CN106952669A - 一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架 - Google Patents

Abstract

本发明属于核电技术领域，尤其涉及一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架。为解决当前国内外对于IVR‑ERVC的相关研究大多采用全尺寸模型来模拟下封头，建造时间长，花费金额较大的问题。本发明提出一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架。试验台架包括试验段、系统回路以及辅助系统，具体包括加热系统、U型槽、绝缘垫片、不锈钢加热板、电源、上升管段、水箱、换热器、下降管段、数据采集及信号控制系统和电源控制系统；本发明采用缩比方法对原型尺寸进行缩比，既能缩短工期、减少成本，又能保证实验的准确性，同时本发明针对的是特定堆型，即CAP1400堆型，能够为特定堆型的研究提供一定的理论支持。

Description

一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架

技术领域

本发明属于核电技术领域，尤其涉及一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架。

背景技术

在核电发展历程中，核安全一直是人们所关心的重点问题。虽然核电厂已经采取了一系列的措施来避免严重事故的发生，但是极端条件下仍可能发生超设计基准的严重事故，如三里岛事故，切尔诺贝利事故和福岛事故。一旦严重事故发生，可能造成蒸汽爆炸、释放大量放射性物质等严重后果。调查表明，核电厂一旦发生事故，只要保证压力容器和安全壳的完整性，就能大量减少放射性物质的释放。自此之后，国际上逐渐形成了熔融物堆内滞留的压力容器外部冷却严重事故缓解策略，即冷却水流过压力容器外壁与保温层之间形成的流道，将通过压力容器下封头壁面导出的熔融物的热量带出，从而防止压力容器下封头表面发生沸腾临界，保证下封头的完整性。目前，IVR-ERVC已经成为以AP1000系列为代表的第三代先进核电技术中一项核心的严重事故缓解措施。同样，在其他先进核反应堆型中，EVR-ERVC同样具有广阔的应用前景。然而目前国外的研究大部分都是采用1:1比例的模型来模拟下封头，即使取切片模型也是全尺寸模拟，这样耗费的时间较多，工程量比较大，并且在实验过程中也会出现很多问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，包括试验段、系统回路以及辅助系统；所述试验段的头部和尾部通过法兰与系统回路连接，系统回路与辅助系统相连；所述试验段包括加热系统、U型槽、加热板和密封绝缘垫片；加热系统固定于加热板上，加热板与U型槽构成流道系统，在加热板与U型槽接触处安装有绝缘垫片，用来密封加热板与U型槽之间的空隙；所述试验段为模拟先进大功率压水堆CAP1400压力容器下封头一部分，采用1:14缩比下封头结构，其中半径采用1:5缩比，并且二维切片各弧段的加热板厚度依次增大。

所述加热板的两端分别设置正电极与负电极，用来调节不同厚度的加热板的热流密度的大小，加热系统固定在加热板两端的两个电极上，在加热板朝内的表面焊接测温线，用来测量加热段的内壁温度，在试验段的入口、出口和流道中分别布置与加热板的不同厚度相对应的热电偶，热电偶通过U型槽外表面插入到流道中，用来测量流道水温，所述加热板的加热方式采用交流电直接加热，通过加热板的不同厚度来实现各弧段不同的热流密度。

所述系统回路包括上升管段、水箱、换热器和下降管段，所述水箱通过法兰与上升管段连接，水箱底部通过两条管道与换热器连接，水箱上面开有出气口，与外界空气接触，侧面开有进水口，与供水管路连接，在水箱进水口位置设置进口阀门，水箱出水口位置设置出口阀门，进口阀门和出口阀门用来调节流量的大小；与水箱底部相连接的所有管道均设有法兰段，通过添加或者减少这些通道法兰段处的管段可以改变水箱高度；在下降管段设有流量计，用来实时监控流量。

所述辅助系统包括电源、数据采集及信号控制系统和电源控制系统，电源、电源控制系统和数据采集及信号控制系统依次相连，数据采集及信号控制系统与电源控制系统通过系统回路分别与试验段相连，所述数据采集及信号控制系统采用NI的采集系统，数据采集及信号控制系统的采集线分别连接到加热系统上布置的热电偶上。

