CN105806881A - 一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，该实验装置是基于ACP1000反应堆压力容器下封头1:1比例的1/4圆二维切片结构，包括熔融池下封头、外部冷却通道和上部盖板三部分；外部冷却通道焊接在熔融池下封头圆弧壁面的外侧，通过冷却水提供外部强迫冷却；上部盖板固定在熔融池下封头的上部，提供绝热或者冷却的边界条件；通过布置在熔融池内部和圆弧壁面上的热电偶，可以获得熔融池内的温度场分布和壁面热流密度分布情况，通过布置在熔融池圆弧壁面内侧的多点热电偶，可以获得熔融池内的硬壳分布特性，本发明为核电厂反应堆严重事故安全性研究提供重要依据。
Description
技术领域
本发明涉及核电厂严重事故下封头熔融池换热特性研究技术领域，具体涉及一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置。
背景技术
当核电厂压水堆发生严重事故时，堆芯如果不能得到有效冷却，会快速升温导致大量燃料组件和结构材料发生熔化并迁移至压力容器底部，进入到下封头内的高温熔融物逐渐积累形成碎片床或熔融池下封头，不断向下封头壁面传递衰变热，当衰变热不能充分导出时，熔融池会将下封头壁面加热到很高的温度，严重威胁压力容器的完整性。反应堆压力容器下封头内熔融池的流动换热特性对下封头壁面热负荷分布以及外部冷却能力有着重要的影响。熔融物堆内持留技术是缓解堆芯熔化事故后果的一项关键措施，运用不同的管理策略，可将熔融物滞留在压力容器下封头内，避免后续事故的发生和大量放射性物质释放到外界环境中，从而可以有效终止反应堆严重事故。
关于熔融池换热特性，国内外已经开展了一些实验研究。由于不同的研究侧重点和实验条件的限制，各实验采用不同比例的实验装置、不同的熔融物模拟物、不同的加热方式以及不同的边界条件，因此也具有不同的瑞利数范围和实验结果。瑞利数作为对流换热问题的关键参数，对熔融池内的对流换热特性具有重要的影响。对比不同实验得到的熔融池换热关系式可以发现，在瑞利数相对较小的范围内不同实验获得的熔融池换热特性参数差别较小。但是在高瑞利数范围内，实验结果的差别开始增大，特别是在反应堆量级下(1016～1017)，不确定性更大。
例如，中国专利申请号CN201310550382，公开了一种高瑞利数耦合传热特性测量和评估装置，包括实验本体和辅助系统，其特征在于：所述实验本体为圆筒状容器，用于模拟的是堆芯熔融物落入下封头后期可能出现的上部轻金属层。该发明并不能满足下封头内熔融池主体高瑞利自然对流的换热特性实验要求。
例如，文献(BonnetJM,SeilerJM.Thermalhydraulicphenomenaincoriumpools:theBALIexperiment[C].7thInternationalConferenceonNuclearEngineering,Tokyo,Japan,1999)公开了一种熔融池的换热实验装置，实验装置主体是二维切片结构，采用水作为熔融物模拟物，用低温有机液体进行侧边冷却，在圆弧面内侧凝固形成了硬壳。但是该发明在圆弧面内侧没有布置温度测点，不能反映熔融物硬壳形成特性，而且水不能反映真实熔融物非共晶特点的凝固特性。
又例如，文献(Gaus-LiuX,MiassoedovA,CronT,etal.In-vesselmeltpoolcoolibilitytest-DescriptionandresultsofLIVEexperiments[J].NuclearEngineeringandDesign,2010,240(11):3898-3903)公开了一种熔融池的换热实验装置，实验装置主体是1:5比例的三维半球，采用非共晶熔盐混合物作为熔融物模拟物。但是由于实验段体积局限，加热丝和温度测点的布置受到限制，不能直观的获得熔融池的温度场，而且瑞利数相比于反应堆量级依然偏小，此外上部盖板为绝热设计，不能进行上部冷却边界条件对比研究。