肋间距为3.0mm；
电热元件4的两端分别与上导电板5、下导电板6连接，在盲孔内安装有铠装热电偶1，在铠装热电偶1与电热元件4之间还设置有绝缘套管2，绝缘套管采用陶瓷制成，作为等同替换，也可以是聚四氟乙烯等类别的材料，圆孔用银钎焊7填充焊接，在安装铠装电热偶一端的电热元件4上套装有保护套3。
组装工艺：将19根电热元件4安装在上导电板5和下导电板6之间，将铠装热电偶1依次穿过上导电板5和测温电热元件4抵达盲孔底部，从侧面圆孔处装入焊药，银钎焊接时不断转动热电偶，当大部分焊料浸入圆孔时停止转动，填满圆孔后，单根元件银钎焊接完成。将焊接处打磨光滑圆整。所有测温电热元件焊完之后将其它非测温电热元件4穿过上导电板5，将所有电热元件4的另一端固定在下导电板6。固定好之后将所有电热元件基准端对齐，以调整元件轴向位置使其在轴向呈均匀排列，准备组装焊接。将带有铠装电热偶1的电热元件4的端头加上保护套3，另一端整体浸泡在冷水中防止热电偶焊接处出现熔化脱落，将电热元件4与上导电板5银钎焊接，采取相同保护措施，将电热元件4与下导电板6银钎焊接，用高锰酸钾溶液对焊接件进行清洗，完成组装焊接。
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 (5)

1.便于测量壁温的球形燃料元件模拟件，包括棒状电热元件（4），电热元件（4）的两端分别与上导电板（5）、下导电板（6）连接，其特征在于：在所述电热元件（4）的一端设置有内凹的盲孔，在电热元件（4）的侧壁上设置有与盲孔底部连通的圆孔，在所述盲孔内安装有铠装热电偶（1），在铠装热电偶（1）与电热元件（4）之间还设置有绝缘套管（2），所述圆孔用银钎焊（7）填充焊接。
2.根据权利要求1所述的便于测量壁温的球形燃料元件模拟件，其特征在于：在所述电热元件（4）位于上导电板（5）之上的部分套装有保护套（3）。
3.根据权利要求1所述的便于测量壁温的球形燃料元件模拟件，其特征在于：在所述电热元件（4）侧面上设置有多个相互平行且等间距分布的环形肋片（8）。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的便于测量壁温的球形燃料元件模拟件，其特征在于：所述绝缘套管（2）采用陶瓷或聚四氟乙烯制成。
5.便于测量壁温的球形燃料元件模拟件组装工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（A）在电热元件（4）的一端开设盲孔；
（B）在电热元件（4）的侧壁上开设圆孔，圆孔与盲孔末端连通；
（C）首先将铠装热电偶穿过绝缘套管（2）；
（D）然后将步骤（C）的绝缘套管（2）依次穿过上导电板（5）上的定位孔和电热元件（4）的盲孔到达盲孔末端；
（E）然后从电热元件（4）侧面的圆孔处用银钎焊（7）进行填焊，将热电偶固定在测点位置；
（F）在将电热元件（4）焊接外表面进行打磨，恢复原有的结构；
（G）重复步骤（A）至（F）后，将上导电板（5）与多个电热元件（4）进行银钎焊接，最后将下导电板（6）与电热元件（4）焊接。
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