CN107887042A - 一种燃料厂房氢气控制实验台架及燃料厂房氢气控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了燃料厂房氢气控制实验台架及燃料厂房氢气控制方法，其中，该燃料厂房氢气控制实验台架包括燃料厂房模拟体、燃料组件模拟体、注气系统、注水系统、喷淋系统、冷却回路和测量控制系统，燃料厂房模拟体具有上部房体和乏燃料池，上部房体中模拟分布有氦气、蒸汽及空气，注气系统具有供氦部件和蒸汽发生器。本发明提供的燃料厂房氢气控制实验台架和燃料厂房氢气控制方法，其利用小比例实验平台，对部分失水和全部失水的核电站严重事故工况下燃料厂房内氢气分布特性进行实验研究，获取关键实验数据，更好地实现控制氢气风险。

Description

一种燃料厂房氢气控制实验台架及燃料厂房氢气控制方法

技术领域

本发明属于核电站燃料厂房氢气控制技术的领域，更具体地说，是涉及一种燃料厂房氢气控制实验台架及燃料厂房氢气控制方法。

背景技术

2011年3月日本福岛核电厂发生长期全厂断电严重事故。在事故过程中，应急堆芯冷却、余热排出系统等能动安全设施停止工作；堆芯隔离冷却、高压安注系统等非能动安全设施在设计工作时限内断断续续工作，堆芯冷却效果不明显。非能动安全设施停止工作后6～7个小时内，电厂人员没有采取任何措施冷却堆芯。此后电厂人员恢复一回路注水功能，但为时已晚，错过了事故管理和预防严重事故的良机。严重事故发生后，锆燃料包壳升温，与水反应产生大量氢气；氢气燃爆破坏了安全壳和燃料厂房，大量放射性物质泄漏到电厂周围环境，对社会、环境产生巨大破坏。

日本福岛核电厂事故发展及处理过程中暴露了出东京电力公司在核电厂严重事故下氢气风险控制方面存在缺陷，缺乏消除氢气风险的硬件设施，导致氢气多次燃爆破坏了安全壳以及燃料厂房，威胁了放射性释放屏障的完整性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料厂房氢气控制实验台架，旨在解决现有核电厂严重事故下在氢气风险控制方面存在缺陷的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种燃料厂房氢气控制实验台架，包括：

燃料厂房模拟体，具有上部房体和连通于所述上部房体下侧的乏燃料池，所述上部房体中模拟分布有氦气、蒸汽及空气；

燃料组件模拟体，设于所述乏燃料池中，用于模拟产生衰变热；

注气系统，具有分别与所述乏燃料池连通的供氦部件和蒸汽发生器，所述蒸汽发生器用于朝所述乏燃料池注入蒸汽，所述供氦部件用于产生氦气以模拟替代氢气并朝所述乏燃料池注入氦气；

注水系统，与所述乏燃料池连通，用于朝所述乏燃料池注水；

喷淋系统，与所述上部房体的顶部连通，用于朝所述燃料组件模拟体喷淋水分，以使所述上部房体产生局部温度梯度和压力梯度，增强所述上部房体中气体的混合和对流，破坏氦气富集层，避免氦气在所述上部房体内积聚到局部较高浓度；

冷却回路，用于对所述乏燃料池的池水进行冷却；

以及测量控制系统，用于测量所述上部房体内的氦气浓度、气体温度、气体压力和气流速度，测量所述乏燃料池的水温和水池液位，测量所述燃料组件模拟体的表面温度和加热功率，测量所述冷却回路的水温、水流量和管道压力，测量所述喷淋系统的水温、水流量和喷淋压力。

本发明提供的燃料厂房氢气控制实验台架的有益效果在于：与现有技术相比，由于该燃料厂房氢气控制实验台架采用了燃料厂房模拟体、燃料组件模拟体、注气系统、注水系统、喷淋系统、冷却回路和测量控制系统，其进行实验操作时，首先，使注水系统朝乏燃料池注水；使燃料组件模拟体模拟产生衰变热；使蒸汽发生器朝乏燃料池注入蒸汽，使供氦部件产生氦气以模拟替代氢气并朝乏燃料池注入氦气；使上部房体中模拟分布有氦气、蒸汽及空气；使冷却回路对乏燃料池的池水进行冷却；其次，通过测量控制系统测量和记录以下物理参数：测量和记录上部房体内的氦气浓度、气体温度、气体压力和气流速度，测量和记录乏燃料池的水温和水池液位，测量和记录燃料组件模拟体的表面温度和加热功率，测量和记录冷却回路的水温、水流量和管道压力，测量和记录喷淋系统的水温、水流量和喷淋压力；接着，结合上述物理参数的调整，再使喷淋系统朝燃料组件模拟体喷淋水分，以使上部房体产生局部温度梯度和压力梯度，增强上部房体中气体的混合和对流，破坏氦气富集层，避免氦气在上部房体内积聚到局部较高浓度，从而达到在核电厂严重事故下对氢气的风险进行控制。然后，进行数据处理，多次进行台架试验，获得多组试验数据，以确定试验数据有效性，进行数据保存。最后，进行误差分析与消除，查找误差所在，并对误差进行消除、补偿或修正，以确保更加准确地控制核电厂严重事故下氢气风险，从而避免由于氢气多次燃爆而破坏了安全壳及燃料厂房、威胁放射性释放屏障的情况发生。