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，能够模拟高瑞利数熔融池在多种工况下的换热特性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，所述实验装置是基于ACP1000反应堆压力容器下封头1:1比例的1/4圆二维切片结构，包括用于模拟反应堆压力容器下封头结构的熔融池下封头1、圆弧面冷却通道2、冷却水入口接头3、冷却水出口接头4、上部盖板5、氮气进口6以及相应的电加热组件7和测温组件8；所述熔融池下封头1由左侧壁面101、前侧壁面102、后侧壁面103和圆弧壁面104焊接而成，在前侧壁面102下部开设排液孔105；圆弧面冷却通道2焊接在圆弧壁面104外侧，用于提供近似均匀温度的圆弧面冷却边界条件，冷却水入口接头3和冷却水出口接头4分别位于圆弧面冷却通道2的底部和顶部；上部盖板5固定在熔融池下封头1的上部，提供熔融池上部冷却或者绝热的边界条件；所述电加热组件7设置在熔融池下封头1内实现近似均匀的内热源来模拟反应堆衰变热。
所述电加热组件7由20根电加热棒组成，分布在10层，每层平行2根，每层单独控制加热功率；测温组件8由位于熔融池下封头1内的熔融池测温K型铠装热电偶801、位于圆弧壁面104里的圆弧壁面测温T型铠装热电偶802、位于熔融池里圆弧壁面104内侧的硬壳测温K型铠装多点热电偶803和位于圆弧面冷却通道2进出口处的冷却水测温T型铠装热电偶804组成。
所述电加热组件7从左侧壁面101开孔平行插入，并通过焊接在左侧壁面101上的卡套接头701和焊接在熔融池下封头1内的套环702进行固定。
所述测温组件8中的熔融池测温K型铠装热电偶801通过在后侧壁面103打孔伸入到熔融池下封头1内，并通过焊接在后侧壁面103外的底座螺纹进行固定；熔融池测温K型铠装热电偶801能够获得熔融池的温度场分布。
在所述圆弧壁面104的12个径向角度处的近内外壁面位置处，采用电火花打约1mm的孔，所述测温组件8中的圆弧壁面测温T型铠装热电偶802插入孔内并用高温导热胶固定；在圆弧壁面104的前后两侧相同径向角度处都设置有测点，相互校核计算获得圆弧壁面104上的局部热流密度分布。
所述测温组件8中的硬壳测温K型铠装多点热电偶803布置在6个径向角度处，每组硬壳测温K型铠装多点热电偶803距离圆弧壁面104的近壁面不同位置处布置了7个温度测量点，用于测量熔融物硬壳动态特性；硬壳测温K型铠装多点热电偶803穿过圆弧面冷却通道2和圆弧壁面104的开孔，深入到熔融池内近圆弧壁面104处测量硬壳温度，热电偶套管在与圆弧面冷却通道2和圆弧壁面104接触位置处进行焊接密封固定。
所述测温组件8中的冷却水测温T型铠装热电偶804位于圆弧面冷却通道2进出口位置，测量冷却水温度变化，进行热平衡计算。
所述熔融池下封头1内采用摩尔比例20％NaNO3-80％KNO3非共晶二元混合物作为真实反应堆熔融物的替代材料。
所述熔融池下封头1内半径为2200mm，宽度为200mm，圆弧壁面厚度为30mm。
所述熔融池下封头1的上部开口处设计一圈10mm宽度的凹槽106，凹槽尺寸与上部盖板5尺寸相当，用以固定上部盖板5。
所述上部盖板5两端开设冷却水的入口接头501和出口接头502，以及熔融物边缘进口503和中部进口504，实现熔融池上部绝热条件和冷却条件以及熔融物不同注入位置的情况，冷却水的入口接头501和出口接头502与圆弧面的冷却水流向近似为逆流，有助均匀壁温的实现。
所述氮气进口6位于熔融池下封头1的左侧壁面101上部，在使用熔盐作熔融物时需要补充氮气进行高温防氧化保护。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明的实验装置，是针对反应堆严重事故条件下压力容器下封头内熔融池换热特性的特点而发明的实验装置，1:1的半径比例能够实现反应堆量级的高瑞利数条件(1016～1017)，实验结果能较大限度的应用于工程实际中。
