CN108389635B - 一种反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置及实验方法，该实验装置包括注储水回路、实验主回路、冷却水二回路及下降回路，实验主回路包括堆坑模拟体、压力容器模拟体、保温层模拟体、腔体及加热模组，冷却水二回路包括换热器及冷却管路，下降回路包括下降自然循环管路和下降强制循环管路，汽水混合物流动路径所在竖向平面与注储水回路输入管道之间设成垂直或夹角。采用上述实验装置及实验方法，通过模拟实际反应堆堆腔的注水过程，实现在自然循环工况和强制循环工况下的堆腔注水实验，结合采用“三维立体供水流动路径”，实现更好调整注水流量及注水过冷度，以提高反应堆堆腔的注水冷却能力和压力容器外壁的临界热流密度的安全裕量。

Description

一种反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于反应堆的技术领域，更具体地说，是涉及一种反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置及实验方法。

背景技术

在现有核电厂反应堆堆腔注水技术领域中，反应堆堆腔注水系统的设计与建造，通常通过一维及二维实验和理论设计得来，与实际工程应用有较大差异，缺少较好的实验研究和有效性评估，因此，现有的反应堆堆腔注水系统仍存在这样的问题：其反应堆堆腔的注水冷却能力和压力容器外壁的临界热流密度安全裕量均较低，而三维流场对冷却水冷却能力的影响尚未得到有效的实验证明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，旨在解决现有反应堆堆腔注水系统的注水冷却能力较低和压力容器外壁的临界热流密度安全裕量较低的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，包括：

注储水回路，用于存储冷却水；

实验主回路，包括堆坑模拟体、压力容器模拟体和保温层模拟体，所述压力容器模拟体与所述保温层模拟体之间存在间距并围合形成腔体，所述堆坑模拟体与所述腔体连通，所述堆坑模拟体与所述注储水回路连通以接收和稳定冷却水，所述压力容器模拟体的外壁上设有用于产热以使所述腔体中冷却水形成汽水混合物的加热模组，所述腔体连通有用于供所述汽水混合物喷出的出气口；

冷却水二回路，包括与所述出气口连通的换热器，所述换热器的内部设有传输冷却水且用于吸收所述汽水混合物热量以使所述汽水混合物液化的冷却管路；

以及下降回路，包括用于在自然循环工况下调节管路流量以模拟实际工况的下降自然循环管路和用于在强制循环工况下调节管路流量以获得最优流量范围的下降强制循环管路，所述下降自然循环管路的两端和所述下降强制循环管路的两端均分别与所述换热器和所述堆坑模拟体连通，以使所述换热器中的冷却水回流到所述堆坑模拟体中；

其中，所述汽水混合物的流动路径为：由所述腔体中的冷却水受热而形成的汽水混合物将从所述腔体底部向上流动，并经所述出气口喷出，再流经所述换热器内部的所述冷却管路，然后，所述冷却管路吸收所述汽水混合物的热量而使所述汽水混合物液化，液化后的所述汽水混合物将经由所述下降回路流到所述堆坑模拟体中，再经由所述堆坑模拟体回流到所述腔体中；即所述汽水混合物的流动路径为一循环回路，所述循环回路位于同一竖向平面内，所述注储水回路的输入管道与所述竖向平面垂直或形成夹角。

本发明提供的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置的有益效果在于：由于上述反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置通过采用注储水回路、实验主回路、冷却水二回路及下降回路来模拟实现实际反应堆堆腔的注水过程，并采用下降自然循环管路和下降强制循环管路，来实现在自然循环工况和强制循环工况的不同工况下进行反应堆堆腔的注水实验，其中，其还将汽水混合物流动路径所在的竖向平面与注储水回路的输入管道之间设置成垂直或形成夹角，即采用“三维立体供水流动路径”来使冷却水具有更大的流动空间，从而可更好地调整注水流量及注水过冷度，优化保温层模拟体结构，以提高反应堆堆腔的注水冷却能力和压力容器外壁的临界热流密度的安全裕量。