本发明还提供了一种燃料厂房氢气控制方法，其包括以下步骤：

搭建燃料厂房氢气控制实验台架：设置燃料厂房模拟体、燃料组件模拟体、注气系统、注水系统、喷淋系统、冷却回路及测量控制系统，其中，使所述燃料厂房模拟体具有上部房体和连通于所述上部房体下侧的乏燃料池；使所述燃料组件模拟体设于所述乏燃料池中；使所述注气系统具有分别与所述乏燃料池连通的供氦部件和蒸汽发生器；使所述注水系统与所述乏燃料池连通；使所述喷淋系统与所述上部房体的顶部连通；

台架试验：使所述注水系统朝所述乏燃料池注水；使所述燃料组件模拟体模拟产生衰变热；使所述蒸汽发生器朝所述乏燃料池注入蒸汽，使所述供氦部件产生氦气以模拟替代氢气并朝所述乏燃料池注入氦气；使所述上部房体中模拟分布有氦气、蒸汽及空气；使所述冷却回路对所述乏燃料池的池水进行冷却；使所述喷淋系统朝所述燃料组件模拟体喷淋水分，以使所述上部房体产生局部温度梯度和压力梯度，增强所述上部房体中气体的混合和对流，破坏氦气富集层，避免氦气在所述上部房体内积聚到局部较高浓度；

数据采集：通过所述测量控制系统测量和记录以下物理参数：测量和记录所述上部房体内的氦气浓度、气体温度、气体压力和气流速度，测量和记录所述乏燃料池的水温和水池液位，测量和记录所述燃料组件模拟体的表面温度和加热功率，测量和记录所述冷却回路的水温、水流量和管道压力，测量和记录所述喷淋系统的水温、水流量和喷淋压力；

数据处理：多次进行所述台架试验，获得多组试验数据，以确定试验数据有效性，进行数据保存；

误差分析与消除：查找误差所在，并对误差进行消除、补偿或修正。

本发明提供的燃料厂房氢气控制方法的有益效果：

本实施例提供的燃料厂房氢气控制方法其是基于燃料厂房氢气控制实验台架上进行的，具体地，进行实验操作时，首先，使注水系统朝乏燃料池注水；使燃料组件模拟体模拟产生衰变热；使蒸汽发生器朝乏燃料池注入蒸汽，使供氦部件产生氦气以模拟替代氢气并朝乏燃料池注入氦气；使上部房体中模拟分布有氦气、蒸汽及空气；使冷却回路对乏燃料池的池水进行冷却；其次，通过测量控制系统测量和记录以下物理参数：测量和记录上部房体内的氦气浓度、气体温度、气体压力和气流速度，测量和记录乏燃料池的水温和水池液位，测量和记录燃料组件模拟体的表面温度和加热功率，测量和记录冷却回路的水温、水流量和管道压力，测量和记录喷淋系统的水温、水流量和喷淋压力；接着，结合上述物理参数的调整，再使喷淋系统朝燃料组件模拟体喷淋水分，以使上部房体产生局部温度梯度和压力梯度，增强上部房体中气体的混合和对流，破坏氦气富集层，避免氦气在上部房体内积聚到局部较高浓度，从而达到在核电厂严重事故下对氢气的风险进行控制。然后，进行数据处理，多次进行台架试验，获得多组试验数据，以确定试验数据有效性，进行数据保存。最后，进行误差分析与消除，查找误差所在，并对误差进行消除、补偿或修正，以确保更加准确地控制核电厂严重事故下氢气风险，从而避免由于氢气多次燃爆而破坏了安全壳及燃料厂房、威胁放射性释放屏障的情况发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的燃料厂房氢气控制实验台架的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的燃料厂房氢气控制实验台架的燃料厂房模拟体的主视图；

图3为本发明实施例提供的燃料厂房氢气控制实验台架的燃料厂房模拟体的侧视图；

图4为本发明实施例提供的燃料厂房氢气控制实验台架的燃料厂房模拟体的俯视图；

图5为本发明实施例提供的燃料厂房氢气控制实验台架的燃料组件模拟体的俯视图；

图6为本发明实施例提供的燃料厂房氢气控制实验台架的上部房体的主视图；

图7为本发明实施例提供的燃料厂房氢气控制实验台架的上部房体的侧视图；

图8为本发明实施例提供的燃料厂房氢气控制实验台架的上部房体的俯视图；

图9为本发明实施例提供的燃料厂房氢气控制实验台架的上部房体的温度和压力测点分布图。

其中，图中各附图标记：

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明提供了一种燃料厂房氢气控制实验台架10和燃料厂房氢气控制方法，其利用小比例实验平台，对部分失水和全部失水的核电站严重事故工况下燃料厂房内氢气分布特性进行实验研究，获取关键实验数据，更好地实现控制氢气风险。

请一并参阅图1至图5，现对本发明提供的燃料厂房氢气控制实验台架10进行说明。具体地，该燃料厂房氢气控制实验台架10包括：

燃料厂房模拟体11，具有上部房体111和连通于上部房体111下侧的乏燃料池112，上部房体111中模拟分布有氦气、蒸汽及空气；

燃料组件模拟体21，设于乏燃料池112中，用于模拟产生衰变热；

注气系统12，具有分别与乏燃料池112连通的供氦部件121和蒸汽发生器122，供氦部件121用于产生氦气以模拟替代氢气并朝乏燃料池112注入氦气，蒸汽发生器122用于朝乏燃料池112注入蒸汽；

