CN104766638B - 用于压力容器下封头外部冷却的试验装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于压力容器下封头外部冷却的试验装置。该试验装置包括试验本体。所述试验本体能够相对于所述试验台架枢转，且所述试验本体包括预热段和试验段。所述试验装置还包括用于所述试验本体的至少两个不同结构的流道底板。所述试验装置能考察不同角度位置和不同流道间隙对临界热流密度的影响，能够最大限度地模拟实际工况，其整体结构简单，规模较小，大大加快了试验进度，降低了试验成本，可在核能工程，热能工程和工程热物理等领域中方便和真实模拟临界热通量，尤其是可用于验证严重事故缓解措施IVR技术的开发和设计以及其它有渐变流通通道和转角度特征的临界热通量测量和评估方面。

Description

用于压力容器下封头外部冷却的试验装置

技术领域

本发明涉及一种用于压力容器下封头外部冷却的试验装置，更具体地，涉及一种用于压力容器下封头外部冷却的具有变流道转角度可测临界热通量的试验装置。

背景技术

在核能工程、热能工程和工程热物理等领域中，尤其在核电站设计中，核安全是需要考虑的首要问题。严重事故的预防和缓解技术是核电站设计重要因素。在发生堆芯熔化的严重事故后，通过压力容器下封头外部冷却（ERVC）将堆芯熔融物滞留在反应堆压力容器内（IVR）是一种重要的核电站严重事故缓解措施。其原理是，利用压缩空气膨胀、重力以及自然循环等自然驱动力，将注入到压力容器外壁和其保温层之间的冷却工质形成自然循环流动，进而带走压力容器下封头堆芯熔融物的衰变热。当压力容器下封头堆芯熔融物的热流密度小于压力容器外壁面对应位置的临界热流密度（CHF）时，就可保证压力容器得到充分冷却，达到保证压力容器完整性的目的。

合适的ERVC方案设计，能够确保压力容器外壁面得到足够的冷却，以保证容器内熔融物热负荷以合理可靠的方式排出，防止压力容器发生热熔穿。因此，压力容器外壁面的临界热通量CHF决定了ERVC的冷却能力限值，同时也决定了IVR的有效性，是IVR成功的关键之一。

但是，实际获得严重事故时压力容器外壁面的CHF是不可能的，因此必须引入模拟试验。为了设计合适的ERVC方案或验证IVR措施的有效性，很多研究者不得不为此搭建试验台架，以试图模拟严重事故时压力容器外壁面的真实冷却工况，并测量或评估压力容器外壁面不同角度位置处的表面临界热通量CHF，以试图获得严重事故时压力容器外壁面的真实表面临界热通量CHF数据。目前，为了研究IVR措施的最大冷却极限，国际上主要有两种典型代表的试验台架，一种是全尺寸切片如ULPU系列试验台架，一种是三维缩比试验台架如SBLB。

如图1，ULPU系列的试验台架具有的主要特点是台架I只限模拟0度至30度极角范围的浸没池沸腾，改进台架II可以模拟0至90度极角范围的浸没池沸腾，为了实现流动沸腾强化换热，通过增加挡板变为台架III可以模拟0至90度极角范围的自然循环流动沸腾，改进台架IV可以模拟0至90度极角范围下改变流道结构的自然循环流动沸腾，这样，只有通过ULPU整个系列试验台架的不断改进才能完整模拟压力容器外部全角度范围下带有变流道自然循环流动沸腾换热整个实验。然而，该试验台架整体规模较大，拆装不便，不够灵活，而且难以针对各种因素进行大量工况的试验研究。另外，试验成本造价较高，试验加工周期较长，非常不利于试验进度的推进。

如图2，SBLB台架的特点是根据比例分析理论，对原型压力容器尺寸进行三维缩比设计，进而模拟压力容器外部和保温层之间形成的流道内的沸腾换热极限，关于试验结果是否可以真实反映实际反应堆压力容器外部冷却极限还是存在很大争议，并且三维试验台架功率高、难度大、生产周期较长、运行成本费用较高、设备数量较多。

因此，需要一种试验装置，其能够较精确地模拟压力容器外部和保温层之间形成的流道内的真实自然循环流动沸腾换热，同时能够方便地改变流道结构，而且还确保了试验装置、试验成本等都较低，并提高了试验的灵活性。

发明内容

针对以上技术缺陷，本发明的目的在于提供一种用于压力容器下封头外部冷却的具有变流道转角度可测临界热通量的试验装置，能够真实模拟实际反应堆严重事故堆芯熔融物压力容器外部下封头底部中心到半径高度处，不同角度位置与真实流道间隙尺寸的压力容器外壁面换热和临界热通量测量，能够最大限度地模拟实际工况，而且方便针对各种影响临界热通量的因素开展试验研究，其试验装置整体结构简单，试验规模较小，具有灵活性高，试验进度快，试验成本低的优点。

