CN103606384B - 一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器及方法，该压力容器主要由进水口、进气口、加热区、实验段区、气水出口组成，可以进行空气-水和蒸汽-水两种工作介质实验；能够利用加热棒模拟堆芯衰变热，实现上腔室夹带现象的物性模拟；压力容器内含堆内构件和堆芯上板，可以实现真实反应堆上腔室夹带沉积现象的模拟；此外，本实验装置实验过程可视化、安全性高、易于安装维修等优点。

Description

一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器及方法

技术领域

本发明属于实验装置技术领域，具体涉及一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器及方法。

背景技术

反应堆发生小破口事故后，随着各级自动降压系统的相继打开，系统压力不断降低，堆内冷却剂存量也会由于破口泄漏和水夹带作用等不断减少。当压力容器内的液位降低到低于出口热管段时，压力容器内的衰变热产生的大量蒸汽会继续将冷却剂从出口热管段夹带出去，使反应堆压力容器内液位进一步降低，并可能最终导致堆芯裸露和熔化的严重事故。这种夹带发生在反应堆压力容器的上腔室，由于容器侧部出口热管段的存在使之不同于一般的池式夹带。同时，在上腔室内有大量的控制棒导向管和支撑柱，这些棒束的存在减小了上腔室流通截面积并会改变夹带液滴的运动轨迹。飞行的液滴会碰撞并贴附到棒束上，即棒束的夹带沉积作用，会使流入出口热管段的液滴有所减少。

国内外已经对池式夹带进行了广泛而深入的理论和实验研究，但针对反应堆背景的上腔室夹带研究较少。核安全分析系统软件RELAP5和TRACE中有若干支管夹带模型，但都没有涉及池式夹带模型。美国俄勒冈州立大学用RELAP5软件对小破口事故下压力容器冷却剂瞬态液位进行了模拟，结果显示在冷却剂液位低于出口热管段后压力容器内液位不再继续降低，但事实上仍会有部分液滴从热管段被蒸汽夹带出去，使压力容器内冷却剂液位呈现缓慢减小趋势。RELAP5软件忽略了上腔室夹带作用，高估了压力容器内的冷却剂存量，与反应堆安全分析中的保守估计原则相违背。为了揭示上腔室水夹带机理，合理估算反应堆发生破口事故后压力容器内冷却剂存量，开展反应堆上腔室夹带现象实验研究是十分必要的。

国内外做过一些类似的夹带实验，但绝大多数实验都属于常规的池式夹带范畴，没有涉及反应堆工程背景，如ChangHyunKim等人在公开发表的一篇文献(ChangHyunKim,HeeCheonNo.Liquidentrainmentandoff-takethroughthebreakatthetopofavessel.NuclearEngineeringandDesign,235,p.1675–1685,2005)中介绍的池式夹带实验装置，装置主体为内径0.3m、高2.0m的圆柱容器，容器上方焊接有直径为0.05m的出口管，该实验在常压下进行，采用空气-水介质进行了一系列水夹带实验。此外，国外还针对反应堆上腔室夹带做过一些相关实验，但这些实验的参数范围较窄，不能覆盖模化后的反应堆工况的参数范围，或是没有实现夹带等物性模拟。如俄勒冈州立大学在ATLATS实验台架上进行的上腔室夹带实验(K.B.Welter,Q.Wu,Y.Youetal.Experimentalinvestigationandtheoreticalmodelingofliquidentrainmentinahorizontalteewithavertical-upbranch.InternationalJournalofMultiphaseFlow,30(2004),p.1451–1484)，该实验以空气-水做为工作介质，但反应堆中的介质为水蒸气-水，所以用空气代替水蒸气不可避免会因为物性、质量能量传递差异等原因引入较大的模拟误差。另外，ATLATS实验压力稍高于常压，不能覆盖反应堆小破口事故后上腔室夹带发生时对应的压力范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器及方法，以克服上述现有实验装置的缺点。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器，包括上封头、中间筒体和下封头，上封头通过第一法兰与中间筒体相连，下封头通过第二法兰与中间筒体相连；中间筒体的上部内侧设置有上腔室；上腔室为上支承板与堆芯上板之间的空间，堆芯上板上均匀设置有若干个流通孔；上腔室的侧壁设置有热管段，与热管段相对的上腔室侧壁设置有可视化窗口；中间筒体的下部内侧设置有若干组加热棒；下封头的内侧设置有下腔室；下腔室为下支承板与流量分配板之间的空间，流量分配板上均匀设置有若干个流量分配孔和多孔管接管孔；下腔室的侧壁设置有进水口；若干个多孔管穿过流量分配板的多孔管接管孔并与下支承板相连；每个多孔管上均匀设置有多个孔，且孔位于流量分配板上部；下封头的底部设置有进气口，进气孔与多孔管相连通。