注水系统13，与乏燃料池112连通，用于朝乏燃料池112注水；

喷淋系统14，与上部房体111的顶部连通，用于朝燃料组件模拟体21喷淋水分，以使上部房体111产生局部温度梯度和压力梯度，增强上部房体111中气体的混合和对流，破坏氦气富集层，避免氦气在上部房体111内积聚到局部较高浓度；

冷却回路15，用于对乏燃料池112的池水进行冷却；

以及测量控制系统16，用于测量上部房体111内的氦气浓度、气体温度、气体压力和气流速度，测量乏燃料池112的水温和水池液位，测量燃料组件模拟体21的表面温度和加热功率，测量冷却回路15的水温、水流量和管道压力，测量喷淋系统14的水温、水流量和喷淋压力。

请一并参阅图1至图5，由于该燃料厂房氢气控制实验台架10采用了燃料厂房模拟体11、燃料组件模拟体21、注气系统12、注水系统13、喷淋系统14、冷却回路15和测量控制系统16，其进行实验操作时，首先，使注水系统13朝乏燃料池112注水；使燃料组件模拟体21模拟产生衰变热；使蒸汽发生器122朝乏燃料池112注入蒸汽，使供氦部件121产生氦气以模拟替代氢气并朝乏燃料池112注入氦气；使上部房体111中模拟分布有氦气、蒸汽及空气；使冷却回路15对乏燃料池112的池水进行冷却；其次，通过测量控制系统16测量和记录以下物理参数：测量和记录上部房体111内的氦气浓度、气体温度、气体压力和气流速度，测量和记录乏燃料池112的水温和水池液位，测量和记录燃料组件模拟体21的表面温度和加热功率，测量和记录冷却回路15的水温、水流量和管道压力，测量和记录喷淋系统14的水温、水流量和喷淋压力；接着，结合上述物理参数的调整，再使喷淋系统14朝燃料组件模拟体21喷淋水分，以使上部房体111产生局部温度梯度和压力梯度，增强上部房体111中气体的混合和对流，破坏氦气富集层，避免氦气在上部房体111内积聚到局部较高浓度，从而达到在核电厂严重事故下对氢气的风险进行控制。然后，进行数据处理，多次进行台架试验，获得多组试验数据，以确定试验数据有效性，进行数据保存。最后，进行误差分析与消除，查找误差所在，并对误差进行消除、补偿或修正，以确保更加准确地控制核电厂严重事故下氢气风险，从而避免由于氢气多次燃爆而破坏了安全壳及燃料厂房、威胁放射性释放屏障的情况发生。

需要补充说明的是，如图1所示，上述燃料厂房氢气控制实验台架10与核电站实际燃料厂房的长度比例为1:8，燃料厂房模拟体11的整体结构和几何形状与实际燃料厂房保持一致。其中，考虑到氦气与氢气的物理性质相近，且氢气具有较大的燃爆风险，实验以氦气来模拟氢气。具体地，乏燃料池112内的乏燃料包壳与水反应产生氢气的最大速率范围约为0.5kg/s～2.5kg/s，按照体积比例进行缩减，同时考虑到氦气密度是氢气密度的2倍左右，拟注入的氦气流量范围为2g/s～10g/s。乏燃料池112内由乏燃料衰变热加热产生的水蒸汽的最大速率范围约为4.5kg/s～45kg/s，按照体积比例进行缩减，拟注入的水蒸汽流量范围为9g/s～90g/s。此外，为了在往乏燃料池112中注入气体时，能够控制流量恒定，供氦部件121和蒸汽发生器122采用音速喷嘴144。音速喷嘴144实质上是一段拉伐尔喷管，当出口背压与气体总压之比在某一特定范围内时，喷管喉部达到音速并不随背压变化而改变。气体音速在特定温度下为恒定值，喷管喉部面积也不变，因而此时喷嘴144流量恒定。改变喷嘴144喉部面积可以得到不同的流量。

此外，如图1所示，上述燃料厂房氢气控制实验台架10还将设计楼梯和护栏，以方便实验人员进行各类操作，同时也使台架更加美观，各部件摆放更集中。

此外，上部房体111的顶部和底部分别设有气体对流窗口，喷淋系统14和通风对上部房体111内的氢气分布有一定的影响。

如图1所示，为了便于给喷淋系统14和注水系统13供给水分，该燃料厂房氢气控制实验台架10还包括储水箱17和储水管路171，储水管路171依序连通有过滤器18和用于开启或关闭储水管路171的给水阀19，喷淋系统14和注水系统13分别与给水阀19连通。这样，实验时，由储水箱17向乏燃料池112注水，水位根据实验工况选择。实验中需对乏燃料池112的液位进行监测，主要出于两方面的考虑：一是为注水时提供水池中水量及剩余容积信息，避免溢流导致厂房内积水；二是由于乏燃料池112的液位与事故严重程度密切相关，是重要的实验参数。考虑到乏燃料池112内部布满燃料组件模拟体21，空间较小，选用体积很小的投入式静压液位计进行测量。其原理是根据浸没深度与静压的比例关系，由压力传感器将压力信号转换成电信号输出，输出信号与水位呈现良好的线性关系。