为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

本发明为用于压力容器下封头外部冷却的具有变流道转角度特征的试验装置，包括：由预热段和试验段组成的试验本体、上水箱、预热水箱和循环泵。其试验装置特征一在于所述试验本体具有转角度功能，通过枢转可实现测量不同角度位置处压力容器外部冷却换热特性和临界热流密度；其特征二在于所述试验本体具有变流道功能，通过对流道底板进行特殊的流线型设计，一方面对应不同角度位置可拆装不同形状的流道底板能够实现流道间隙尺寸可变功能，最大程度地模拟压力容器下封头外壁面和保温层之间的真实流道形状，另一方面对应同一角度位置变换不同形状流道结构，可以考察流道形状对发生临界热通量的影响；其特征三在于所述试验本体由预热段和试验段共同组成，为了实现实际工况含气率的模拟，通过对预热段的功率进行控制来实现。

发明效果

根据本发明，能够提供用于压力容器下封头外部冷却的具有变流道转角度特征的试验装置，最大限度地保证了试验条件和试验工况与原型堆相同，可以获取更接近于原型堆实际情况下压力容器外壁和其保温层之间形成的流道内的流动和换热试验数据，与其它试验台架相比，大大降低了试验设备数目，节约了试验成本，提高了试验效率，加快了试验进度，可以灵活实现和包络整个压力容器下封头外壁面不同角度位置处临界热通量的评估和测量，可以研究不同流道结构对发生临界热通量的影响，可以为熔融物堆内滞留IVR技术的开发和设计提供可行性验证试验数据，也可以应用于其它带有变流道和转角度特征的临界热通量测量领域。

本申请还提供了如下方案：

方案1. 一种用于模拟压力容器下封头外部冷却的试验本体，其特征在于，所述试验本体包括预热段和试验段。

方案2. 如方案1所述的试验本体，其特征在于，所述试验段构造成为所述压力容器下封头的切片，其对应的圆心角小于90度。

方案3. 如方案1所述的试验本体，其特征在于，所述试验段包括试验段加热块、流道侧壁板和流道底板，从而形成供冷却工质流过的流道，其中流道底板被可拆卸地连接。

方案4. 如方案2所述的试验本体，其特征在于，所述圆心角为30度。

方案5. 如方案3所述的试验本体，其特征在于，所述预热段包括预热段加热块，所述流道底板还可拆卸地连接到所述预热段加热块。

方案6. 如方案3所述的试验本体，其特征在于，所述流道底板具有流线型、等宽、渐变或凸起结构。

方案7. 一种用于模拟压力容器下封头外部冷却的可转角度的试验装置，所述试验装置包括冷却水箱、预热水箱、循环水泵、试验台架和试验本体，其特征在于，所述试验本体能够相对于所述试验台架枢转，所述试验本体包括预热段和试验段，所述试验段构造成为所述压力容器下封头的切片，其对应的圆心角小于90度。

方案8. 如方案7所述的试验装置，其特征在于，还包括角度固定装置，其用于将所述试验本体相对于所述试验台架固定到期望角度。

方案9. 如方案7所述的试验装置，其特征在于，所述试验段包括试验段加热块、流道侧壁板和流道底板，从而形成供冷却工质流过的流道，其中所述流道底板被可拆卸地连接。

方案10. 如方案9所述的试验装置，其特征在于，所述预热段包括预热段加热块，所述流道底板还可拆卸地连接到所述预热段加热块。

方案11. 如方案7所述的试验装置，其特征在于，所述圆心角为30度。

方案12. 如方案8所述的试验装置，其特征在于，所述角度固定装置包括长螺栓、螺母和支撑所述试验本体的框架结构中的定位孔。

方案13. 如方案9所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括至少两个流道底板，所述至少两个流道底板具有选自流线型、等宽、渐变和凸起结构中的不同的结构。

方案14. 一种用于模拟压力容器下封头外部冷却的试验装置的操作方法，所述试验装置包括冷却水箱、预热水箱、循环水泵、试验台架和试验本体，所述试验本体能够相对于所述试验台架枢转，所述试验本体包括预热段和试验段，其中所述试验装置还包括用于所述试验本体的至少两个不同结构的流道底板；所述操作方法包括：