本发明还提供了一种反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，包括以下步骤：

准备材料：设置注储水回路、实验主回路、冷却水二回路和下降回路，其中，所述注储水回路用于存储冷却水；所述实验主回路包括堆坑模拟体、压力容器模拟体和保温层模拟体，所述压力容器模拟体与所述保温层模拟体之间存在间距并围合形成腔体，使所述堆坑模拟体与所述腔体连通，使所述堆坑模拟体与所述注储水回路连通，并于所述压力容器模拟体的外壁上设置加热模组，于所述压力容器模拟体开设与所述腔体连通的出气口；所述冷却水二回路包括与所述出气口连通的换热器，于所述换热器的内部设置冷却管路；所述下降回路包括下降自然循环管路和下降强制循环管路，所述下降自然循环管路的两端和所述下降强制循环管路的两端均分别与所述换热器和所述堆坑模拟体连通；

注水：使所述注储水回路往所述堆坑模拟体中注入冷却水；

加热：使所述加热模组产热以使所述腔体中冷却水形成汽水混合物；

冷却液化：往所述冷却管路通入冷却水，以使所述冷却管路吸收所述汽水混合物热量而液化所述汽水混合物；

循环回流：在自然循环工况下，所述下降自然循环管路调节管路流量以模拟实际工况，并使所述换热器中的冷却水通过所述下降自然循环管路回流到所述堆坑模拟体中；在强制循环工况下，所述下降强制循环管路调节管路流量以获得最优流量范围，并使所述换热器中的冷却水通过所述下降强制循环管路回流到所述堆坑模拟体中；其中，所述汽水混合物的流动路径为一循环回路，所述循环回路位于同一竖向平面内，所述注储水回路的输入管道与所述竖向平面垂直或形成夹角。

本发明提供的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法的有益效果在于：采用上述反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法时，其先使注储水回路按一定的温度、流速往堆坑模拟体注入冷却水，冷却水再经由堆坑模拟体进入腔体中，再使压力容器模拟体外壁上的加热模组产热，而促使腔体中冷却水形成汽水混合物，由于密度差的存在，汽水混合物将向上流动从出气口喷出，再流经换热器内部冷却管路；然后，往冷却管路通入冷却水，使得冷却管路吸收汽水混合物热量而液化汽水混合物，并在汽水混合物液化后，采用下降回路将液化后的汽水混合物回流到堆坑模拟体中，再经由堆坑模拟体进入腔体中，而具体地，在自然循环工况下，下降自然循环管路调节管路流量以模拟实际工况，并使换热器中的冷却水通过下降自然循环管路回流到堆坑模拟体中；在强制循环工况下，下降强制循环管路调节管路流量以获得最优流量范围，并使换热器中的冷却水通过下降强制循环管路回流到堆坑模拟体中。因此，上述反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，通过注水、加热、冷却液化、循环回流的步骤，来实现在自然循环工况和强制循环工况的不同工况下进行反应堆堆腔的注水实验，并且，其还将汽水混合物流动路径所在的竖向平面与注储水回路的输入管道之间设置成垂直或夹角，即采用“三维立体供水流动路径”来使冷却水具有更大的流动空间，从而更好地调整注水流量及注水过冷度，优化保温层模拟体结构，以提高反应堆堆腔的注水冷却能力和压力容器外壁的临界热流密度的安全裕量。

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反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法的流程图。

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。

请参阅图1，现对本发明提供的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置10进行说明。该反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置10包括：

注储水回路11，用于存储冷却水；

实验主回路12，包括堆坑模拟体126、压力容器模拟体121和保温层模拟体122，压力容器模拟体121与保温层模拟体122之间存在间距并围合形成腔体123，所述堆坑模拟体126与所述腔体123连通，堆坑模拟体126与注储水回路11连通以接收和稳定冷却水，压力容器模拟体121的外壁上设有用于产热以使腔体123中冷却水形成汽水混合物的加热模组124，腔体123连通有用于供汽水混合物喷出的出气口125；其中，保温层模拟体122起到减少热损的作用。

冷却水二回路13，包括与出气口125连通的换热器131，换热器131的内部设有传输冷却水且用于吸收汽水混合物热量以使汽水混合物液化的冷却管路132；

以及下降回路14，包括用于在自然循环工况下调节管路流量以模拟实际工况的下降自然循环管路141和用于在强制循环工况下调节管路流量以获得最优流量范围的下降强制循环管路142，下降自然循环管路141的两端和下降强制循环管路142的两端均分别与换热器131和堆坑模拟体126连通，以使换热器131中的冷却水回流到堆坑模拟体126中；