2、本发明的实验装置采用电加热棒模拟反应堆熔融池内的衰变热，电加热棒分层独立控制，依据相应加热区域的体积提供不同的加热功率，能够最大限度地实现均匀的内热源，同时对熔融池自然对流的流场产生最小的干扰。
3、本发明的实验装置采用非共晶二元混合物(摩尔比例20％NaNO3-80％KNO3)作为真实反应堆熔融物的替代材料，尽可能与真实反应堆中熔融物的原型材料行为相近。通过布置在圆弧面内侧的多点热电偶的温度信息，可以间接获得实验中熔融物硬壳形成的动态过程。
4、本发明实验装置可以开展多种工况的换热实验，研究不同事故条件对换热特性的影响，具体包括熔融池高度、内热源功率密度、熔融物初始注入位置、上部冷却或绝热边界条件等。也可以更换熔融物模拟物材料为水，进行对比实验，研究熔融物硬壳形成对换热特性的影响。
5、本发明实验装置可以直接利用所有的温度测点，直观反映出熔融池的二维温度场和圆弧壁面的热流密度分布情况，可以计算熔融池向圆弧面的传热量，从而拟合相应换热关系式，较大限度的应用于工程实际中。
附图说明
图1为本发明一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置的整体结构示意图；
图2a为本发明实验装置中熔融池下封头的正视图；
图2b为本发明实验装置中熔融池下封头的俯视图；
图3为本发明实验装置中上部盖板的正视图；
图4a为本发明实验装置中电加热棒装配的正视图；
图4b为本发明实验装置中电加热棒装配的左视图；
图4c为本发明实验装置中电加热棒带套环的局部放大图；
图5a为本发明实验装置中所有热电偶的位置示意图；
图5b为本发明实验装置中圆弧壁面测温热电偶的局部放大图；
图5c为本发明实验装置中硬壳测温多点热电偶的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：
如图1所示，本发明是一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，是基于ACP1000反应堆压力容器下封头1:1比例的1/4圆二维切片结构，包括熔融池下封头1、外部圆弧面冷却通道2及冷却水入口接头3和冷却水出口接头4、上部盖板5、氮气进口6，以及相应的电加热组件7和测温组件8。
如图2a和2b所示，作为本发明的优选实施方式，所述熔融池下封头1用于模拟反应堆压力容器下封头结构，包括左侧壁面101、前侧壁面102、后侧壁面103、和圆弧壁面104。熔融池下封头1全部由304不锈钢焊接而成，内半径2200mm，内宽度200mm，前后侧壁和左侧垂直壁面厚度均为25mm，圆弧侧壁厚度为30mm。实验段内盖板以下的空间体积约为0.76m3。在熔融池下封头1的上部内侧设计一圈10mm宽的凹槽106用以放置固定上部盖板5。另外在前侧壁面102下部设置直径40mm的排液孔105，实验结束后打开排液孔105外侧连接的高温阀，排出实验段内的液体。由于熔融物可能会在排液孔周围发生凝固堵塞管道，需要在排液孔105外接管道处缠绕加热丝，排出熔融物前进行预热。
如图1所示，所述圆弧面冷却通道2焊接在圆弧壁面104外侧，用于提供近似均匀温度的圆弧面冷却边界条件，冷却水入口接头3和出口接头4分别位于冷却通道的底部和顶部，作为本发明的优选实施方式，冷却水入口接头3和冷却水出口接头4接头直径50mm。圆弧面冷却通道2的前后侧壁和圆弧管壁厚度均为10mm，下封头外壁面与冷却水通道内壁面距离100mm，流通横截面积0.023m2，冷却传热面积0.817m2，整个流道的体积为0.082m3。