（a）通过所述预热水箱将来自所述冷却水箱的冷却工质加热至设定温度；

（b）通过所述循环水泵使所述冷却工质强迫流入所述试验本体的入水口；

（c）在所述预热段内将所述进入试验本体的冷却工质调节为达到所需空泡率份额的气液两相流；

（d）使所述冷却工质从预热段流到所述试验段；以及

（e）将所述冷却工质从所述试验段引导回所述冷却水箱。

方案15. 如方案14所述的操作方法，还包括：

（f）重复步骤（a）～（e），直到所述试验段的测试温度出现飞升；

（g）测量、采集试验数据，同时启动高速摄像机对气泡动力行为进行拍摄；以及

（h）阶梯状逐步降低所述试验本体的电源功率直至关闭电源。

方案16. 如方案15所述的操作方法，还包括：

（i）将所述试验本体转动到不同的角度；和/或

（j）更换所述试验本体的流道底板。

附图说明

结合在附图中示出的示例参考下面的详细描述，可获得对本文描述的各种方法、设备、组件、系统、布置等以及其等同方式的更完整的理解，在附图中：

图1是现有的ULPU系列试验台架；

图2是现有的SBLB试验台架；

图3是根据本发明的试验装置主回路系统示意图；

图4是根据本发明一个实施例的试验本体结构示意图；

图5是测量60度~90度CHF时试验段的位置示意图；

图6是测量30度~60度CHF时试验段的位置示意图；

图7是测量0度~30度CHF时试验段的位置示意图；

图8是试验段流道底板结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

首先参照图3，其总体示出了根据本发明一个实施例的试验装置的主回路系统。该主回路系统主要包括：由预热段1和试验段2组成的试验本体3、充满冷却水工质的上水箱（又叫冷却水箱）4、预热水箱5和循环水泵6。

参照图4，其示出了根据本发明一个实施例的试验本体3。如前所述，试验本体3包括预热段1和试验段2。如图4所示，预热段1包括预热段加热块9，试验段2包括试验段加热块12。试验本体3的试验段2和预热段1固定在一个框架结构14中，该框架结构由两部分组成，上部的弧形框架用于固定试验段加热块12，下部的方形框架用于固定预热段加热块9。两个框架部分之间通过螺栓连接起来。试验段2和预热段1在一个框架结构中进行固定和密封。其中试验段2和预热段1的加热块12、9的加热壁面、流道侧壁板11、8和流道底板围成流动通道。其中，流道底板被可拆卸地连接。

接着，参照图5、6、7，它们分别示出了试验段枢转在三个不同角度区域内CHF的测量位置图。具体来说，图5示出了测量60度~90度位置的CHF时的布置。图6示出了测量30度~60度位置的CHF时的布置。图7示出了测量0度~30度位置的CHF时的布置。在这三个不同的角度区域进行测量时，试验操作基本上相同。因此，下面以在60度~90度位置的测量为例，说明具体的操作过程。在其它两个角度区域的测量与之类似。当然，本领域技术人员能够意识到，根据具体需要，还可以在不同数量的角度区域内进行测量。

现在参照图5，并同时参照图3和4，框架结构14与试验台架16可枢转地连接。为将试验本体3布置在60度~90度位置，先用桁车将框架结构14吊转到对应角度区域，然后将试验台架16上的长螺钉穿过框架结构14的转动杆15上对应的定位孔，从而定位试验段所处的角度，并用螺母固定转动杆在长螺钉上的位置，防止水平晃动。当然，本领域技术人员应该意识到，其它的角度固定装置也是可行的。最后将框架结构14上的吊耳用螺栓固定在试验台架16上，防止试验过程中的流致振动。

在试验操作过程中，首先通过预热水箱5对主回路冷却工质加热至设定温度，再经由循环水泵6的驱动使冷却工质强迫流动经由软管连接进入试验本体3的入水口7。在预热段1内通过对预热段加热块9的加热功率进行调节达到所需空泡率份额的气液两相流，这主要为了实现实际工况含气率的模拟。由预热段1加热的冷却工质流动进入试验段2。试验过程中的临界热通量CHF测试过程将在试验段加热块12中进行。在试验过程中为了观察CHF现象的发生可通过在流道的侧壁8，11开设有观察窗10进行观测。循环冷却工质在试验段2被加热后经由软管连接流出试验段出水口13，然后进入上水箱4冷却，试验段热负荷被循环冷却水带走后进入预热水箱5，从而完成一次循环，直到该角度位置处发现试验段测试温度出现飞升，这标志CHF现象出现，因而需要测量采集试验数据，同时启动高速摄像机对气泡动力行为进行拍摄，然后阶梯状逐步降低电源功率直至关闭电源。如此，本次试验工况条件下的CHF测试已结束，随后开始为下一次试验工况及试验本体的下一个枢转角度位置作准备。

