CN106340326A - 用于反应堆电加热模拟棒束的局部定位结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于反应堆电加热模拟棒束的局部定位结构，包括若干根相互平行设置的电加热棒，电加热棒的外壁上均设置有若干根绕肋，并且绕肋与电加热棒固定为整体结构，每根电加热棒上的绕肋与相邻电加热棒或相邻电加热棒上的绕肋接触。本发明采用绕肋与电加热棒整体加工技术，机械强度高，抗冲刷能力强，且生产技术难度小、成本低，适合批量化生产，提高定位的可靠性；绕肋与电加热棒束采用同种材料，避免了因异质材料的热胀性差异引起附加应力，提高了绕肋的结构稳定性，保证了绕肋在实验周期内的功能特性；采用自定位方法，不需额外附加结构，减少了实验体的装配难度；针对不同电加热模拟组件规格，通过调整绕肋的几何参数实现其定位功能。

Description

用于反应堆电加热模拟棒束的局部定位结构

技术领域

本发明涉及一种反应堆电加热模拟棒束的定位结构，具体涉及一种用于反应堆电加热模拟棒束的局部定位结构。

背景技术

反应堆组件电加热棒束是开展堆外实验燃料组件热工水力特性的重要模拟件，棒束实验常用于机理科学研究和工程性验证实验，如全长棒束通道临界热流密度实验、空泡份额分布、流动传热实验、棒束通道交混特性实验等等。

电加热棒束作为重要的燃料组件模拟件，采用直流电或交流电的方式加热金属管，通有同向电流的金属管在安培力的作用下可能会产生弯曲变形，另外电加热棒处于高温流体的冲刷环境中，加工、安装、定位方面可能存在误差。在以上因素作用下，特别是对于长距离的电加热棒束，容易导致结构弯曲变形，改变流道结构，偏离实验目的，甚至发生相邻电加热管的电击打火，因此电加热棒束的定位技术是电加热棒束实验的关键技术之一。

目前，国内外研制的电加热棒束的局部定位结构以定位格架为主。如AP1000燃料组件的定位格架，ALFA系列定位格架，这些格架均为栅格结构形式，为了增强交混性能，一些格架设计上安装有交混翼。这些格架加工难度大，实现成本较高。一些反应堆燃料组件采用绕丝定位，如HPLWR高性能轻水堆、液态金属增殖堆（LMFBR）等，采用全程定位，分离式加工，对流场影响明显，不利于研究光棒的实验特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前对于电加热棒束的局部定位结构其加工难度大，实现成本较高，或者对流场影响明显，不利于研究光棒的实验特性，提供了一种用于反应堆电加热模拟棒束的局部定位结构，该局部定位结构可以实现电加热棒束的径向定位，维持电加热棒束的整体结构和形状，不会对流场造成明显影响，满足光棒的实验特性研究要求，且具有结构简单、性能可靠、不易脱落，造价较低，能够实现自定位。

本发明通过下述技术方案实现：

用于反应堆电加热模拟棒束的局部定位结构，包括若干根相互平行设置的电加热棒，所述电加热棒的外壁上均设置有若干根绕肋，并且绕肋与电加热棒固定为整体结构，每根电加热棒上的绕肋与相邻电加热棒或相邻电加热棒上的绕肋接触。反应堆组件电加热棒束是开展堆外实验燃料组件热工水力特性的重要模拟件，棒束实验常用于机理科学研究和工程性验证实验，电加热棒束作为重要的燃料组件模拟件，采用直流电或交流电的方式加热金属管，通有同向电流的金属管在安培力的作用下可能会产生弯曲变形，另外电加热棒处于高温流体的冲刷环境中，加工、安装、定位方面可能存在误差。在以上因素作用下，特别是对于长距离的电加热棒束，容易导致结构弯曲变形，改变流道结构，偏离实验目的，甚至发生相邻电加热管的电击打火，因此电加热棒束的定位技术是电加热棒束实验的关键技术之一。目前电加热棒束的局部定位结构以定位格架为主，但是定位结构其加工难度大，实现成本较高，也有采用绕丝定位，这种定位结构是分离式加工，并且对流场影响明显，不利于研究光棒的实验特性，而本方案设计的定位结构，则是在电加热棒的外壁上均设置有若干根绕肋，并且绕肋与电加热棒固定为整体结构，而且对于绕肋的高度都有严格的控制，根据定位方式设定绕肋的高度，采用肋-棒定位时，即每根电加热棒上的绕肋与相邻电加热棒接触时，绕肋的高度为相邻电加热棒之间间隙的距离；采用肋-肋定位时，即每根电加热棒上的绕肋与相邻电加热棒上的绕肋接触时，绕肋的高度为相邻电加热棒之间间隙的距离的一半。本方案用于保持棒束排列结构和相对位置，并具有结构简易、加工简单、牢固和耐冲刷等技术特点。其加工简单，制作成本低，克服了格架加工难度大，实现成本较高的缺陷，同时绕肋与电加热棒一体加工为整体结构，不会对流场造成明显影响，满足光棒的实验特性研究要求，克服了绕丝定位对流场影响明显，不利于研究光棒的实验特性的缺陷。