如图1所示，为了便于注水系统13给乏燃料池112供水，具体地，注水系统13包括与给水阀19连通的注水管路131，注水管路131上依序连通有用于驱动注水管路131中水流的给水泵132和用于开启或关闭注水管路131的注水阀133，乏燃料池112设有注水口，注水阀133与注水口连通。其中，考虑到燃料组件模拟体21得到高度和底部的间隙高度，要完全淹没燃料组件模拟体21的水位需达到0.6m，再考虑燃料组件模拟体21的本身所占体积，所需水的体积约为0.4m3。如给水流量为25m3/h，可在1min内注水至淹没水位。

为了便于乏燃料池112排水，乏燃料池112的底部设有排水口，排水口连通有排水通道20。

如图1和图2所示，实际燃料厂房中并未设计相关的严重事故缓解设施，而本燃料厂房氢气控制实验台架10在乏燃料池112的上方设置了喷淋系统14，具体地，上部房体111上设有喷淋接口，喷淋系统14包括与给水阀19连通的喷淋管路141，喷淋管路141上依序连通有用于驱使喷淋管路141中喷水流动的增压泵142、用于开启或关闭喷淋管路141的喷淋阀143和贯穿喷淋接口而置于上部房体111内的喷嘴144，测量控制系统16包括设于喷淋管路141上且用于计量喷淋管路141中的水流量的喷淋流量计145。其中，喷嘴144采用实心锥形，其冲击力适中、覆盖范围广，适宜于降温冷却。喷淋流量计145的流量范围预计为50cm3/s～200cm3/s，使用DN15电磁流量计测量，其有效测量流速范围为0.15m/s～15m/s，对应量程为26.5cm3/s～2650cm3/s，精度约为0.5％。流量计均要求4mA～20mA直流信号输出。

如图1和图2所示，为了便于调节喷淋系统14对燃料组件模拟体21的表面的喷淋流量，细化地，喷嘴144的数量设为四个，其中两个喷嘴144之间形成10度～20度的夹角，该两喷嘴144的喷射液雾所覆盖的范围直径为0.8m～1m；另外两个喷嘴144之间形成25度～35度的夹角，该两喷嘴144的喷射液雾所覆盖的范围直径为1.2m～1.4m。优选地，其中两个喷嘴144设于乏燃料池112的正上方，且该两个喷嘴144之间形成15度的夹角，该两喷嘴144的喷射液雾到达燃料组件模拟体21的顶部时所覆盖的范围直径为0.9m；另外两个喷嘴144设于乏燃料池112的上方，且该两个喷嘴144之间形成30度的夹角，该两喷嘴144的喷射液雾到达燃料组件模拟体21的顶部时所覆盖的范围直径为1.3m.

为了进一步便于调节喷淋系统14对燃料组件模拟体21的表面的喷淋流量，各喷嘴144的喷孔直径相同且直径为1.5mm～1.7mm，喷嘴144在1bar压力下的流量为1.5L/min～1.7L/min。

细化地，喷嘴144设于乏燃料池112的上方，且距离厂房地面为2.2m～2.6m，距离燃料组件模拟体21的表面为3.2m～3.6m。优选地，喷嘴144距离厂房地面为2.4m，距离燃料组件模拟体21的表面为3.4m。

此外，上部房体111上开设有可开闭的逃生窗口114和方便实验人员进行放置燃料组件模拟体21及进行测量工作的操作门。

如图1和图2所示，这样，通过开闭逃生窗口114，将使得燃料厂房模拟体11内的气体环境为开式和闭式两种情况。对于开式工况，气体将通过实验台架上方的排气通道113将气体排出，整个实验过程中气体压力均在0.1MPa(标准大气压)左右；对于闭式工况，气体将会在燃料厂房模拟体11内不断的聚集，实验过程中气体压力将不断上升，系统设计压力为0.4MPa。设计两个逃生窗口114，上下部的逃生窗口114将促进燃料厂房模拟体11内外部的气体交换和传热。

由于燃料厂房模拟体11的墙壁较厚，热阻比较大，而操作门的面积约占外壁总面积的8.5％，可能对传热造成影响，因此，操作门的外表面上覆盖有用于使操作门的热阻与上部房体111的墙体热阻相当的岩棉。对于墙体、操作门和岩棉的热阻的选择，如果仅考虑操作门本身的热阻及岩棉纤维本身的热阻，不考虑两者之间的接触热阻，有以下选择公式：

其中，下标w、d和rw分别表示墙体、操作门和岩棉。墙体的热导率λw约为1W/(m K)，厚度dw为20cm；操作门的热导率λd约为15W/(m K)，厚度约为0.5cm；岩棉的热导率λrw约为0.04W/(m K)，则计算得到所需厚度drw约为0.8cm。

此外，由于乏燃料池112的底部设置有排水通道20，不能用于承重，可在燃料厂房模拟体11的底部四角设计支撑柱来承重。具体地，上部房体111的底部与乏燃料池112的相连处需承担乏燃料池112的墙体及池内储水和燃料组件模拟体21的重量，可考虑增加厚度或增添钢筋等措施提高强度。