本发明进一步的改进在于：中间筒体上对称设置有若干组吊耳，上封头顶部设置有安全阀。

本发明进一步的改进在于：还包括：若干热电阻传感器，用于测量进气口温度、进水口温度、上腔室温度和热管段出口处温度；差压变送器，用于测量压力容器内液位高度；压力传感器，用于测量压力容器内系统压力；若干个高低水位报警器。

本发明进一步的改进在于：上腔室还包括分别与上支承板和堆芯上板相连的若干根堆内构件，该堆内构件由不锈钢管制作。

本发明进一步的改进在于：堆芯上板靠出口热管段一半开流通孔且设置堆内构件，另一半封闭。

本发明进一步的改进在于：堆内构件下端焊接与堆内构件等直径的圆形挡板，在挡板中心处和堆芯上板中堆内构件所在位置处加工螺纹，采用沉头螺丝将堆内构件和堆芯上板紧固连接；堆内构件上端通过压紧抵住上支承板底面实现堆内构件的固定。

本发明进一步的改进在于：所述模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器的壳体采用的材料为06Cr19Ni10，其内部采用立式布置，底部采用裙座式支撑。

一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器进行模拟核反应堆上腔室液滴夹带的方法，包括以下步骤：由空气压缩机提供的空气经储气罐和空气过滤器从压力容器下封头进气口进入到压力容器内部；由进水口进入压力容器的水经流量分配板和堆芯上板进入到上腔室，并使液位恒定在低于热管段的位置；空气流入压力容器后经过多孔管进行流量分配后向上流经堆芯上板，对空气流量进行重新分配；由于气泡破裂、喷溅作用在近液面区域产生大量液滴或液柱，上升的气体在液滴或液柱上产生提升力，气流携带着液滴在出口热管段处向外折流出压力容器；气液两相混合物经汽水分离器后水流入捕集水箱进行称重，空气流经涡街流量计测量流量后排至大气。

一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器进行模拟核反应堆上腔室液滴夹带的方法，包括以下步骤：中间筒体内设置的加热棒加热产生恒定气流量水蒸气，水蒸气上升进入到上腔室；对压力容器补水，当压力容器内液位达到一定高度时夹带开始；随着夹带的进行，对应于既定的气液流量，液位增长速度逐渐减小直至恒定，此时夹带流量和进水流量平衡，记录夹带量、气液流量、液位高度数据。

一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器进行模拟核反应堆上腔室液滴夹带的方法，包括以下步骤：中间筒体内设置的加热棒加热产生恒定气流量水蒸气，水蒸气上升进入到上腔室；向压力容器进行注水，随着压力容器内液位不断升高，夹带开始；待压力容器内液位恒定后关闭压力容器进水阀门，随着夹带的进行，压力容器内液位不断降低，记录自进水阀门关闭起210s时刻的夹带量、液位及气流量数据。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、该压力容器能够进行上腔室夹带现象的等物性模拟，为空气-水实验和蒸汽-水实验两用途压力容器；

2、该压力容器可以全面覆盖反应堆小破口事故工况，其额定压力为1.0MPa，实验气液流量均能达到反应堆2%衰变功率对应的模化缩比流量；

3、压力容器上设有差压变送器、液位计、可视化窗口、安全阀、高低水位报警器等多重安全装置，可有效避免容器内液位低于加热棒高度，提高了实验安全性；

4、压力容器内含堆内构件和堆芯上板，可以实现真实反应堆上腔室夹带沉积现象的模拟，堆内构件管束和堆芯上板流通孔的布置方式均严格按夹带沉积模化结果设计；堆内构件、堆芯上板等部件均可自由加装拆卸，以实现不同的实验目的。

总之，该压力容器可以等物性、全参数模拟小破口事故工况下的上腔室夹带沉积现象，能够进行空气-水和水蒸汽-水两种工作介质实验。压力容器内部构件可以方便的进行加装拆卸，以进行池式夹带机理性实验和上腔室夹带、沉积模拟等不同类型的实验。压力容器装有两处安全阀和多处液位观测报警装置，安全性能高。