如图3所示，作为本发明的优选实施方式，在所述上部盖板5的两端位置开设了冷却水的入口接头501和出口接头502，与圆弧面的冷却近似为逆流，有助均匀壁温的实现，接头直径50mm。进行绝热实验时，上部盖板不通水，进行冷却对比实验时，再打开阀门通水冷却。盖板上还设有两处熔融物的注入口的开孔，可用于比较不同事故条件下堆芯熔融物从下部支撑板近边缘位置(对应于边缘进口503)或者中心位置(对应于中部进口504)注入到压力容器下封头内的情况。近边缘的注入口的垂直位置对应于实验段径向角度65°处，这与三哩岛事故时的熔融物注入位置相当。上部盖板5高度70mm，上下钢板厚度各10mm，侧边厚度5mm，盖板内流通面积0.01m2，流道体积0.023m3。熔融物进口接头直径40mm，管道穿过盖板，并在上下面的连接处焊接密封，不与上部冷却水直接接触。
堆芯熔融物主要是UO2和ZrO2等材料的多元混合物，而且是非共晶混合物，具有固相线温度和液相线温度不重合的特点，即液相线温度比固相线温度高。熔融物替代材料的选取要在重要的物理特性、热力学行为和水力学行为特性上，应尽可能与真实反应堆中熔融物的原型材料相近。此实验装置选用摩尔比例20％NaNO3-80％KNO3的二元非共晶混合物作为真实反应堆中熔融物的替代材料，与UO2和ZrO2为主的堆芯熔融物具有相似的共晶相图和凝固特性，熔盐使用范围是224℃(固相线温度)～284℃(液相线温度)～380℃(化学分解温度上限)。实验过程中的熔融物温度约为300℃，因此需要在左侧壁面101上端开通一个直径20mm的氮气进口6，防止高温熔融物在长期的加热过程中氧化导致成分物性发生变化。
对应于全堆芯熔化落入下封头的情况，熔融物在切片中所能达到的位置对应于径向角度82°处，熔融池高度为1900mm。当熔融物注入实验段后，为了模拟熔融物释放的衰变热，电加热棒的布置方式就应该尽量满足均匀释热率的要求。所述电加热组件7由20根电加热棒组成，分布在10层，将熔融池近似等分为10个区域，每层平行布置2根加热棒，每层加热棒都单独控制，依据相应加热区域的体积提供不同的加热功率，从而实现近似均匀的内热源模拟反应堆衰变热。为了不影响壁面的温度分布，在近壁面约5cm处设置为非加热段，使用中部的加热段对熔融池进行加热。加热棒直径都是16mm，两层加热棒之间均相距190mm。如图4a、4b和4c所示，作为本发明的优选实施方式，需要预先在左侧壁面101上开孔并焊接卡套接头701，在实验段内部也焊接比棒径略大的套环702，将所有加热棒从左侧开孔插入，利用卡套接头的内螺纹固定密封，同时加热棒也穿过熔融池内部的套环进一步固定并保持水平。实验段外侧还需要缠绕加热丝，在实验过程中进行热补偿，弥补实验段在外表面处的散热量。
如图5a所示，作为本发明的优选实施方式，熔融池的温度场可以通过布置在熔融池中的79个熔融池测温K型铠装热电偶801获得，热电偶直径3mm。在相邻两层加热棒中间位置处根据该区域的长度布置若干测点，测量点从距离左侧内壁面50mm处开始，左右相邻测点相隔200mm，上下相邻两层相隔190mm，大体形成200×190mm的热电偶阵列。最上部液面位置处，左右相隔40cm布置5个热电偶测量液面温度。所述熔融池测温K型铠装热电偶801的安装需要预先在后侧壁面103打孔并焊接底座，热电偶插入到熔融池内，并通过底座的内螺纹和加装的铜垫片进行密封固定。
如图5a所示，作为本发明的优选实施方式，圆弧壁面104温度的测量通过布置在圆弧壁面104的圆弧壁面测温T型铠装热电偶802获得，热电偶直径1mm。12组热电偶安装位置对应的径向角度分别为1°、12°、29°、38°、45°、52°、58°、64°、69°、75°、80°和86°。如图5b所示，在圆弧壁面104的距离近内壁面和外壁面各3mm的位置处采用电火花方式打孔(孔径略大于1mm)，将热电偶插入孔内并用高温导热胶固定，分别为内壁温测量热电偶802-1和外壁温热量热电偶802-2。在圆弧壁面104的前后两侧的相同径向角度处都设置有温度测量点，这样12组T型铠装热电偶802共48个测量点，用以进行重复性测量减小误差。可以通过测得的内外壁面温度和相应测点间的距离，计算获得熔融池向圆弧壁面104传热的局部热流密度分布，其中中间10组热电偶处于该加热区域对应的圆弧壁面的中间位置，计算得到的热流密度值可以代表该加热区域处的平均热流量，其余两组用来得到熔融池垂直向下和上表面辐射对壁面的热流量。