如图1、图2和图5所示，由于乏燃料池112中的燃料组件模拟体21衰变热将对燃料厂房模拟体11内的氢气分布造成影响，因而可使用电加热模拟衰变热。具体地，燃料组件模拟体21包括长期卸料组件211和新卸料组件212，长期卸料组件211由4×5根长期加热棒组成，每根长期加热棒的功率为0.4～0.5KW，新卸料组件212由4×1根新加热棒组成，每根新加热棒的功率为4～5KW。

优选地，对于长期卸料组件211，每根加热棒截面的长度按8根组件的长度考虑，即为214.4mm，截面宽度按7根组件的长度考虑，即为187.6mm，共设计4×5根加热棒，布置时相邻两根加热棒间距为25mm，每根加热棒的功率为0.4W。对于新卸料的组件，每根加热棒截面的长度和宽度均按6根组件的长度考虑，即为160.8mm，共设计4×1根加热棒，布置时相邻两根加热棒间距为75mm，其与长期卸料组件211的距离也为75mm，每根加热棒的功率为4kW。这样燃料组件模拟体21的总功率为24kW，略高于23.2kW。实际加工时，考虑到可扩展性，新卸料组件212和长期卸料组件211额定功率为5kW和0.5kW，能产生的最大热负荷为30kW，高于工作值。

如图1和图5所示，为了更好地便于冷却回路15对乏燃料池112进行冷却，具体地，乏燃料池112设有冷却进水口和冷却出水口，冷却回路15包括用于朝乏燃料池112供给冷却水并接收经热交换后的池水的热交换器151和与热交换器151连通且往热交换器151输送冷却水的冷却塔152，热交换器151通过冷却进水管153与冷却进水口连通，热交换器151通过冷却出水管154与冷却出水口连通，冷却进水管153上设有用于驱动冷却水的冷却泵155和用于开启或关闭冷却进水管153的冷却阀156，测量控制系统16包括设于冷却出水管154上且用于计量经热交换后的池水流量的冷却流量计157。这样，乏燃料池112的池水通过热交换器151进行冷却，而冷却水由冷却塔152提供，冷却功率根据实验工况进行调节。其中，冷却流量计157的流量范围预计为1m3/h～6m3/h，使用DN40涡轮流量计进行测量，测量范围为1m3/h～20m3/h，精度约为1％。

其中，热交换器151可选用壳管式或板式，比较而言，板式热交换器151具有换热系数大、占地小、成本低、易清洗、易扩容等优点，但其承受压力和温度通常在1.6MPa和150℃以内。对于本实验，一二次侧介质压力温度均较低，因而选用板式热交换器151。板式热交换器151的冷却能力至少需达到最大热负荷30kW，保守假设其两侧进出口温差均为5℃，则两侧水流量应为5.14m3/h，考虑一定裕量，两侧设计流量均为6m3/h。

如图1和图5所示，细化地，为了便于冷却塔152给热交换器151供给冷却水，具体地，冷却塔152通过回路管道158与热交换器151连通，回路管道158上设有用于驱动冷却水的回路泵159和用于开启或关闭回路管道158的回路阀160。

为了便于往上部房体111中供给氦气，具体地，供氦部件121通过供氦管路与乏燃料池112连通，供氦管路上设有用于调节氦气流量的流量调节阀123和加热氦气的加热装置124，测量控制系统16包括设于供氦管路上且用于计量供氦管路的氦气流量的氦气流量计125。其中，供氦部件121为氦气瓶。具体地，氦气由高纯度(99.99％)氦气瓶提供，经由乏燃料池112底部注入。此外，蒸汽主要由蒸汽发生器122产生，实验时先于氦气注入，以使上部房体111内得到蒸汽/空气环境。而在注入氦气，且气体分层建立后，还将继续进行注入蒸汽，此时，研究蒸汽对气体分层的破坏情况。

如图1和图5所示，为了便于测量上部房体111中氦气的浓度，测量控制系统16包括用于测量上部房体111内的氦气浓度的质谱仪161，质谱仪161通过取样管路1611与乏燃料池112连通。其中，氦气浓度为本实验最关心的物理量，是描述气体分布的主要依据。采用质谱仪161的特点是敏感性好、且精度较高，在实验条件下，测量得到的浓度其误差在0.5％以内。使用质谱仪161测量气体浓度的一个难点和重点是水蒸汽浓度的标定，其原理是在较低压力下，温度体积固定时气体分子数量和压力成正比。具体地，首先向一个密封的腔体中注入一定量的单一气体，维持腔体的温度恒定，测量其压力。再向该腔体中再注入另外一种气体，保证腔体温度不变，再测量压力。可以算出腔体中两种气体的体积分数，以此来标定。其中，燃料厂房台架模拟体需要关注浓度测点的位置有：乏燃料池112的壁面4个测点，乏燃料池112与上部房体111的交界位置7个测点(与乏燃料池112的底部距离为1.56m)，以及上部房体111上的64个测点(在4个高度上布置各16个测点)，共计75个浓度测点。

