CN106981321A - 模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置及方法，该试验装置包括下部联箱、电加热棒、内六边形套管、圆形套管和上部膨胀箱、阻力棒；下部联箱在其侧面开孔作为试验装置液态金属钠的进口，连接试验段进口管；电热棒为单端头电加热棒，从试验装置底部穿入，依次穿过下部联箱、六边形套管；阻力棒与圆形套管构成出口钠腔室和出口阻力区；上部膨胀箱侧面开口作为试验装置液态金属钠的出口，连接试验段出口接管；本发明整体结构简单，便于实现，成本低廉，本发明能对钠冷快堆燃料组件热工水力特性进行合理有效的模拟，能够为钠冷快堆燃料组件热工水力特性的相关研究提供可靠地试验模拟装置。
Description
技术领域
本发明属于钠冷快堆燃料组件热工水力特性试验领域，具体涉及一种模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的实验装置及方法。
背景技术
钠冷快堆作为世界上第四代先进核能系统的首选堆型，它以液态金属钠作为冷却剂，因具有固有安全性、经济性好等许多优点而受到世界各国的广泛关注。在正常运行情况下，液态金属钠在堆芯内处于单相状态，由于液态金属钠良好的传热，载热流动特性是堆芯得到较好的冷却，保证钠冷快堆的安全稳定运行；在某些事故下，如额外反应性引入和排热能力恶化，局部故障蔓延等，燃料组件内的冷却剂温度上升，液态钠可能产生沸腾，由于钠沸腾的总效应是使反应性增加，它可能引起灾难性的后果，同时，和其它任何流体一样，液态钠沸腾也可以产生两相流动不稳定性，这些流动不稳定性对于快堆安全有很大的危害。因此，开展事故工况下液态金属钠在燃料组件内的热工水力特性研究，防止钠冷快堆在堆芯内出现钠沸腾现象。
本发明基于上述目的设计了一种模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置，其能够实现对钠冷快堆在事故工况下堆芯内的热工水力特性进行合理的模拟，从而揭示在事故工况下堆芯内的沸腾机理。
例如，中国专利申请号200810135238X，公开了一种钠冷快堆的燃料组件模拟件，该模拟件由头部、中部部分和尾部三部分组成。头部的操作头下端的内圆上安置节流孔板，在上过渡接头中设置上屏蔽棒；中间部分还包括过滤器。本发明提供的设计方案能够比较好的模拟液态金属钠在燃料组件内的流速和压降，但是无法模拟液态金属钠在燃料组件内的热工特性，导致对钠冷快堆堆芯内的热工特性研究欠缺，而且结构复杂，机械加工难度很大。
例如，中国专利201310202427.5，公开了一种钠冷快堆堆外组件实验段。该实验段包括用于放置组件的腔体，腔体的下部设有腔体入口管，腔体的上部设有腔体出口管，在腔体中还设有密封块或者带有实验段定位块的流致振动固定架。本发明主要集中于研究反应堆内组件与组件的相互作用，完成流致振动实验及结构稳定性实验的内容，属于组件级别的水力实验，没有进行单个组件内的热工水力实验，无法模拟一个组件棒束内出现沸腾时的热工水力特性。
发明说明
为了解决上述现有技术存在的缺点，提供了一种能够模拟钠冷快堆燃料组件内单相和两相热工水力特性的试验装置及方法，其能够对钠冷快堆在事故工况下燃料组件内出现钠沸腾的热工水力特性进行研究，为快堆的设计建造、运行以及事故工况下特殊措施的采取提供重要的理论依据。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置，包括下部联箱、电加热棒束、内六边形套管、圆形套管和上部膨胀箱、阻力棒；所述下部联箱由联箱底部盖板2、围筒4和上部盖板6构成，位于内六边形套管10内的电加热棒束8底端穿过下部联箱并利用卡套1固定在联箱底部盖板2上，在联箱底部盖板2上开有小口连接下部联箱残留钠的引钠管3，在围筒4靠上的位置开孔连接试验装置液态金属钠进口管线5；下部联箱与内六边形套管10在上部盖板6处通过焊接连接；在内六边形套管10上开多个孔分别用于连接测温装置7和测压装置9；电加热棒束8由多根电加热棒构成，在电加热棒束8顶端利用定位格架11与内六边形套管10进行固定，电加热棒束8的径向位置通过绕丝进行固定；内六边形套管10顶端与圆形套管12的底端通过焊接连接，圆形套管12与上部膨胀箱通过膨胀箱底板13进行焊接连接；上部膨胀箱由膨胀箱底板13、膨胀箱围筒14、膨胀箱端盖17组成，膨胀箱围筒14上开孔连接试验装置出口管线15，膨胀箱端盖17上开口分别连接液位探针18和测压装置19；阻力棒16上端位于上部膨胀箱内且下端插入圆形套管12部分长度构成钠腔室和出口阻力区。
所述下部联箱为截面为圆形。
所述电加热棒按照三角形布置构成电加热棒束8，电加热棒的数量为7根、19根、37根或61根，每根电加热棒端头留有通电引线和热电偶引线。
所述内六边形套管采用外圆内六边形的结构，其侧面开有测温孔和测压孔。