附图说明

图1为本发明一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器的结构示意图。

图2为流量分配板示意图。

图3为堆芯上板与堆内构件组合示意图。

其中，1、进水口；2、流量分配板；3、堆芯上板；4、堆内构件；5、热管段；6、进气口(排污口)；7、多孔管；8、加热棒；9、可视化窗口；10、上支承板；11、吊耳；12、第一法兰；13、第二法兰；14、安全阀；15、下支承板；16、十字接管；201、多孔管接管孔；202、流量分配孔；301、流通孔。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述：

参照图1至图3，本发明一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器，包括上封头、中间筒体和下封头，上封头通过第一法兰12与中间筒体相连，下封头通过第二法兰13与中间筒体相连；所述压力容器壳体采用的材料为06Cr19Ni10，其内部采用立式布置，底部采用裙座式支撑。

中间筒体的上部内侧设置有上腔室，该上腔室为上支承板10与堆芯上板3之间的空间，堆芯上板3上均匀设置有若干个流通孔301；上腔室的侧壁设置有热管段5，与热管段5相对的上腔室侧壁设置有可视化窗口9。

下封头的内侧设置有下腔室，该下腔室为下支承板15与流量分配板2之间的空间，流量分配板2上均匀设置有若干个流量分配孔202和多孔管接管孔201；下腔室的侧壁设置有进水口1；若干个多孔管7穿过流量分配板2的多孔管接管孔201并与下支承板15相连，该多孔管7的数量为13，每个多孔管7上均匀设置有12个孔，且孔位于流量分配板2上部；下封头的底部设置有进气口6，进气孔6与多孔管7相连通。进气口同样可以起到排污的作用，当压力容器内水质较差时，可以通过拆卸十字接管16进行排污。十字接管与压力容器壁通过螺纹连接，拆卸时需要先卸载流量分配板2和下支承板15。

中间筒体上对称设置有若干组吊耳11，上封头顶部设置有安全阀14。本发明压力容器上还设有若干个热电阻传感器，用于测量进气口温度、进水口温度、上腔室温度和热管段出口处温度；差压变送器，用于测量压力容器内液位高度；压力传感器，用于测量压力容器内系统压力；若干个高低水位报警器。

上腔室还包括分别与上支承板10和堆芯上板3相连的38根堆内构件4，该堆内构件4由不锈钢管制作。当上腔室内部气体流量较大时，会对堆内构件棒束产生较大的横向冲击，在堆内构件棒束一侧焊接与棒束等直径的圆形挡板，在挡板中心处和堆芯上板中堆内构件棒束所在位置处加工螺纹，采用沉头螺丝将堆内构件棒束和堆芯上板紧固连接。堆内构件棒束上端通过压紧抵住上支承板10底面实现堆内构件的固定。通过这种方法，不仅实现了堆内构件固定，还能方便拆卸且对堆芯上板流场不产生附加影响。中间筒体的下部内侧设置有24组加热棒8，该加热棒每组3根，并通过法兰与中间筒体相连。

为了对本发明一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器进一步了解，现对其工作原理做进一步描述，以便于更清楚的理解本发明所要求保护的技术思路。

参照图1，本发明涉及的压力容器主要包含进水口1、进气口6、加热区、实验段区、出口热管段。做上腔室夹带机理实验时，水从进水口1进入到压力容器，经过流量分配板2稳定和平均流动，调节入口水流量使压力容器内液位恒定在低于热管段5的某一位置。进行空气-水实验时，调节空气压缩机转速和进气调节阀使进气量恒定在某一值。空气从进气管6进入压力容器，压力容器下第二法兰13处装有13根多孔管7，对空气进行流量分配。进行水蒸气-水实验时，调节加热棒8的功率使蒸汽流量恒定在某一值。进行实验时，首先给定进气流量，对压力容器缓慢补水，当压力容器内液位达到一定高度时夹带开始。随着夹带的进行，对应于既定的气液流量，液位增长速度逐渐减小直至恒定，此时夹带流量和进水流量平衡，记录夹带量、气液流量、液位高度等数据。小幅值增加进水流量，直至液位重新稳定。按此方式进行多次实验。逐步增加进气流量重复上述操作。夹带现象可通过可视化窗口9进行视频监测。

