CN106409363A - 一种反应堆模拟体及其组装工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反应堆模拟装置及其组装工艺，包括反应堆压力容器模拟件和堆芯模拟件，所述反应堆压力容器模拟件包括下封头、筒体和上封头；上封头、下封头与筒体连接，所述堆芯模拟件包括多根电热元件，下封头的下部壁面的内壁和外壁均为平底结构，下封头的下部壁面设置有若干贯穿内壁和外壁导向孔，所述导向孔内设置导向管，所述电热元件插入导向管内。本发明提出了一套新的反应堆模拟装置及其组装工艺：堆芯模拟件由数量众多的电热元件配合金属卡套而集成，解决了高温高压条件下的电加热、绝缘、密封和元件单根可独立拆装等技术问题；反应堆模拟装置其它结构设计同时解决了实现实验功能、参数模拟以及密封、拆装和水压试验等技术问题。

Description

一种反应堆模拟体及其组装工艺

技术领域

本发明涉及一种新型反应堆模拟装置及其组装工艺，具体涉及一种可用于高温高压反应堆热工水力实验的反应堆模拟装置及其组装工艺。

背景技术

反应堆模拟装置是反应堆热工水力系统实验装置的核心设备，通常由模拟反应堆压力容器模拟件、堆芯模拟件、吊兰模拟件和堆内构件模拟件等部件组成。为了实现实验功能，首先需要解决反应堆及各部件几何结构和重要参数的准确模拟问题，其次需要解决高温高压和温度骤变条件下的电加热、绝缘和密封技术问题，最好还要解决堆芯模拟件简易拆装等问题。本发明提出了一套新的反应堆模拟装置及其组装工艺：堆芯模拟件由数量众多的电热元件配合金属卡套而集成，解决了高温高压条件下的电加热、绝缘、密封和元件单根可独立拆装等技术问题；反应堆模拟装置其它结构设计同时解决了实现实验功能、参数模拟以及密封、拆装和水压试验等技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一套反应堆模拟装置及其组装工艺，解决高温高压反应堆热工水力实验中的关键技术问题，提高反应堆热工水力实验的安全和效率水平。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种反应堆模拟装置，包括反应堆压力容器模拟件和堆芯模拟件，所述反应堆压力容器模拟件包括下封头、筒体和上封头；上封头、下封头与筒体连接，所述堆芯模拟件包括多根电热元件，其特征在于，下封头的下部壁面的内壁和外壁均为平底结构，下封头的下部壁面设置有若干贯穿内壁和外壁导向孔，所述导向孔内设置导向管，所述电热元件插入导向管内。

作为优选，还包括卡套，所述卡套套设在电热元件的下端，所述卡套设置在导向管的下部并且与导向管进行可拆卸连接。

作为优选，堆芯模拟件还包括排水管，所述排水管位于堆芯模拟件的中央，所述排水管插入导向管内。

作为优选，所述卡套套设在排水管的下端，所述卡套设置在导向管的下部并且与导向管进行可拆卸连接。

作为优选，还包括吊兰模拟件，所述吊兰模拟件由下梅花孔板、围筒和上梅花孔板组成，下梅花孔板和围筒通过螺栓连接，围筒和上梅花孔板亦通过螺栓连接；上、下梅花孔板设置有若干个三叶或多叶梅花孔，上梅花孔板每个梅花孔内置有定位环，所述的电热元件的上端插入定位环中。

作为优选，所述定位环是可拆卸的。

作为优选，每个螺栓中心设置有流水孔。

作为优选，还包括堆内构件模拟件，所述堆内构件模拟件由下孔板、围板、上孔板和填充棒束组成，上、下孔板设置有流水孔和定位孔，围板下缘与吊兰模拟件的凹形槽配合连接和定位，围板上端与吊兰模拟件连接，填充棒束由若干数量填充棒组成，填充棒上、下端设置有外螺纹，分别与上、下孔板定位孔内螺纹配合紧固和定位。

作为优选，沿着流体的流动方向，将电加热元件单位长度的电加热功率W设置为流体流动路径S的函数，其中S是距离流体进入堆芯模拟体入口的长度，即W＝F（S），F’(S)>0，其中F’(S)是F（S）的一次导数。