如图5a所示，作为本发明的优选实施方式，实验过程中在圆弧壁面104内侧所形成的硬壳的一些特性，包括硬壳厚度、硬壳增长速度、硬壳热导率、相界面温度等，可以利用硬壳测温K型铠装多点热电偶803测量得到的连续温度点来间接获得。6组热电偶安装位置对应的径向角度分别为10°、20°、30°、40°、50°和60°。如图5c所示，每组热电偶包含7个测点803-3，相邻测点间相距5～10mm，测点束总直径为8mm。由于相界面存在明显温差，可以依据各测点温度的阶跃变化，获得某一时刻硬壳前沿所到达的高度和相界面温度，以及硬壳内部不同高度处的温度。依据不同时刻、不同测点得到的温度以及测点间的距离，可以获得硬壳厚度增长速率和热导率。如图5a所示，所述硬壳测温K型铠装多点热电偶803穿过圆弧面冷却通道2和圆弧壁面104的开孔，将7个测点803-3插入到熔融池内近壁面位置处，热电偶套管803-2与圆弧面冷却通道2和圆弧壁面104接触位置处需要焊接密封固定，热电偶接线盒803-1留在实验段外。
如图5a所示，作为本发明的优选实施方式，所述冷却水测温T型铠装热电偶804测点布置在圆弧面冷却通道2的进出口位置，测量冷却水温度变化，与圆弧面传热量比较进行热平衡计算。与熔融池测温K型铠装热电偶801的安装方法类似，需要预先在圆弧面冷却通道2外侧打孔并焊接底座，热电偶插入到冷却通道内，并通过底座的内螺纹和加装的铜垫片进行密封固定。
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中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。
Claims (12)
1.一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述实验装置是基于ACP1000反应堆压力容器下封头1:1比例的1/4圆二维切片结构，包括用于模拟反应堆压力容器下封头结构的熔融池下封头(1)、圆弧面冷却通道(2)、冷却水入口接头(3)、冷却水出口接头(4)、上部盖板(5)、氮气进口(6)以及相应的电加热组件(7)和测温组件(8)；所述熔融池下封头(1)由左侧壁面(101)、前侧壁面(102)、后侧壁面(103)和圆弧壁面(104)焊接而成，在前侧壁面(102)下部开设排液孔(105)；圆弧面冷却通道(2)焊接在圆弧壁面(104)外侧，用于提供近似均匀温度的圆弧面冷却边界条件，冷却水入口接头(3)和冷却水出口接头(4)分别位于圆弧面冷却通道(2)的底部和顶部；上部盖板(5)固定在熔融池下封头(1)的上部，提供熔融池上部冷却或者绝热的边界条件；所述电加热组件(7)设置在熔融池下封头(1)内实现近似均匀的内热源来模拟反应堆衰变热。
2.根据权利要求1所述的一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述电加热组件(7)由20根电加热棒组成，分布在10层，每层平行2根，每层单独控制加热功率；测温组件(8)由位于熔融池下封头(1)内的熔融池测温K型铠装热电偶(801)、位于圆弧壁面(104)里的圆弧壁面测温T型铠装热电偶(802)、位于熔融池里圆弧壁面(104)内侧的硬壳测温K型铠装多点热电偶(803)和位于圆弧面冷却通道(2)进出口处的冷却水测温T型铠装热电偶(804)组成。