细化地，测量控制系统16包括多个分别用于测量上部房体111内的气体温度、测量乏燃料池112的水温、测量燃料组件模拟体21的表面温度、测量冷却回路15的水温和测量喷淋系统14的水温的温度传感器。其中，温度传感器采用铂电阻传感器，铂电阻具有精度高、线性性好、稳定性好、无需补偿等优点，尤其适合中低温测量，因而主要使用铂电阻进行测温。具体地，乏燃料池112中共设有4个测点，位于乏燃料池112的底部位于矩形平面的四个顶点附近。为避免燃料组件模拟体21过热，需实时监测其表面温度，即测量每一组新卸料组件212和长期卸料组件211的表面温度；具体可利用贴片式铂电阻进行测量，测点位于新卸料组件212或长期卸料组件211的侧面最上端，因为此处最先裸露。喷淋系统14的水温和冷却回路15的水温使用插入式铂电阻测量，喷淋系统14共设1个测点，该测点位于喷嘴144的上游不远处；冷却回路15共设2个测点，分别位于乏燃料池112向一次侧的进出口附近。燃料厂房模拟体11内的气体温度测点均匀分布，间距为0.4m，则在长、宽、高三个方向的测点数量分别设为8、3、5个。此外在上部房体111的8个角落分别设置温度探头。

细化地，如图1和图5所示，测量控制系统16包括多个分别用于测量上部房体111内的气体压力、测量冷却回路15的管道压力、测量喷淋系统14的喷淋压力和乏燃料池112的水池液位的压力传感器。具体地，压力传感器为螺纹连接压力传感器，量程和精度分别为0～0.6MPa和1％。喷淋压力设置1个测点，该测点位于喷嘴144的上游附近，而冷却回路15设置2个测点，分别位于热换热器的一二次侧进口附近。燃料厂房模拟体11的气体压力测点分布为上部房体111的8个角落和乏燃料池112顶部的4个角落位置，共需12个探头。

如图1和图5所示，细化地，测量控制系统16还包括设于上部房体111的顶部且用于测量上部房体111内的气流速度的粒子成像测速系统22。该粒子成像测速系统22的原理是：在流场中撒播示踪粒子(空气中使用空心玻璃微珠或者液体小颗粒烟雾，水中使用密度接近水的空心玻璃微珠)跟随流体运动，利用片光照明流场，使用数字相机拍摄流场照片，将前后两帧粒子图像进行互相关计算得到速度分布，进而得到涡量和流线等流场信息。当前后两帧图像时间间隔非常小且示踪粒子跟随性很好时，可以认为粒子运动与流体运动同步，测量误差非常小。若所测量的速度在10m/s以下，测量精度在0.1％以内。粒子成像测速系统22属于光学非接触式测量，需要激光和摄像两部分，激光方向与摄像方向成90°夹角。于上部房体111得到墙壁设置玻璃视窗115，四个竖壁面均有分布；设于两侧面的玻璃视窗115用于相机拍摄，设于两端的玻璃视窗115用于激光照明。测量区域主要为乏燃料池112上方的喷淋范围内以及靠近壁面的区域。乏燃料池112的中心上方设置三个玻璃视窗115，将墙面沿高度方向四等分拍摄视窗与照明视窗等高。视窗采用石英玻璃，具有较好的强度和透明度，厚度不超过10mm。

如图1至图5所示，本实施例还提供了一种燃料厂房氢气控制方法，其包括以下步骤：

搭建燃料厂房氢气控制实验台架10：设置燃料厂房模拟体11、燃料组件模拟体21、注气系统12、注水系统13、喷淋系统14、冷却回路15及测量控制系统16，其中，使燃料厂房模拟体11具有上部房体111和连通于上部房体111下侧的乏燃料池112；使燃料组件模拟体21设于乏燃料池112中；使注气系统12具有分别与乏燃料池112连通的供氦部件121和蒸汽发生器122；使注水系统13与乏燃料池112连通；使喷淋系统14与上部房体111的顶部连通；

台架试验：使上部房体111中模拟分布有氦气、蒸汽及空气；使燃料组件模拟体21模拟产生衰变热；使注水系统13朝乏燃料池112注水；使冷却回路15对乏燃料池112的池水进行冷却；使供氦部件121产生氦气以模拟替代氢气并朝乏燃料池112注入氦气，使蒸汽发生器122朝乏燃料池112注入蒸汽；使喷淋系统14朝燃料组件模拟体21喷淋水分，以使上部房体111产生局部温度梯度和压力梯度，增强上部房体111中气体的混合和对流，破坏氦气富集层，避免氦气在上部房体111内积聚到局部较高浓度；

数据采集：通过测量控制系统16测量和记录以下物理参数：测量和记录上部房体111内的氦气浓度、气体温度、气体压力和气流速度，测量和记录乏燃料池112的水温和水池液位，测量和记录燃料组件模拟体21的表面温度和加热功率，测量和记录冷却回路15的水温、水流量和管道压力，测量和记录喷淋系统14的水温、水流量和喷淋压力；