一种前面所述的反应堆模拟装置的组装工艺，其特征在于，包括如下步骤：

1）吊兰模拟件与反应堆压力容器模拟件螺栓紧固；

2）堆芯模拟件电热元件逐根穿过导向管、吊兰模拟件上、下梅花孔板；

3）堆芯模拟件电热元件与导向管通过卡套活连接；

4）上梅花孔板梅花孔内嵌入定位环；

5）堆内构件模拟件嵌入吊兰模拟件凹形槽，与吊兰模拟件通过螺栓连接紧固；

6）反应堆压力容器模拟件筒体和上封头通过法兰和Ω环密封件焊接连接。

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

1）下封头下部的内外壁面均为平底结构，有利于若干导向孔加工，有利于提高导向孔的加工精度、垂直度和分布均匀性；

2）与工业上和核电厂的压力容器相比，高温高压反应堆热工水力实验的温度变化非常快，Ω环密封件在此处能够大大降低温度骤变条件下的泄漏风险，提高实验安全水平；下封头内置弧面填充块，有利于提高反应堆压力容器结构的模拟精度。

3）每根电热元件与导向管通过金属卡套活连接，且导向管下端呈锥面或弧面布置，实现了单根电热元件拆装更换，无须对堆芯模拟件整体拆装更换，提高了堆芯模拟件拆装效率；排水管与导向管亦通过金属卡套活连接，便于拆装实现排水管疏通、清污或更换，排水管上部两侧设置的排水槽、以及位于堆芯模拟件中央的布置方式，一是可边实验边排水，二是在实验后便于将水排干。

4）吊兰模拟件每个螺栓中心设置有流水孔，通过更换不同规格流水孔的螺栓，即可精确模拟吊兰旁流量；上、下梅花孔与电热元件存在较大间隙，便于电热元件逐根穿过，提高了电热元件组装效率，降低了组装时与梅花孔刮擦引起的破损率；上梅花孔板每个梅花孔内置有定位环，提高了电热元件横向定位精度，定位环可单个拆卸，降低了拆卸时与定位环刮擦引起的破损率。

5）堆内构件模拟件围板下缘与吊兰模拟件凹形槽配合，可实现自动地连接和定位；填充棒上、下端设置有外螺纹，分别与上、下孔板定位孔内螺纹配合紧固和定位，拆卸更换不同规格的填充棒，即可满足堆内构件不同的模拟需求。

6）反应堆模拟装置各部件之间为活连接，组装工艺简易，有利于减少污染物和垃圾，有利于维持反应堆模拟装置内的清洁度；反应堆模拟装置组装工艺可完全逆向操作，故拆卸流程亦简易。

7）本发明将电加热功率设置为沿着流体流动方向的规律变化，保证流体的最佳的吸热情况，使得电加热功率损失小，提高了模拟实验的准确度。

附图说明

图1 反应堆模拟装置结构图

图2 堆芯模拟件结构图

图3 吊兰模拟件和堆内构件模拟件结构图

图4是流体流程示意图

图5 填充块结构图。

图中：1-反应堆压力容器模拟件；2-堆芯模拟件；3-吊兰模拟件；4-堆内构件模拟件；5-下封头；6-填充块；7-筒体；8-上封头；9-Ω环密封件；10-电热元件；11-导向管；12-排水管；13-定位环；14-金属卡套；15-下梅花孔板；17-上梅花孔板；18-下孔板；19-围板；20-上孔板；21-填充棒束。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

图1-2展示了一种反应堆模拟体，如图1所示，一种反应堆模拟装置，包括反应堆压力容器模拟件1和堆芯模拟件2，所述反应堆压力容器模拟件1包括下封头5、筒体7和上封头8；上封头8、下封头6与筒体7连接，所述堆芯模拟件1包括多根电热元件10，所述下封头5的下部壁面的内壁和外壁均为平底结构，下封头5的下部壁面设置有若干贯穿内壁和外壁导向孔，所述导向孔内设置导向管11，如图2所示，所述电热元件10插入导向管11内。

本发明通过下封头5下部的内外壁面均为平底结构，相对于现有技术的圆弧形或者其他形状，有利于若干导向孔加工，有利于提高导向孔的加工精度、垂直度和分布均匀性；每根电热元件与导向管通过金属卡套活连接，实现了单根电热元件拆装更换，无须对堆芯模拟件整体拆装更换。