其中，汽水混合物的流动路径为：由腔体123中的冷却水受热而形成的汽水混合物将从所述腔体123底部向上流动，并经所述出气口125喷出，再流经所述换热器131内部的所述冷却管路132，然后，所述冷却管路132吸收所述汽水混合物的热量而使所述汽水混合物液化，液化后的所述汽水混合物将经由所述下降回路14回流到堆坑模拟体126中，再经由堆坑模拟体126进入腔体123中；即所述汽水混合物的流动路径为一循环回路，所述循环回路位于同一竖向平面内，所述注储水回路11的输入管道与所述竖向平面垂直或形成夹角。

本发明提供的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置10的实验原理为：

请参阅图1，注储水回路11先按一定的温度、流速往堆坑模拟体126中注入冷却水，冷却水再经由堆坑模拟体126进入腔体123中，压力容器模拟体121外壁上的加热模组124将产热以使腔体123中冷却水形成汽水混合物，由于密度差的存在，汽水混合物将向上流动从出气口125喷出，再流经换热器131内部冷却管路132，内部的冷却管路132吸收汽水混合物热量而使汽水混合物液化，液化后的汽水混合物将经由下降回路14回流到堆坑模拟体126中，再由堆坑模拟体126回流到腔体123，而具体地，在自然循环工况下，下降自然循环管路141调节管路流量以模拟实际工况，并使换热器131中的冷却水通过下降自然循环管路141回流到堆坑模拟体126中；而在强制循环工况下，下降强制循环管路142调节管路流量以获得最优流量范围，并使换热器131中的冷却水通过下降强制循环管路142回流到所述堆坑模拟体126中；其中，其还将汽水混合物流动路径所在的竖向平面与注储水回路的输入管道之间设置成垂直或形成夹角，即采用“三维立体供水流动路径”来使冷却水具有更大的流动空间。

由于上述反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置10通过采用注储水回路11、实验主回路12、冷却水二回路13及下降回路14来模拟实现实际反应堆堆腔的注水过程，并结合采用下降自然循环管路141和下降强制循环管路142，来实现在自然循环工况和强制循环工况的不同工况下进行反应堆堆腔的注水实验，其中，其还将汽水混合物流动路径所在的竖向平面与注储水回路11的输入管道之间设置成垂直或形成夹角，即采用“三维立体供水流动路径”来使冷却水具有更大的流动空间，从而更好地调整注水流量及注水过冷度，来优化保温层模拟体122结构，以提高反应堆堆腔的注水冷却能力和压力容器外壁的临界热流密度的安全裕量。

细化地，加热模组124可由多个加热块组成，每一加热块的形状呈“蜂窝煤”状，多个加热块可组成一个加热区，不同加热区的加热块数量可以相同，也可不相同。实验时，可根据需要，通过功率控制器来调节每个加热区的加热功率。

需要补充说明的是，本发明提供的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置10，是基于自主核电堆型的反应堆堆腔的布置，以1:5的小比例而造的实验装置，该实验装置可以模拟反应堆堆腔注水的整个过程，可分析压力容器外壁的临界热流密度影响，同时，还可以开展自然循环工况和强制循环工况下的实验。

同时，在严重事故发生以后，启动反应堆堆腔注水系统时，由于反应堆冷却系统中冷却水的丧失，安全壳内的最高压力约为6bar，故在进行整个实验装置设计时，其设计压力为1.0MPa。

此外，对于反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置10来说，在前期正常实验下，实验主回路12腔体123中的水处于常压、饱和状态，而在后期实验时，则可对实验台架进行适当的改造，进行一定压力(如4bar)条件下的相关实验，以分析不同压力对汽水混合物的循环流量以及反应堆压力容器外壁的临界热流密度影响。

具体地，所述腔体123具有与所述堆坑模拟体126相通的变流通面积的曲面流道1231以及与所述曲面流道1231相通的上升段流道1232，所述出气口125与所述上升段流道1232相通。

请参阅图1，为了便于进行在自然循环工况和强制循环工况的不同工况下的反应堆堆腔的注水实验，具体地，下降自然循环管路141上设有第一电动调节阀143，下降强制循环管路142上设有依序连通的第一球阀144、用于驱使冷却水流动的增压泵145和防止冷却水倒流的第一止回阀146；下降自然循环管路141与堆坑模拟体126的连接管路上设有第一流量计147，或者，下降自然循环管路141与换热器131的连接管路上设有第一流量计147。这样，在自然循环工况下，可通过调节第一电动调节阀143的开度，并结合第一流量计147的读数，来调整下降自然循环管路141的水流量；而在强制循环工况下，可通过调节第一球阀144的开度和增压泵145的驱动力，并结合第一流量计147的读数，来调整下降强制循环管路142的水流量。因此，可根据实验调节结果，来优化保温层模拟体122结构，更好地调整水流量及注水过冷度，以提高反应堆堆腔的注水冷却能力和压力容器外壁的临界热流密度。