优选地，在测量相同或不同角度位置处的CHF时，可通过上述可拆卸地连接更换不同结构的流道底板，从而改变流道间隙，进而可有针对性地对相同或不同角度位置的压力容器下封头用不同构造的流道进行试验，从而可考察不同流道间隙对发生CHF的影响或者同时考察不同角度和不同流道间隙对发生CHF的影响。这种流道的变换操作相对于现有技术来说更加简捷、灵活、低成本。当然，本领域技术人员应该意识到，在测量不同角度位置处的CHF时，流道底板可不更换，从而只对其中一种流道形状在不同枢转角度位置下对临界热流密度进行测量和评估，从而考察角度对CHF的影响。

图8示出了流道底板17，本领域技术人员应该理解，根据具体需要，流道底板可加工成流线型、等宽、渐变或凸起等不同形状结构。

需要说明的是，当测量0度~30度角度位置的CHF时，预热段1可拆除或者不拆除但不加热仅作为冷却水流动通道，这是由于试验段2本身对应的是圆心角为30度的一维切片形式，在0度~30度区域试验段2入口条件与实际工况相同，因此试验段2前端预热段不需要进行电功率加热维持入口条件的含气率条件，仅作为管道连接或者可拆除。

尽管已经在附图中图示了并在前面的具体描述部分中描述了方法、设备、系统、布置等的一些示例，但是应该理解的是，所公开的示例性实施例不是限定性的，而是能够进行数种重新布置、改进和替换。

Claims (15)

1.一种用于模拟压力容器下封头外部冷却的试验本体，其特征在于，所述试验本体包括预热段和试验段，所述试验段构造成为所述压力容器下封头的切片，其对应的圆心角小于90度，所述试验段包括被可拆卸地连接的流道底板。

2.如权利要求1所述的试验本体，其特征在于，所述试验段还包括试验段加热块和流道侧壁板，它们和流道底板一起形成供冷却工质流过的流道。

3.如权利要求1所述的试验本体，其特征在于，所述圆心角为30度。

4.如权利要求2所述的试验本体，其特征在于，所述预热段包括预热段加热块，所述流道底板还可拆卸地连接到所述预热段加热块。

5.如权利要求2所述的试验本体，其特征在于，所述流道底板具有流线型、等宽、渐变或凸起结构。

6.一种用于模拟压力容器下封头外部冷却的可转角度的试验装置，所述试验装置包括冷却水箱、预热水箱、循环水泵、试验台架和试验本体，其特征在于，所述试验本体能够相对于所述试验台架枢转，所述试验本体包括预热段和试验段，所述试验段构造成为所述压力容器下封头的切片，其对应的圆心角小于90度，所述试验段包括被可拆卸地连接的流道底板。

7.如权利要求6所述的试验装置，其特征在于，还包括角度固定装置，其用于将所述试验本体相对于所述试验台架固定到期望角度。

8.如权利要求6所述的试验装置，其特征在于，所述试验段还包括试验段加热块和流道侧壁板，它们和流道底板一起形成供冷却工质流过的流道。

9.如权利要求8所述的试验装置，其特征在于，所述预热段包括预热段加热块，所述流道底板还可拆卸地连接到所述预热段加热块。

10.如权利要求6所述的试验装置，其特征在于，所述圆心角为30度。

11.如权利要求7所述的试验装置，其特征在于，所述角度固定装置包括长螺栓、螺母和支撑所述试验本体的框架结构中的定位孔。

12.如权利要求8所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括至少两个流道底板，所述至少两个流道底板具有选自流线型、等宽、渐变和凸起结构中的不同的结构。

13.一种用于模拟压力容器下封头外部冷却的试验装置的操作方法，所述试验装置包括冷却水箱、预热水箱、循环水泵、试验台架和试验本体，所述试验本体能够相对于所述试验台架枢转，所述试验本体包括预热段和试验段，其中所述试验装置还包括用于所述试验本体的至少两个不同结构的流道底板；所述操作方法包括：

（a）通过所述预热水箱将来自所述冷却水箱的冷却工质加热至设定温度；

（b）通过所述循环水泵使所述冷却工质强迫流入所述试验本体的入水口；

（c）在所述预热段内将所述进入试验本体的冷却工质调节为达到所需空泡率份额的气液两相流；

（d）使所述冷却工质从预热段流到所述试验段；以及

（e）将所述冷却工质从所述试验段引导回所述冷却水箱。

14.如权利要求13所述的操作方法，还包括：

（f）重复步骤（a）～（e），直到所述试验段的测试温度出现飞升；

（g）测量、采集试验数据，同时启动高速摄像机对气泡动力行为进行拍摄；以及

（h）阶梯状逐步降低所述试验本体的电源功率直至关闭电源。

15.如权利要求14所述的操作方法，还包括：

（i）将所述试验本体转动到不同的角度；和/或

（j）更换所述试验本体的流道底板。