进行上腔室夹带沉积模拟实验时需要加装堆芯上板3和堆内构件4，通过第一法兰12将压力容器上封头吊起后安装。从堆芯上板3周围区域(附图3中的网格区域)夹带起的液滴将不会经历棒束沉积作用直接流至热管段。从堆芯上板3中心区域(附图3中的点状区域)夹带起的液滴将经历至少一层棒束的沉积作用。进行实验时，首先恒定气流量，向压力容器进行低流量注水，随着压力容器内液位不断升高，夹带开始。待压力容器内液位恒定后关闭压力容器进水阀门，随着夹带的进行，压力容器内液位不断降低，记录自进水阀门关闭起210s时刻的夹带、液位及流量数据。

本发明一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器可以进行空气-水、水蒸汽-水两种实验，利用空气-水进行夹带起始和稳态夹带率等机理性实验。利用水蒸气-水进行机理性实验的同时还可进行破口事故后上腔室夹带沉积模拟实验。实验配套设备有空气压缩机、加热组件、汽水分离器、泵及数据测量采集系统等。实验运行最高温度可达180℃，实验压力范围为0.1-1.0MPa。

实施例一：进行空气-水实验时，气源由空气压缩机提供，空气经储气罐和空气过滤器从压力容器下封头进气口6进入到压力容器内部，经出口热管段5流出到汽水分离器内，分离后的水进入到捕集水箱，捕集水箱下部装有称重传感器，用来测量水夹带流量，气出口处采用涡街流量计测量空气流量。

进水口1位于压力容器直管段下部，水从进水口1进入压力容器后经流量分配板2和堆芯上板3进入到上腔室。流量分配板2和堆芯上板3流通孔的数目分别为56、24。上腔室为上支承板10与堆芯上板3之间的空间。堆内构件4由38根不锈钢管束组成，上抵上支承板10，下抵堆芯上板3，主要研究其对夹带沉积的影响。AP1000压水堆有两个出口热管段，本实验只对一个热管段进行模拟。在两个出口热管段的夹带现象相似的假设基础上，实验模化时取原型反应堆的一半流量进行缩比，故实验设计中堆芯上板3只对出口热管段5侧开口且设置堆内构件4（如图3所示），另一半封闭。同理，堆内构件4也只在出口热管段5侧布置管束。可视化窗口9设在压力容器出口热管段5的对立侧以观测压力容器内的夹带、沉积等现象。

空气进气口6位于压力容器下封头底部，空气流入压力容器后须经过13根多孔管7进行流量分配，每根多孔管7上均匀设置有12个孔。从多孔管7流出的空气向上流经堆芯上板3，对空气流量进行重新分配。当气量足够大时，由于气泡破裂、喷溅等作用将会在近液面区域产生大量液滴或液柱，高速上升的气体在液滴或液柱上产生较大的提升力，气流携带着液滴在出口热管段5处向外折流出压力容器，部分质量较大的液滴或液柱由于惯性较大将会撞击到压力容器内壁面，并由重力作用流回压力容器水池。气液两相混合物经汽水分离器后水流入捕集水箱进行称重，空气流经涡街流量计测量流量后排至大气。

实施例二：进行水蒸气-水实验时，除了夹带机理实验还要进行上腔室夹带沉积模拟实验。进行模拟实验之前需加装堆内构件4和堆芯上板3。堆芯上板3上的流通孔301可分为两类，一类为边缘孔，从这类孔流出的气体所夹带的液滴不会经过堆内构件的沉积作用，直接流入水平热管段5；另一类孔为中心孔，从这类孔流出的气体所夹带的液滴至少要经过一层堆内构件4管束的沉积作用。加装堆内构件4后会显著减小上腔室两相混合物的流通截面积，提高气液流速，改变气液的运动轨迹，特别是飞行的液滴会撞击并贴附到堆内构件4棒束，显著减少夹带量。AP100010英寸小破口事故中从ADS-4阀门开启到安全壳内置换料水箱开始注入共需500s左右，根据实验时间常数模化结果，实验模拟时间约为210s。为模拟实验中采用加热棒8加热产生气源，加热棒8共分为24组，每组3根，采用380V交流电源供电，总加热功率为350kW。通过法兰连接方式固定在压力容器壁面。加热棒8的功率可以通过电源调节，进而实现对蒸汽流量的调节。气体流量、液面与热管段5的垂直高度是决定夹带量大小的两个关键参数，实验中通过不断改变这两个值的大小可以最终确定其与夹带量的经验关联式。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器，其特征在于，包括上封头、中间筒体和下封头，上封头通过第一法兰（12）与中间筒体相连，下封头通过第二法兰（13）与中间筒体相连；