作为优选，所述多根导向管下端面呈锥面或弧面布置，通过如此设置，使得每根导向管从中央到两边高度逐渐减小，便于中央和边部的每根导向管11的更换方便，提高了堆芯模拟件拆装效率。

作为优选，还包括卡套14，所述卡套14套设在电热元件10的下端，所述卡套14设置在导向管11的下部并且与导向管11进行可拆卸连接。

作为优选，所述多根卡套14下端面呈锥面或弧面布置，其目的也是为了拆卸方便，提高拆装效率。

作为优选，堆芯模拟件2还包括排水管12，所述排水管12位于堆芯模拟件2的中央，所述排水管12插入导向管11内。

作为优选，所述卡套14套设在排水管12的下端，所述卡套14设置在导向管11的下部并且与导向管11进行可拆卸连接。

作为优选，还包括吊兰模拟件3，所述吊兰模拟件3由下梅花孔板15、围筒16和上梅花孔板17组成，下梅花孔板15和围筒16通过螺栓连接，围筒16和上梅花孔板17亦通过螺栓连接；上、下梅花孔板16、17设置有若干个三叶或多叶梅花孔（参见图2），上梅花孔板17每个梅花孔内置有定位环，所述的电热元件10的上端插入定位环13中。

作为优选，上、下梅花孔与电热元件10存在较大间隙，优选梅花孔的相邻花瓣连接的位置与梅花孔中心的位置大于电热元件10半径1-2cm，便于电热元件逐根穿过，提高了电热元件组装效率，降低了组装时与梅花孔刮擦引起的破损率。

作为优选，所述定位环13是可拆卸的。

上梅花孔板17每个梅花孔内置有定位环，提高了电热元件横向定位精度，定位环可单个拆卸，降低了拆卸时与定位环刮擦引起的破损率。

作为优选，吊兰模拟件每个螺栓中心设置有流水孔，通过更换不同规格流水孔的螺栓，即可精确模拟吊兰旁流量。

作为优选，还包括堆内构件模拟件4，所述堆内构件模拟件由下孔板18、围板19、上孔板20和填充棒束21组成，上、下孔板18、20设置有流水孔和定位孔，围板19下缘与吊兰模拟件4的凹形槽配合连接和定位，围板19上端与吊兰模拟件3连接，填充棒束21由若干数量填充棒组成，填充棒上、下端设置有外螺纹，分别与上、下孔板定位孔内螺纹配合紧固和定位。

堆内构件模拟件4围板19下缘与吊兰模拟件3凹形槽配合，可实现自动地连接和定位；填充棒上、下端设置有外螺纹，分别与上、下孔板定位孔内螺纹配合紧固和定位，拆卸更换不同规格的填充棒，即可满足堆内构件不同的模拟需求。

如上所述，本发明的反应堆模拟装置由反应堆压力容器模拟件、堆芯模拟件、吊兰模拟件和堆内构件模拟件组成，本发明还包括了上述部件以及部件之间的组装工艺。

其特点包括：

（1）反应堆压力容器模拟件由下封头、筒体和上封头组成；下封头与筒体焊接连接，筒体和上封头通过法兰和Ω环密封件连接；下封头内外均为平底结构，设置有若干导向孔，内置弧面填充块。

（2）堆芯模拟件由若干电热元件、导向管以及1根排水管组成，每根电热元件与导向管通过金属卡套活连接，导向管与反应堆压力容器模拟件下封头通过胀焊连接，若干导向管下端成锥面或弧面布置，排水管与导向管亦通过金属卡套活连接，位于堆芯模拟件中央，排水管上部两侧设置有排水槽。

（3）吊兰模拟件由下梅花孔板、围筒和上梅花孔板组成，下梅花孔板和围筒通过螺栓连接，围筒和上梅花孔板亦通过螺栓连接，每个螺栓中心设置有流水孔；上、下梅花孔板设置有若干个三叶或多叶梅花孔，梅花孔与电热元件存在较大间隙，上梅花孔板每个梅花孔内置有定位环，定位环可单个拆卸。

（4）堆内构件模拟件由下孔板、围板、上孔板和填充棒束组成，上、下孔板设置有流水孔和定位孔，围板下缘与吊兰模拟件凹形槽配合连接和定位，围板上端与吊兰模拟件通过螺栓连接，填充棒束由若干数量填充棒组成，填充棒的规格和布置根据堆内构件模拟需求确定，填充棒上、下端设置有外螺纹，分别与上、下孔板定位孔内螺纹配合紧固和定位。