数据处理：多次进行台架试验，获得多组试验数据，以确定试验数据有效性，进行数据保存；

误差分析与消除：查找误差所在，并对误差进行消除、补偿或修正。

本实施例提供的燃料厂房氢气控制方法其是基于燃料厂房氢气控制实验台架10上进行的，具体地，进行实验操作时，首先，使注水系统13朝乏燃料池112注水；使燃料组件模拟体21模拟产生衰变热；使蒸汽发生器122朝乏燃料池112注入蒸汽，使供氦部件121产生氦气以模拟替代氢气并朝乏燃料池112注入氦气；使上部房体111中模拟分布有氦气、蒸汽及空气；使冷却回路15对乏燃料池112的池水进行冷却；其次，通过测量控制系统16测量和记录以下物理参数：测量和记录上部房体111内的氦气浓度、气体温度、气体压力和气流速度，测量和记录乏燃料池112的水温和水池液位，测量和记录燃料组件模拟体21的表面温度和加热功率，测量和记录冷却回路15的水温、水流量和管道压力，测量和记录喷淋系统14的水温、水流量和喷淋压力；接着，结合上述物理参数的调整，再使喷淋系统14朝燃料组件模拟体21喷淋水分，以使上部房体111产生局部温度梯度和压力梯度，增强上部房体111中气体的混合和对流，破坏氦气富集层，避免氦气在上部房体111内积聚到局部较高浓度，从而达到在核电厂严重事故下对氢气的风险进行控制。然后，进行数据处理，多次进行台架试验，获得多组试验数据，以确定试验数据有效性，进行数据保存。最后，进行误差分析与消除，查找误差所在，并对误差进行消除、补偿或修正，以确保更加准确地控制核电厂严重事故下氢气风险，从而避免由于氢气多次燃爆而破坏了安全壳及燃料厂房、威胁放射性释放屏障的情况发生。

细化地，误差分析与消除的步骤中，并对误差进行消除、补偿或修正的步骤具体包括：

消除系统误差：测量前，仔细检查仪表是否正确调整和安装，防止仪表受到外界干扰，选好观测位置消除视差，选择环境条件稳定时读数；

补偿措施：找出系统误差的规律，自动补偿系统误差；

修正：根据已知的恒值系统误差，采用修正值对测量结果进行修正。

此外，在数据处理的步骤中，对于多次进行台架试验，获得多组试验数据，以确定试验数据有效性的步骤具体为：同类实验均要进行两次及以上，每次实验均要保证相同的实验条件，如果两次获得的实验数据偏差在2％以上(对于波动较大的物理量，此标准适当放宽)，则需继续在相同的实验条件下进行实验，直至实验数据达到稳定为止。而数据保存的具体步骤为：数据处理完毕后，填写实验原始数据记录表和状态记录表，作为后续进一步分析和处理的依据，同时对原始数据进行电子和纸质备份处理，每份原始数据保存时应注明日期、实验项目、责任人等信息，以方便存档和查询。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，包括：

燃料厂房模拟体，具有上部房体和连通于所述上部房体下侧的乏燃料池，所述上部房体中模拟分布有氦气、蒸汽及空气；

燃料组件模拟体，设于所述乏燃料池中，用于模拟产生衰变热；

注气系统，具有分别与所述乏燃料池连通的供氦部件和蒸汽发生器，所述蒸汽发生器用于朝所述乏燃料池注入蒸汽，所述供氦部件用于产生氦气以模拟替代氢气并朝所述乏燃料池注入氦气；

注水系统，与所述乏燃料池连通，用于朝所述乏燃料池注水；

喷淋系统，与所述上部房体的顶部连通，用于朝所述燃料组件模拟体喷淋水分，以使所述上部房体产生局部温度梯度和压力梯度，增强所述上部房体中气体的混合和对流，破坏氦气富集层，避免氦气在所述上部房体内积聚到局部较高浓度；

冷却回路，用于对所述乏燃料池的池水进行冷却；

以及测量控制系统，用于测量所述上部房体内的氦气浓度、气体温度、气体压力和气流速度，测量所述乏燃料池的水温和水池液位，测量所述燃料组件模拟体的表面温度和加热功率，测量所述冷却回路的水温、水流量和管道压力，测量所述喷淋系统的水温、水流量和喷淋压力。

2.如权利要求1所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，还包括储水箱和储水管路，所述储水管路依序连通有过滤器和用于开启或关闭所述储水管路的给水阀，所述喷淋系统和所述注水系统分别与所述给水阀连通。

3.如权利要求2所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述注水系统包括与所述给水阀连通的注水管路，所述注水管路上依序连通有用于驱动所述注水管路中水流的给水泵和用于开启或关闭所述注水管路的注水阀，所述乏燃料池设有注水口，所述注水阀与所述注水口连通。

4.如权利要求2所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述乏燃料池的底部设有排水口，所述排水口连通有排水通道。

5.如权利要求2～4任一项所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述上部房体上设有喷淋接口，所述喷淋系统包括与所述给水阀连通的喷淋管路，所述喷淋管路上依序连通有用于驱使所述喷淋管路中喷水流动的增压泵、用于开启或关闭所述喷淋管路的喷淋阀和贯穿所述喷淋接口而置于所述上部房体内的喷嘴，所述测量控制系统包括设于所述喷淋管路上且用于计量所述喷淋管路中的水流量的喷淋流量计。

6.如权利要求5所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述喷嘴的数量设为四个，其中两个所述喷嘴之间形成10度～20度的夹角，该两所述喷嘴的喷射液雾所覆盖的范围直径为0.8m～1m；另外两个所述喷嘴之间形成25度～35度的夹角，该两所述喷嘴的喷射液雾所覆盖的范围直径为1.2m～1.4m。

7.如权利要求6所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，各所述喷嘴的喷孔直径相同且直径为1.5mm～1.7mm，所述喷嘴在1bar压力下的流量为1.5L/min～1.7L/min。