同时每根电加热棒的材质与缠绕在该电加热棒上的绕肋材质相同，避免了异质材料因热膨胀性能差异等产生结构应力，确保实验周期内的功能稳定，绕肋与电加热棒采用一体加工，增加定位的牢固性与可靠性。

在实际定位时，是将平行的电加热棒束放置在一个四方体壳体中，则每根电加热棒均会与电加热棒和/或通道壁相邻，因此每根电加热棒的外壁上设置的绕肋数量等于与该电加热棒相邻的电加热棒的总数和与该电加热棒相邻的通道壁的总数之和。对于三角形布置电加热棒时，每根电加热棒选用六根绕肋；对于四边形布置电加热棒，每根电加热棒选用四根绕肋。同时绕肋的截面为方形，保证其定位时结构稳定，不易变形或者破坏，满足定位要求。

绕肋的设计依据应考虑在保持定位功能的同时，尽量减小对于通道内流场的干扰和影响。绕肋的头数、高度受定位方式影响，绕肋的螺距和长度应能在满足足够定位接触和受力面积的前提下合理调整。增大螺距、减小长度均可以减小绕肋的影响区域，具体设计值需综合考虑实验棒束结构、定位功能、流场扰动最小化等各方面因素。局部绕肋的引入不可避免会对通道流场产生影响，影响区的长段依赖于棒束结构和绕肋几何参数。在绕肋影响区外，绕肋的影响逐渐减弱，流场渐渐恢复。实验参数的测量设备应尽可能避开绕肋的影响区域，获得实验通道内真实的测量信号。

与焊接方式相比，本方案由同种材料整体加工，避免异质材料的热膨胀差异引起结构脱落；具有较好可扩展性，可根据电加热棒尺寸及布置方式进行合理调整，通过改变绕肋高度、长度，相邻绕肋接触面积等，适用于多种类型电加热棒结构的定位；通过合理优化绕肋形状及几何参数，尽量减小对流场的影响和干扰；与定位格架相比，本方案加工成本较低，结构牢固，适用环境广泛。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、采用绕肋与电加热棒整体加工技术，机械强度高，抗冲刷能力强，且生产技术难度小、成本低，适合批量化生产，提高定位的可靠性；

2、绕肋与电加热棒束采用同种材料，避免了因异质材料的热胀性差异引起附加应力，提高了绕肋的结构稳定性，保证了绕肋在实验周期内的功能特性；

3、采用自定位方法，不需额外附加结构，减少了实验体的装配难度；

4、针对不同电加热模拟组件规格，通过调整绕肋的几何参数实现其定位功能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为单根电加热棒上缠绕的横截面示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-电加热棒，2-绕肋。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1、图2所示，用于反应堆电加热模拟棒束的局部定位结构，包括若干根相互平行设置的电加热棒1，所述电加热棒1的外壁上均设置有若干根绕肋2，并且绕肋2与电加热棒1固定为整体结构，每根电加热棒1的材质与缠绕在该电加热棒1上的绕肋2材质相同。局部绕肋设计成一定尺寸大小的螺旋缠绕结构，可以和电加热棒完全一体化加工，增加定位的牢固性与可靠性。与电热加棒具有相同材质，避免了异质材料因热膨胀性能差异等产生结构应力，确保实验周期内的功能稳定。根据电加热模拟棒束的几何尺寸和棒间定位要求，可以调整绕肋的设计参数，使其适用于多种规格的电加热模拟棒束实验。绕肋的可调整参数包括：绕肋头数、高度、螺距和长度。

其中绕肋数目的选择方法为，每根电加热棒1的外壁上设置的绕肋2数量等于与该电加热棒1相邻的电加热棒1的总数和与该电加热棒1相邻的通道壁的总数之和。对于三角形布置电加热棒，则沿着其外壁分段布置六根绕肋；对于四边形布置电加热棒，则沿着其外壁分段布置四根绕肋。

而绕肋高度的选择方法为，采用肋-肋定位方式，即每根电加热棒1上每段区域的绕肋2与相邻电加热棒1上对应区域的绕肋2接触时，此时定位时相邻电加热棒1上的绕肋2之间形成错开并且侧壁接触，即其中一根电加热棒1上的所有绕肋2的底面与其相邻的电加热棒1上的所有绕肋2的顶面对应接触，形成线性接触产生定位卡紧，此时绕肋2的高度为相邻电加热棒1之间间隙的距离的一半，如果是设置在棒束外沿的电加热棒1也需与相邻的通道壁靠近定位；采用肋-棒定位方式，即每根电加热棒1上的绕肋2与相邻电加热棒1接触时，此时其中一根电加热棒1上的所有绕肋2的外壁与其相邻的电加热棒1外壁接触，这时绕肋2的高度为相邻电加热棒1之间间隙的距离，如果是设置在棒束外沿的电加热棒1也需与相邻的通道壁靠近定位。