（5）反应堆模拟装置部件之间为活连接，具体组装工艺如下：1）吊兰模拟件与反应堆压力容器模拟件螺栓紧固；2）堆芯模拟件电热元件逐根穿过导向管、吊兰模拟件上、下梅花孔板；3）堆芯模拟件电热元件与导向管通过金属卡套活连接；4）上梅花孔板梅花孔内嵌入定位环；5）堆内构件模拟件嵌入吊兰模拟件凹形槽，与吊兰模拟件通过螺栓连接紧固；6）反应堆压力容器模拟件筒体和上封头通过法兰和Ω环密封件焊接连接，Ω环密封件可拆卸。

如图1、2、3所示，反应堆模拟装置的具体组装工艺如下：（1）反应堆压力容器模拟件1下封头5和筒体7焊接、下封头5内置弧面填充块6焊接完成后，将导向管11逐根插入导向孔，保证导向管11上端与下封头5内底基本平齐，保证导向管11下端呈锥面布置，最后逐根进行焊接和液压涨管；（2）吊兰模拟件3装入反应堆压力容器模拟件1内，通过螺栓紧固后将其整体卧式放置；（3）堆芯模拟件2电热元件10逐根穿过导向管11、吊兰模拟件3上、下梅花孔板15，每根电热元件10贯穿完成后，须进行横向和轴向位置确认，再对电热元件10与导向管11的连接金属卡套14进行紧固，上述操作全部完成后方可开展下一根电热元件10贯穿操作，具体操作顺序自中央向周边推进；（4）吊兰模拟件3上梅花孔板17梅花孔嵌入定位环13，定位环13通过螺纹旋入梅花孔内，具体操作顺序自中央向周边推进；（5）反应堆压力容器模拟件1立式放置后，将堆内构件模拟件4装入反应堆压力容器模拟件1，自动嵌入吊兰模拟件3凹形槽，实现自动连接和定位，最后与吊兰模拟件3通过螺栓紧固；（6）将反应堆压力容器模拟件1上封头8放置在筒体7上方，进行就位和对中，在法兰密封面放置聚四氟乙烯垫片，紧固螺栓后开展第1次水压试验，第1次水压试验完成后拆除螺栓和聚四氟乙烯垫片，完成Ω环密封件9焊接后，再开展第2次水压试验。

作为优选，段筒体7沿着上下方向设置分隔板。通过设置分隔板，使得流体的流程分为至少两部分。流体在下段筒体内先在一侧从上向下流动，然后再进入另一侧从下往上流动，或者使流体先从外部从上往下流动，然后从中间从下往上流动。如图4所示。

作为优选，电加热元件10是多组，所述多组电加热元件采用串联的方式连接，电加热组件间通过导电铜线相连。

堆芯模拟体中电加热元件的组数以及每组电加热元件的数量及单根电加热元件的外径均可调节以满足不同表面热流密度需求。

作为优选，沿着流体的流动方向，将电加热元件单位长度的电加热功率W设置为流体流动路径S的函数，其中S是距离流体进入堆芯模拟体入口的长度，即W＝F（S），F’(S)>0，其中F’(S)是F（S）的一次导数。

上述的电加热功率的变化，实际上就是沿着流体的流动方向上，单位长度的电加热功率逐渐升高。通过上述的电加热功率的规律变化，可为极大的提高流体的换热效率，通过实验发现，在相同的总功率下，能够提高15％左右的换热效率。通过理论分析，发现采用上述的规律变化，类似于换热器中的逆流换热。

作为优选，F"(S)>0，其中F"(S)是F（S）的二次导数。沿着流体的流动方向上，单位长度的电加热功率逐渐升高的幅度越来越大。通过实验发现，在相同的总功率下，上述的设置能够提高8％左右的吸热效率。

作为优选，流体在堆芯模拟件2流动的总路径长度为S_总，流体在堆芯模拟件出口位置的单位长度的电加热功率为W_后，则在流体进入堆芯模拟体入口的长度s处的单位长度的加热功率为w＝W_后*（s/S）^a，其中a是系数，1.23<a<1.34。