中间筒体的上部内侧设置有上腔室；上腔室为上支承板（10）与堆芯上板（3）之间的空间，堆芯上板（3）上均匀设置有若干个流通孔（301）；上腔室的侧壁设置有热管段（5），与热管段（5）相对的上腔室侧壁设置有可视化窗口（9）；中间筒体的下部内侧设置有若干组加热棒（8）；

下封头的内侧设置有下腔室；下腔室为下支承板（15）与流量分配板（2）之间的空间，流量分配板（2）上均匀设置有若干个流量分配孔（202）和多孔管接管孔（201）；下腔室的侧壁设置有进水口（1）；若干个多孔管（7）穿过流量分配板（2）的多孔管接管孔（201）并与下支承板（15）相连；每个多孔管（7）上均匀设置有多个孔，且孔位于流量分配板（2）上部；下封头的底部设置有进气口（6），进气孔（6）与多孔管（7）相连通；

上腔室还包括分别与上支承板（10）和堆芯上板（3）相连的若干根堆内构件（4），该堆内构件（4）由不锈钢管制作；

堆内构件（4）下端焊接与堆内构件（4）等直径的圆形挡板，在挡板中心处和堆芯上板（3）中堆内构件所在位置处加工螺纹，采用沉头螺丝将堆内构件和堆芯上板紧固连接；堆内构件上端通过压紧抵住上支承板（10）底面实现堆内构件的固定。

2.根据权利要求1所述的一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器，其特征在于，中间筒体上对称设置有若干组吊耳（11），上封头顶部设置有安全阀（14）。

3.根据权利要求1所述的一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器，其特征在于，所述一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器还包括：

若干热电阻传感器，用于测量进气口温度、进水口温度、上腔室温度和热管段出口处温度；

差压变送器，用于测量压力容器内液位高度；

压力传感器，用于测量压力容器内系统压力；

若干个高低水位报警器。

4.根据权利要求1所述的一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器，其特征在于，堆芯上板（3）靠出口热管段（5）一半开流通孔（301）且设置堆内构件（4），另一半封闭。

5.根据权利要求1所述的一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器，其特征在于，所述模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器的壳体采用的材料为06Cr19Ni10，其内部采用立式布置，底部采用裙座式支撑。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器进行模拟核反应堆上腔室液滴夹带的方法，其特征在于，包括以下步骤：

由空气压缩机提供的空气经储气罐和空气过滤器从压力容器下封头进气口（6）进入到压力容器内部；由进水口（1）进入压力容器的水经流量分配板（2）和堆芯上板（3）进入到上腔室，并使液位恒定在低于热管段（5）的位置；空气流入压力容器后经过多孔管（7）进行流量分配后向上流经堆芯上板（3），对空气流量进行重新分配；由于气泡破裂、喷溅作用在近液面区域产生大量液滴或液柱，上升的气体在液滴或液柱上产生提升力，气流携带着液滴在出口热管段（5）处向外折流出压力容器；气液两相混合物经汽水分离器后水流入捕集水箱进行称重，空气流经涡街流量计测量流量后排至大气。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器进行模拟核反应堆上腔室液滴夹带的方法，其特征在于，包括以下步骤：

中间筒体内设置的加热棒（8）加热产生恒定气流量水蒸气，水蒸气上升进入到上腔室；对压力容器补水，当压力容器内液位达到一定高度时夹带开始；随着夹带的进行，对应于既定的气液流量，液位增长速度逐渐减小直至恒定，此时夹带流量和进水流量平衡，记录夹带量、气液流量、液位高度数据。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的一种模拟核反应堆上腔室液滴夹带的压力容器进行模拟核反应堆上腔室液滴夹带的方法，其特征在于，包括以下步骤：

中间筒体内设置的加热棒（8）加热产生恒定气流量水蒸气，水蒸气上升进入到上腔室；向压力容器进行注水，随着压力容器内液位不断升高，夹带开始；待压力容器内液位恒定后关闭压力容器进水阀门，随着夹带的进行，压力容器内液位不断降低，记录自进水阀门关闭起210s时刻的夹带量、液位及气流量数据。