绕肋的设计依据应考虑在保持定位功能的同时，尽量减小对于通道内流场的干扰和影响。绕肋的头数、高度受定位方式影响，绕肋的螺距和长度应能在满足足够定位接触和受力面积的前提下合理调整。增大螺距、减小长度均可以减小绕肋的影响区域，具体设计值需综合考虑实验棒束结构、定位功能、流场扰动最小化等各方面因素。局部绕肋的引入不可避免会对通道流场产生影响，影响区的长段依赖于棒束结构和绕肋几何参数。在绕肋影响区外，绕肋的影响逐渐减弱，流场渐渐恢复。实验参数的测量设备应尽可能避开绕肋的影响区域，获得实验通道内真实的测量信号。

对于2×2布置的电加热棒束结构，棒直径9.5mm，棒间距10.5mm，电加热棒与通道壁间距0.5mm。根据以上方法确定的局部定位结构参数为：每根棒设置四头局部绕肋，每处局部绕肋长25mm，肋高0.5mm，肋宽1.0mm，肋节距176mm，肋截面为方形，相对于整体流场而言，影响较小，从而满足光棒的实验特性研究要求。

本方案电加热棒束局部定位结构可安装于多管道棒束结构，具有较高的机械强度，可工作于单相水、蒸汽-水两相及超临界工况条件下，可作为实验室开展棒束流动传热机理实验研究，工业组件临界热流密度等工程验证试验。通过以上方案生产出来的电加热棒束局部定位结构能够满足反应堆组件模拟体定位的需要。

绕肋沿周向均布在电加热棒表面，与电加热管一体化加工而成，无需焊接。绕肋的几何设计参数包括：绕肋头数、高度、螺距和长度。在满足定位需求的前提下，尽量减小绕肋对于通道流场的影响。相邻电加热棒以线接触方式定位。

电加热棒束定位结构解决了反应堆组件堆外电加热模拟实验的定位问题，实现了电加热管在模拟流场环境下受电磁作用、重力作用等条件下的横向定位支撑问题。

本发明主要应用于构建亚临界或超临界流体的电加热棒束的模拟实验，用于实验室开展机理性研究实验或者反应堆工程验证实验中具有与反应堆组件相似结构的模拟定位问题。与焊接方式相比，本发明由同种材料整体加工，避免异质材料的热膨胀差异引起结构脱落；具有较好可扩展性，可根据电加热棒尺寸及布置方式进行合理调整，通过改变绕肋高度、长度，相邻绕肋接触面积等，适用于多种类型电加热棒结构的定位；通过合理优化绕肋形状及几何参数，尽量减小对流场的影响和干扰；与定位格架相比，本发明加工成本较低，结构牢固，适用环境广泛。

本发明具有结构简单、性能可靠、工艺成熟、造价较低等特点，具有较好的适用对象可扩展性，并能在恶劣工况和极端参数下保持绕肋定位的功能稳定性。

本发明采用局部绕肋加工技术，实现了电加热棒束的整体横向支撑和定位，解决了电加热棒束实验研究中可能出现的由于流致振动、电磁作用、重力作用或其它不均匀外力条件下引起的管道变形问题，实现了在恶劣工况和极端参数下绕肋定位的功能稳定性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.用于反应堆电加热模拟棒束的局部定位结构，包括若干根相互平行设置的电加热棒（1），其特征在于，所述电加热棒（1）的外壁上均设置有若干根绕肋（2），并且绕肋（2）与电加热棒（1）固定为整体结构，每根电加热棒（1）上的绕肋（2）与相邻电加热棒（1）或相邻电加热棒（1）上的绕肋（2）接触。

2.根据权利要求1所述的用于反应堆电加热模拟棒束的局部定位结构，其特征在于，所述每根电加热棒（1）上的绕肋（2）与相邻电加热棒（1）接触时绕肋（2）的高度为相邻电加热棒（1）之间间隙的距离。

3.根据权利要求1所述的用于反应堆电加热模拟棒束的局部定位结构，其特征在于，所述每根电加热棒（1）上的绕肋（2）与相邻电加热棒（1）上的绕肋（2）接触时绕肋（2）的高度为相邻电加热棒（1）之间间隙的距离的一半。

4.根据权利要求1所述的用于反应堆电加热模拟棒束的局部定位结构，其特征在于，所述每根电加热棒（1）的材质与缠绕在该电加热棒（1）上的绕肋（2）材质相同。

5.根据权利要求1所述的用于反应堆电加热模拟棒束的局部定位结构，其特征在于，所述每根电加热棒（1）的外壁上设置的绕肋（2）数量等于与该电加热棒（1）相邻的电加热棒（1）的总数和与该电加热棒（1）相邻的通道壁的总数之和。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于反应堆电加热模拟棒束的局部定位结构，其特征在于，所述绕肋（2）的截面为方形。