上述的关系是通过大量的数值模拟及其实验获得的，通过大量的实验得到了验证。通过上述的关系进行功率分配，能够使得流体的热量吸收达到最佳的效果。

作为优选，1.28<a<1.30。

作为优选，随着s/S增加，a逐渐减小。

作为优选，所述堆芯模拟件2中包括多组电加热元件10，所述多组电加热元件之间是串联结构。

作为对于前面加热规律的具体实施方式，作为优选，所述电加热元件分为多段，沿着流体的流动方向，不同段的加热功率逐渐增加。通过上述的优化的设计，便于加工。

所述电加热元件采用电阻加热的方式。

作为优选，所述电加热元件为棒状电阻。

作为优选，所述电加热元件为电阻丝。

作为优选，所述电加热元件为串联结构，所述电加热元件（作为优选一个或者多个棒状电阻或者一个或者多个电阻丝）沿着流体的流动方向，电加热装置的外径越来越小，即电加热装置越来越细。通过上述的优化设置，达到电加热装置不同位置的发热功率不同，从而提高电加热的效率。

作为优选，沿着流体的流动方向，电加热装置外径变小的幅度越来越大。

通过采用外径变化，达到电加热装置不同位置的发热功率不同。

作为优选，电加热元件的外部形状为抛物线的形状。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种反应堆模拟装置，包括反应堆压力容器模拟件和堆芯模拟件，所述反应堆压力容器模拟件包括下封头、筒体和上封头；上封头、下封头与筒体连接，所述堆芯模拟件包括多根电热元件，其特征在于，下封头的下部壁面的内壁和外壁均为平底结构，下封头的下部壁面设置有若干贯穿内壁和外壁导向孔，所述导向孔内设置导向管，所述电热元件插入导向管内。

2.如权利要求1所述的反应堆模拟装置，其特征在于，还包括卡套，所述卡套套设在电热元件的下端，所述卡套设置在导向管的下部并且与导向管进行可拆卸连接。

3.如权利要求1所述的反应堆模拟装置，其特征在于，堆芯模拟件还包括排水管，所述排水管位于堆芯模拟件的中央，所述排水管插入导向管内。

4.如权利要求3所述的反应堆模拟装置，其特征在于，所述卡套套设在排水管的下端，所述卡套设置在导向管的下部并且与导向管进行可拆卸连接。

5.如权利要求1所述的反应堆模拟装置，其特征在于，还包括吊兰模拟件，所述吊兰模拟件由下梅花孔板、围筒和上梅花孔板组成，下梅花孔板和围筒通过螺栓连接，围筒和上梅花孔板亦通过螺栓连接；上、下梅花孔板设置有若干个三叶或多叶梅花孔，上梅花孔板每个梅花孔内置有定位环，所述的电热元件的上端插入定位环中。

6.如权利要求5所述的反应堆模拟装置，其特征在于，所述定位环是可拆卸的。

7.如权利要求5所述的反应堆模拟装置，其特征在于，每个螺栓中心设置有流水孔。

8.如权利要求1所述的反应堆模拟装置，其特征在于，还包括堆内构件模拟件，所述堆内构件模拟件由下孔板、围板、上孔板和填充棒束组成，上、下孔板设置有流水孔和定位孔，围板下缘与吊兰模拟件的凹形槽配合连接和定位，围板上端与吊兰模拟件连接，填充棒束由若干数量填充棒组成，填充棒上、下端设置有外螺纹，分别与上、下孔板定位孔内螺纹配合紧固和定位。

9.如权利要求1所述的反应堆模拟装置，其特征在于，沿着流体的流动方向，将电加热元件单位长度的电加热功率W设置为流体流动路径S的函数，其中S是距离流体进入堆芯模拟体入口的长度，即W＝F（S），F’(S)>0，其中F’(S)是F（S）的一次导数。

10.如权利要求1-9之一所述的反应堆模拟装置的组装工艺，其特征在于，包括如下步骤：

1）吊兰模拟件与反应堆压力容器模拟件螺栓紧固；

2）堆芯模拟件电热元件逐根穿过导向管、吊兰模拟件上、下梅花孔板；

3）堆芯模拟件电热元件与导向管通过卡套活连接；

4）上梅花孔板梅花孔内嵌入定位环；

5）堆内构件模拟件嵌入吊兰模拟件凹形槽，与吊兰模拟件通过螺栓连接紧固；

6）反应堆压力容器模拟件筒体和上封头通过法兰和Ω环密封件焊接连接。