8.如权利要求6所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述喷嘴设于所述乏燃料池的上方，且距离厂房地面为2.2m～2.6m，距离所述燃料组件模拟体的表面为3.2m～3.6m。

9.如权利要求2～4任一项所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述上部房体上开设有可开闭的逃生窗口和方便实验人员进行放置所述燃料组件模拟体及进行测量工作的操作门。

10.如权利要求9所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述操作门的外表面上覆盖有用于使所述操作门的热阻与所述上部房体的墙体热阻相当的岩棉。

11.如权利要求2～4任一项所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述燃料组件模拟体包括长期卸料组件和新卸料组件，所述长期卸料组件由4×5根长期加热棒组成，每根所述长期加热棒的功率为0.4～0.5KW，所述新卸料组件由4×1根新加热棒组成，每根所述新加热棒的功率为4～5KW。

12.如权利要求2～4任一项所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述乏燃料池设有冷却进水口和冷却出水口，所述冷却回路包括用于朝所述乏燃料池供给冷却水并接收经热交换后的池水的热交换器和与所述热交换器连通且往所述热交换器输送冷却水的冷却塔，所述热交换器通过冷却进水管与所述冷却进水口连通，所述热交换器通过冷却出水管与所述冷却出水口连通，所述冷却进水管上设有用于驱动冷却水的冷却泵和用于开启或关闭所述冷却进水管的冷却阀，所述测量控制系统包括设于所述冷却出水管上且用于计量经热交换后的池水流量的冷却流量计。

13.如权利要求12所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述冷却塔通过回路管道与所述热交换器连通，所述回路管道上设有用于驱动冷却水的回路泵和用于开启或关闭所述回路管道的回路阀。

14.如权利要求2～4任一项所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述供氦部件通过供氦管路与所述乏燃料池连通，所述供氦管路上设有用于调节氦气流量的流量调节阀和加热氦气的加热装置，所述测量控制系统包括设于所述供氦管路上且用于计量所述供氦管路的氦气流量的氦气流量计。

15.如权利要求2～4任一项所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述测量控制系统包括用于测量所述上部房体内的氦气浓度的质谱仪，所述质谱仪通过取样管路与所述乏燃料池连通。

16.如权利要求2～4任一项所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述测量控制系统包括多个分别用于测量所述上部房体内的气体温度、测量所述乏燃料池的水温、测量所述燃料组件模拟体的表面温度、测量所述冷却回路的水温和测量所述喷淋系统的水温的温度传感器。

17.如权利要求2～4任一项所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述测量控制系统包括多个分别用于测量所述上部房体内的气体压力、测量所述冷却回路的管道压力、测量所述喷淋系统的喷淋压力和所述乏燃料池的水池液位的压力传感器。

18.如权利要求2～4任一项所述的燃料厂房氢气控制实验台架，其特征在于，所述测量控制系统还包括设于所述上部房体的顶部且用于测量所述上部房体内的气流速度的粒子成像测速系统。

19.燃料厂房氢气控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

搭建燃料厂房氢气控制实验台架：设置燃料厂房模拟体、燃料组件模拟体、注气系统、注水系统、喷淋系统、冷却回路及测量控制系统，其中，使所述燃料厂房模拟体具有上部房体和连通于所述上部房体下侧的乏燃料池；使所述燃料组件模拟体设于所述乏燃料池中；使所述注气系统具有分别与所述乏燃料池连通的供氦部件和蒸汽发生器；使所述注水系统与所述乏燃料池连通；使所述喷淋系统与所述上部房体的顶部连通；

台架试验：使所述注水系统朝所述乏燃料池注水；使所述燃料组件模拟体模拟产生衰变热；使所述蒸汽发生器朝所述乏燃料池注入蒸汽，使所述供氦部件产生氦气以模拟替代氢气并朝所述乏燃料池注入氦气；使所述上部房体中模拟分布有氦气、蒸汽及空气；使所述冷却回路对所述乏燃料池的池水进行冷却；使所述喷淋系统朝所述燃料组件模拟体喷淋水分，以使所述上部房体产生局部温度梯度和压力梯度，增强所述上部房体中气体的混合和对流，破坏氦气富集层，避免氦气在所述上部房体内积聚到局部较高浓度；

数据采集：通过所述测量控制系统测量和记录以下物理参数：测量和记录所述上部房体内的氦气浓度、气体温度、气体压力和气流速度，测量和记录所述乏燃料池的水温和水池液位，测量和记录所述燃料组件模拟体的表面温度和加热功率，测量和记录所述冷却回路的水温、水流量和管道压力，测量和记录所述喷淋系统的水温、水流量和喷淋压力；

数据处理：多次进行所述台架试验，获得多组试验数据，以确定试验数据有效性，进行数据保存；

误差分析与消除：查找误差所在，并对误差进行消除、补偿或修正。

20.如权利要求19所述的燃料厂房氢气控制方法，其特征在于，所述误差分析与消除的步骤中，所述并对误差进行消除、补偿或修正的步骤具体包括：

消除系统误差：测量前，仔细检查仪表是否正确调整和安装，防止仪表受到外界干扰，选好观测位置消除视差，选择环境条件稳定时读数；

补偿措施：找出系统误差的规律，自动补偿系统误差；

修正：根据已知的恒值系统误差，采用修正值对测量结果进行修正。