当汽水混合物从出气口125喷出而进入换热器131后，为了进一步辅助冷却汽水混合物，具体地，上述反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置10还包括喷淋回路15，喷淋回路15包括喷嘴151和与喷嘴151连通且朝喷嘴151输送冷却水的喷淋管路152，喷嘴151用于朝出气口125喷淋冷却水以使汽水混合物液化。这样，当汽水混合物从出气口125喷出而进入换热器131后，汽水混合物除了遇到冷却管路132会被液化之外，汽水混合物还在喷嘴151所喷的冷却水作用下液化。

请参阅图1，为了更便于注储水回路11往腔体123注入冷却水，具体地，注储水回路11包括储水箱111、安装于储水箱111上且用于预加热储水箱111中冷却水的加热器112和用于连通储水箱111及堆坑模拟体126的注水回路113。这样，储水箱111中的加热器112可先行将冷却水加热到一定的温度，再往腔体123注入冷却水，从而达到控制注入腔体123冷却水的温度，以便控制实验的温度。

细化地，汽水混合物的流动路径为：由腔体123中的冷却水受热而形成的汽水混合物将从腔体123底部向上流动，并经出气口125喷出，再流经换热器131内部冷却管路132，然后，内部的冷却管路132吸收汽水混合物热量而使汽水混合物液化，液化后的汽水混合物将经由下降回路14回流到腔体123中，再经由腔体123回流到堆坑模拟体126中。由此可见，汽水混合物的流动路径为一循环回路，且该循环回路可位于同一竖向平面内，而当注水回路113往堆坑模拟体126注入冷却水时，注水回路113的输入管道可与该竖向平面垂直或成任意夹角，也可以这样理解，假设该竖向平面由Y轴和Z轴形成的二维坐标来限定，而注水回路113的输入管道的注水输入方向可由另一坐标轴X轴来限定，这样，上述反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置10中，冷却水的流动路径将形成三维立体供水流动路径。而现有通常采用二维供水流动路径，即其注水回路113输入管道的注水输入方向与腔体123中汽水混合物的上升流动方向位于同一竖向平面内，可用二维坐标系来限定。因此，本发明采用的“三维立体供水流动路径”相比较现有采用“二维供水流动路径”而言，其冷却水具有更大的流动空间，可便于通过调整注水流量及注水过冷度，来提高反应堆堆腔的注水冷却能力和压力容器外壁的临界热流密度。

细化地，请参阅图1，为了更好地调节注水回路113往腔体123注入的冷却水流量，具体地，注水回路113包括两端分别相通的注水自然管路114和注水强制管路115，注水自然管路114的两端分别与储水箱111及堆坑模拟体126123连通，注水自然管路114上设有用于调节管路流量的第二球阀116，注水强制管路115上设有依序连通的第三球阀117、用于驱使冷却水流动的循环泵120和防止冷却水倒流的第二止回阀118；注水自然管路114与堆坑模拟体126的连接管路上设有第二流量计119，或者，注水自然管路114与储水箱111的连接管路上设有第二流量计119。

这样，当注水回路113通过注水自然管路114往腔体123注入冷却水时，其可通过调节第二球阀116的开度，并结合第二流量计119的读数，来调节管路流量，以实现小流量补水；而当注水回路113通过注水强制管路115往腔体123注入冷却水时，其可通过调节第三球阀117的开度和循环泵120的驱动力，并结合第二流量计119的读数，来调节管路流量，以实现大流量、可控制地补水。

请参阅图1，细化地，储水箱111上设有用于测量冷却水液面高度的液位计1121、用于排放储水箱111中水汽的第一排气口1122和用于排放污水的第一排污管1123。

为了便于控制喷淋管路152上的冷却水流量，具体地，喷淋管路152上设有第二电动调节阀153和第三流量计154。这样，可以通过调节第二电动调节阀153的开度，并结合第三流量计154的读数来调节喷淋管路152上的冷却水流量，以使喷淋回路15更好地实现辅助冷却的作用。

为了便于给注储水回路11和喷淋管路152供水，具体地，上述反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置10还包括供水管路16，注储水回路11和喷淋管路152均与供水管路16连通。其中，供水管路16所供给的冷却水可为去离子水。