一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：让回路中充满水，确保回路密封性良好；

步骤2：控制主回路循环流量恒定，在功率和流量不变的情况下，先将冷却水的过冷度保持在一个低值；

步骤3：开启数据采集系统，观察各测点的温度变化，同时记录试验段压差的变化情况；

步骤4：增大冷却水的过冷度，观察数据变化，若观察到试验过程中某一点壁温突然增大，立即关闭电源，停止加热，防止烧毁加热段；

步骤5：在功率与流量恒定的情况下改变水箱高度，记录不同水箱高度下的水温、试验段压差的变化，同时可以使用高速摄像机观察气液两相流的变化；

步骤6：实验完成后，及时关闭电源，待温度冷却时，将回路中的水排出。

本发明的有益效果在于：

(1)本试验台架针对我国自主研发的CAP1400堆型，够得到不同工况下的加热段的内壁温、流道的流体温度、试验段压差以及空泡份额等一系列随时间变化的参数，同时可以改变常数参数值来研究其对实验结果的影响。对核电厂严重事故的机理研究具有重要意义。

(2)本试验台架在试验过程中重点研究CHF分布规律，自然循环特性和气液两相流的行为。通过一定的缩比手段对下封头进行缩比后取其二维切片进行试验，可通过加热板不同的厚度来实现各弧段不同的热流密度。本试验台架可以在节省时间和经费的条件下评估严重事故下的ERVC措施的可行性。为IVR-ERVC系统的设计和有效性验证奠定实验基础。

附图说明

附图1为试验台架结构示意图。

附图2为试验段的主视图。

附图3为试验段的右视图。

附图4为试验段的截面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

附图1为试验台架结构示意图，如图1所示，该试验台架包括系统回路、辅助系统以及试验段。试验段的头部和尾部通过法兰与系统回路连接，系统回路与辅助系统相连，试验段包括加热系统、U型槽、绝缘垫片与加热板，加热板与U型槽构成流道系统，在加热板与U型槽接触处安装有绝缘垫片，用来密封加热板与U型槽之间的空隙；所述系统回路包括上升管段、水箱、换热器和下降管段，U型槽的两端通过法兰与上升管段与下降管段相连，在下降管段上设置电磁流量计用来检测水流量。水箱设置在U型槽的上升管段，水箱底部通过两条管道与换热器连接，水箱上面开有出气口，与外界空气接触，侧面开有进水口，与供水管路连接，在水箱进水口位置设置进口阀门，水箱出水口位置设置出口阀门，进口阀门和出口阀门用来调节流量的大小。与水箱底部相连接的所有管道均设有法兰段，通过添加或者减少这些通道法兰段处的管段来改变水箱高度，换热器通过两条管道连接在水箱底部，用来调节入口过冷度及流量，使水箱中的水温保持在较低的状态。辅助系统包括电源、数据采集及信号控制系统和电源控制系统，电源、电源控制系统和数据采集及信号控制系统依次相连，数据采集及信号控制系统与电源控制系统通过系统回路分别与试验段相连。电源总功率为50KW。信号采集系统采用NI的采集系统，通过电源控制系统进行控制。信号采集系统的采集线分别连接到加热系统上布置的热电偶上，用来采集水温和加热板壁温的变化数据。附图2为试验段的主视图，附图3为试验段的右视图，如图2和图3所示，试验段主要由加热系统、U型槽、密封绝缘垫片和加热板组成。所述试验段为二维切片，模拟先进大功率压水堆CAP1400压力容器下封头的一部分，加热板与U型槽组成了流道系统，在加热板与U型槽接触处安装有绝缘垫片，如附图4所示，绝缘垫片紧贴流道内壁，用以绝缘和密封加热板与U型槽之间的空隙。整个试验段的两端通过法兰与管道进行连接。加热系统为试验台架的主系统，加热系统固定在不锈钢加热板两端的两个电极上，通过电源控制系统进行控制，可以调节功率大小。加热板两端分别设置正负电极，用来调节加热板电流的大小，在加热板朝内的表面焊接测温线，测温线用来测量加热段内壁温度，对应加热段不同厚度设置铠装热电偶，分别设置在入口、出口和流道中，铠装热电偶通过U型槽外表面插入到流道中，用来测量水温。试验段为半球形的二维切片，试验段的各弧段加热板厚度不同，达到所需的热流密度。试验段顶部连接上升管段管道，在试验过程中形成一个自然循环回路，在充满水的状态下，U型槽内的流体被加热，此管道中的流体受热上升，受热后沿上升管段进入到上部水箱，水箱中的冷流体通过水箱底部的下降管段下降再次经过加热系统，形成一个循环。在试验过程中，通过添加或者减少水箱底部法兰段处的管段来改变水箱高度，研究水箱高度对试验结果的影响程度。所述试验台架的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：让回路中充满水，确保回路密封性良好；