3.根据权利要求2所述的一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述电加热组件(7)从左侧壁面(101)开孔平行插入，并通过焊接在左侧壁面(101)上的卡套接头(701)和焊接在熔融池下封头(1)内的套环(702)进行固定。
4.根据权利要求2所述的一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述测温组件(8)中的熔融池测温K型铠装热电偶(801)通过在后侧壁面(103)打孔伸入到熔融池下封头(1)内，并通过焊接在后侧壁面(103)外的底座螺纹进行固定；熔融池测温K型铠装热电偶(801)能够获得熔融池的温度场分布。
5.根据权利要求2所述的一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：在所述圆弧壁面(104)的12个径向角度处的近内外壁面位置处，采用电火花打约1mm的孔，所述测温组件(8)中的圆弧壁面测温T型铠装热电偶(802)插入孔内并用高温导热胶固定；在圆弧壁面(104)的前后两侧相同径向角度处都设置有测点，相互校核计算获得圆弧壁面(104)上的局部热流密度分布。
6.根据权利要求2所述的一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述测温组件(8)中的硬壳测温K型铠装多点热电偶(803)布置在6个径向角度处，每组硬壳测温K型铠装多点热电偶(803)距离圆弧壁面(104)的近壁面不同位置处布置了7个温度测量点，用于测量熔融物硬壳动态特性；硬壳测温K型铠装多点热电偶(803)穿过圆弧面冷却通道(2)和圆弧壁面(104)的开孔，深入到熔融池内近圆弧壁面(104)处测量硬壳温度，热电偶套管在与圆弧面冷却通道(2)和圆弧壁面(104)接触位置处进行焊接密封固定。
7.根据权利要求2所述的一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述测温组件(8)中的冷却水测温T型铠装热电偶(804)位于圆弧面冷却通道(2)进出口位置，测量冷却水温度变化，进行热平衡计算。
8.根据权利要求1所述的一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述熔融池下封头(1)内采用摩尔比例20％NaNO3-80％KNO3非共晶二元混合物作为真实反应堆熔融物的替代材料。
9.根据权利要求1所述的一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述熔融池下封头(1)内半径为2200mm，宽度为200mm，圆弧壁面厚度为30mm。
10.根据权利要求1所述的一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述熔融池下封头(1)的上部开口处设计一圈10mm宽度的凹槽(106)，凹槽尺寸与上部盖板(5)尺寸相当，用以固定上部盖板(5)。
11.根据权利要求1所述的一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述上部盖板(5)两端开设冷却水的入口接头(501)和出口接头(502)，以及熔融物边缘进口(503)和中部进口(504)，实现熔融池上部绝热条件和冷却条件以及熔融物不同注入位置的情况，冷却水的入口接头(501)和出口接头(502)与圆弧面的冷却水流向近似为逆流，有助均匀壁温的实现。
12.根据权利要求1所述的一种高瑞利数熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述氮气进口(6)位于熔融池下封头(1)的左侧壁面(101)上部，在使用熔盐作熔融物时需要补充氮气进行高温防氧化保护。
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