所述上部膨胀箱的横截面为圆形或者方形，在其顶部留有液位探针孔和测压孔。
所述阻力棒16采用一段两头封闭的钢管，其长度依据实际的需要选定，其一端固定在上部膨胀箱的膨胀箱端盖17，配合圆形套管12构成钠腔室和出口阻力区。
所述下部联箱、电加热棒束8、内六边形套管10、圆形套管12、上部膨胀箱和阻力棒16均采用耐高温材料，运行温度可以达到950℃。
所述耐高温材料为GH3625高温合金或因科洛伊800H。
所述模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置的试验方法，在进行单相热工试验时，保证试验装置液态金属钠进口管线5液态金属钠的温度在650℃以下，通过调节电加热棒束8的功率，保证液态金属钠在电加热棒束内处于单相状态，从而模拟了液态金属钠在钠冷快堆堆芯内的单相热工水力特性，此过程中的温度和压力由测温装置7和测压装置9进行测量；在进行两相热工试验时，保证试验装置液态金属钠进口管线5液态金属钠的温度在650～850℃，通过调节电加热棒束8的功率，保证液态金属钠在电加热棒束8内处于汽液两相状态，从而模拟了液态金属钠在钠冷快堆堆芯内的两相热工水力特性，此过程中的温度和压力由测温装置7和测压装置9进行测量。
和现有技术相比较，本发明具有以下的有益结果：
1、由于本发明实验装置为针对钠冷快堆燃料组件热工水力特性而发明的实验装置，能够合理、有效的模拟钠冷快堆燃料组件的结构，整体结构简单，容易加工，成本低廉。
2、由于本发明装置都是采用高温合金材料制造，运行温度范围为100～950℃，在650℃以下液态金属钠处于单相，本发明的试验装置可以模拟液态金属钠在堆芯内单相时的热工水力特性，在650～950之间通过改变系统压力可以实现液态金属钠在本发明装置内沸腾，可以模拟事故工况下堆芯内出现钠沸腾时两相的热工水力特性。
3、本发明的内六边形套管采用外圆内方结构，及保证了流道截面符合试验要求，有保证了在高温条件下试验的安全可靠。
4、在出口区设计钠腔室和阻力区，这与堆芯的实际组件结构相似，能更加准确的反映堆芯内的热工水力特性，减小与实际情况的偏差。
附件说明
图1为本发明试验装置整体结构示意图。
图2为本发明装置截面A‐A的示意图。
图3为本发明装置截面B‐B的示意图。
图4为本发明装置电加热棒的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明：
如图1所示，一种模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置，包括下部联箱、电加热棒束、内六边形套管、圆形套管和上部膨胀箱、阻力棒。下部联箱由联箱底部盖板2、围筒4和上部盖板6构成，电加热棒束8利用卡套1固定在联箱底部盖板2，在联箱底部盖板2上开一个小口连接下部联箱残留钠的引钠管3，在围筒4靠上的位置开孔连接试验装置液态金属钠进口管线5；下部联箱与内六边形套管10在上部盖板6处通过焊接连接；在内六边形套管10上开多个孔分别用于连接测温装置线7和测压装置9；电加热棒束由多根电加热棒8构成，在电加热棒8顶端利用定位格架11与内六边形套管10进行固定，电加热棒8的径向位置通过绕丝进行固定；内六边形套管10顶端与圆形套管12的底端通过焊接连接；圆形套管12与阻力棒16构成钠腔室和阻力区，圆形套管12与上部膨胀箱通过膨胀箱底板13进行焊接连接；上部膨胀箱由膨胀箱底板13、膨胀箱围筒14、膨胀箱端盖17组成，膨胀箱围筒14上开一个孔连接试验装置出口管线15，上盖板上开四个口分别连接液位探针16和测压装置19。
如图2所示，内六边形套管10内为电加热棒束8。内六边形套管10采取外圆内方的结构，电加热棒束由一根中间电加热棒棒8‐2和一定数量6、12、18或24的周围电加热棒8‐1按照一定的栅距比三角形排列，电加热棒束和内六边形套管10形成了能够模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的管束区。
如图3所示，由外而内依次是阻力棒16、圆形套管12。阻力棒16与圆形套管12构成典型的环形通道，模拟实际堆芯内上屏蔽棒之间形成的环形通道。
如图3所示，电加热棒束8由一根直的中间电加热棒8‐2和多根顶端弯曲的周围电加热棒8‐1构成，电加热棒径向依靠绕丝8‐3进行定位。
本发明装置的实验方法为：在进行单相热工试验时，保证试验装置液态金属钠进口管线5液态金属钠的温度在650℃以下，通过调节电加热棒束8的功率，保证液态金属钠在电加热棒束内处于单相状态，从而模拟了液态金属钠在钠冷快堆堆芯内的单相热工水力特性，此过程中的温度和压力由测温装置7和测压装置9进行测量；在进行两相热工试验时，保证试验装置液态金属钠进口管线5液态金属钠的温度在650～850℃，通过调节电加热棒束8的功率，保证液态金属钠在电加热棒束8内处于汽液两相状态，从而模拟了液态金属钠在钠冷快堆堆芯内的两相热工水力特性，此过程中的温度和压力由测温装置7和测压装置9进行测量。