步骤2：控制主回路循环流量恒定，在功率和流量不变的情况下，先将冷却水的过冷度保持在一个较低值；

步骤3：开启数据采集系统，观察各测点的温度变化，同时记录试验段压差的变化情况；

步骤4：增大冷却水的过冷度，观察数据变化，若观察到试验过程中壁温突然增大，立即关闭电源，停止加热，防止烧毁加热段；

步骤5：在功率与流量恒定的情况下改变水箱高度，记录不同水箱高度下的水温、试验段压差的变化，同时可以使用高速摄像机观察气液两相流的变化；

步骤6：实验完成后，及时关闭电源，待温度冷却时，将回路中的水排出。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其特征在于，包括试验段、系统回路以及辅助系统；所述试验段的头部和尾部通过法兰与系统回路连接，系统回路与辅助系统相连；所述试验段包括加热系统、U型槽、加热板和密封绝缘垫片；加热系统固定于加热板上，加热板与U型槽构成流道系统，在加热板与U型槽接触处安装有绝缘垫片，用来密封加热板与U型槽之间的空隙；所述试验段为模拟先进大功率压水堆CAP1400压力容器下封头一部分，采用1:14缩比下封头结构，其中半径采用1:5缩比，并且二维切片各弧段的加热板厚度依次增大。

2.根据权利要求1所述的一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其特征在于，所述加热板的两端分别设置正电极与负电极，用来调节不同厚度的加热板的热流密度的大小，加热系统固定在加热板两端的两个电极上，在加热板朝内的表面焊接测温线，用来测量加热段的内壁温度，在试验段的入口、出口和流道中分别布置与加热板的不同厚度相对应的热电偶，热电偶通过U型槽外表面插入到流道中，用来测量流道水温，所述加热板的加热方式采用交流电直接加热，通过加热板的不同厚度来实现各弧段不同的热流密度。

3.根据权利要求1所述一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其特征在于，所述系统回路包括上升管段、水箱、换热器和下降管段，所述水箱通过法兰与上升管段连接，水箱底部通过两条管道与换热器连接，水箱上面开有出气口，与外界空气接触，侧面开有进水口，与供水管路连接，在水箱进水口位置设置进口阀门，水箱出水口位置设置出口阀门，进口阀门和出口阀门用来调节流量的大小，与水箱底部相连接的所有管道均设有法兰段，通过添加或者减少这些通道法兰段处的管段可以改变水箱高度；在下降管段设有流量计，用来实时监控流量。

4.根据权利要求1所述一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其特征在于，所述辅助系统包括电源、数据采集及信号控制系统和电源控制系统，电源、电源控制系统和数据采集及信号控制系统依次相连，数据采集及信号控制系统与电源控制系统通过系统回路分别与试验段相连，所述数据采集及信号控制系统采用NI的采集系统，数据采集及信号控制系统的采集线分别连接到加热系统上布置的热电偶上。

5.一种基于权利要求1所述一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：让回路中充满水，确保回路密封性良好；

步骤2：控制主回路循环流量恒定，在功率和流量不变的情况下，先将冷却水的过冷度保持在一个低值；

步骤3：开启数据采集系统，观察各测点的温度变化，同时记录试验段压差的变化情况；

步骤4：增大冷却水的过冷度，观察数据变化，若观察到试验过程中某一点壁温突然增大，立即关闭电源，停止加热，防止烧毁加热段；

步骤5：在功率与流量恒定的情况下改变水箱高度，记录不同水箱高度下的水温、试验段压差的变化，同时可以使用高速摄像机观察气液两相流的变化；

步骤6：实验完成后，及时关闭电源，待温度冷却时，将回路中的水排出。