以上内容仅用来说明本发明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本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 (9)
1.一种模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置，其特征在于：包括下部联箱、电加热棒束、内六边形套管、圆形套管和上部膨胀箱、阻力棒；所述下部联箱由联箱底部盖板(2)、围筒(4)和上部盖板(6)构成，位于内六边形套管(10)内的电加热棒束(8)底端穿过下部联箱并利用卡套(1)固定在联箱底部盖板(2)上，在联箱底部盖板(2)上开有小口连接下部联箱残留钠的引钠管(3)，在围筒(4)靠上的位置开孔连接试验装置液态金属钠进口管线(5)；下部联箱与内六边形套管(10)在上部盖板(6)处通过焊接连接；在内六边形套管(10)上开多个孔分别用于连接测温装置(7)和测压装置(9)；电加热棒束(8)由多根电加热棒构成，在电加热棒束(8)顶端利用定位格架(11)与内六边形套管(10)进行固定，电加热棒束(8)的径向位置通过绕丝进行固定；内六边形套管(10)顶端与圆形套管(12)的底端通过焊接连接，圆形套管(12)与上部膨胀箱通过膨胀箱底板(13)进行焊接连接；上部膨胀箱由膨胀箱底板(13)、膨胀箱围筒(14)、膨胀箱端盖(17)组成，膨胀箱围筒(14)上开孔连接试验装置出口管线(15)，膨胀箱端盖(17)上开口分别连接液位探针(18)和测压装置(19)；阻力棒(16)上端位于上部膨胀箱内且下端插入圆形套管(12)部分长度构成钠腔室和出口阻力区。
2.根据权利要求1所述的一种模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置，其特征在于，所述下部联箱为截面为圆形。
3.根据权利要求1所述的一种模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置，其特征在于，所述电加热棒按照三角形布置构成电加热棒束(8)，电加热棒的数量为7根、19根、37根或61根，每根电加热棒端头留有通电引线和热电偶引线。
4.根据权利要求1所述的一种模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置，其特征在于，内六边形套管采用外圆内六边形的结构，其侧面开有测温孔和测压孔。
5.根据权利要求1所述的一种模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置，其特征在于，所述上部膨胀箱的横截面为圆形或者方形，在其顶部留有液位探针孔和测压孔。
6.根据权利要求1所述的一种模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置，其特征在于，所述阻力棒(16)采用一段两头封闭的钢管，其长度依据实际的需要选定，其一端固定在上部膨胀箱的膨胀箱端盖(17)，配合圆形套管(12)构成钠腔室和出口阻力区。
7.根据权利要求1所述的一种模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置，其特征在于，所述下部联箱、电加热棒束(8)、内六边形套管(10)、圆形套管(12)、上部膨胀箱和阻力棒(16)均采用耐高温材料，运行温度可以达到950℃。
8.根据权利要求7所述的一种模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置，其特征在于，所述耐高温材料为GH3625高温合金或因科洛伊800H。
9.权利要求1至8任一项所述模拟钠冷快堆燃料组件热工水力特性的试验装置的试验方法，其特征在于：在进行单相热工试验时，保证试验装置液态金属钠进口管线(5)液态金属钠的温度在650℃以下，通过调节电加热棒束(8)的功率，保证液态金属钠在电加热棒束内处于单相状态，从而模拟了液态金属钠在钠冷快堆堆芯内的单相热工水力特性，此过程中的温度和压力由测温装置(7)和测压装置(9)进行测量；在进行两相热工试验时，保证试验装置液态金属钠进口管线(5)液态金属钠的温度在650～850℃，通过调节电加热棒束(8)的功率，保证液态金属钠在电加热棒束(8)内处于汽液两相状态，从而模拟了液态金属钠在钠冷快堆堆芯内的两相热工水力特性，此过程中的温度和压力由测温装置(7)和测压装置(9)进行测量。
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