请参阅图1，为了便于控制冷却管路132上的冷却水流量，具体地，冷却管路132上设有第三电动调节阀133和第四流量计134。这样，可以通过调节第三电动调节阀133的开度，并结合第四流量计134的读数来调节冷却管路132上的冷却水流量，以使冷却管路132更好地实现液化汽水混合物的作用。

此外，为了便于控制管路压力，注水管路、冷却管路132、喷淋管路152、下降自然循环管路141和下降强制循环管路142上还可设有泄压阀；而为了便于控制腔体123的气压，压力容器模拟体121还可设有与腔体123连通的排气口或排气阀。这样，可通过控制管路压力和腔体123的气压来进行不同工况下的实验。

仍需补充的是，为了使上述反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置10尽可能地与百万千瓦级核反应堆堆腔的布置相符，因此，上述反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置10还包括仪表系统、数据处理系统以及其他辅助系统。

其中，仪表系统包括温度计、液位计1121、流量计及压力计等，数据处理系统具有实验工况监视、实验数据的实时在线测量、实验参数的自动控制、实验数据的分析处理、一般的故障诊断和故障处理以及多台计算机的通讯等功能：实验参数包括温度、液位、流量、压力、球阀开度及电动调节阀开度等。

请一并参阅图1和图2，本发明还提供了一种反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，包括以下步骤：

步骤S101、准备材料：设置注储水回路11、实验主回路12、冷却水二回路13和下降回路14，其中，注储水回路11用于存储冷却水；实验主回路12包括堆坑模拟体126、压力容器模拟体121和保温层模拟体122，压力容器模拟体121与保温层模拟体122之间存在间距并围合形成腔体123，使堆坑模拟体126与腔体123连通，使堆坑模拟体126与注储水回路11连通，并于压力容器模拟体121的外壁上设置加热模组124，于压力容器模拟体121开设与腔体123连通的出气口125；冷却水二回路13包括与出气口125连通的换热器131，于换热器131的内部设置冷却管路132；下降回路14包括下降自然循环管路141和下降强制循环管路142，下降自然循环管路141的两端和下降强制循环管路142的两端均分别与换热器131和堆坑模拟体126连通；

步骤S102、注水：使注储水回路11往堆坑模拟体126中注入冷却水；

步骤S103、加热：使加热模组124产热以使腔体123中冷却水形成汽水混合物；

步骤S104、冷却液化：往冷却管路132通入冷却水，以使冷却管路132吸收汽水混合物热量而液化汽水混合物；

步骤S105、循环回流：在自然循环工况下，下降自然循环管路141调节管路流量以模拟实际工况，并使换热器131中的冷却水通过下降自然循环管路141回流到堆坑模拟体126中；在强制循环工况下，下降强制循环管路142调节管路流量以获得最优流量范围，并使换热器131中的冷却水通过下降强制循环管路142回流到堆坑模拟体126中；其中，所述汽水混合物的流动路径为一循环回路，所述循环回路位于同一竖向平面内，所述注储水回路的输入管道与所述竖向平面垂直或形成夹角。

采用上述反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法时，其先使注储水回路11按一定的温度、流速往堆坑模拟体126注入冷却水，冷却水再经由堆坑模拟体126进入腔体123中，再使压力容器模拟体121外壁上的加热模组124产热，而促使腔体123中冷却水形成汽水混合物，由于密度差的存在，汽水混合物将向上流动从出气口125喷出，再流经换热器131内部冷却管路132；然后，往冷却管路132通入冷却水，使得冷却管路132吸收汽水混合物热量而液化汽水混合物，并在汽水混合物液化后，采用下降回路14将液化后的汽水混合物回流到堆坑模拟体126中，再经由堆坑模拟体126回流到腔体123中，而具体地，在自然循环工况下，下降自然循环管路141调节管路流量以模拟实际工况，并使换热器131中的冷却水通过下降自然循环管路141回流到堆坑模拟体126中；在强制循环工况下，下降强制循环管路142调节管路流量以获得最优流量范围，并使换热器131中的冷却水通过下降强制循环管路142回流到堆坑模拟体126中。因此，上述反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，通过注水、加热、冷却液化、循环回流的步骤，来实现在自然循环工况和强制循环工况的不同工况下进行反应堆堆腔的注水实验，并且，其还将汽水混合物流动路径所在的竖向平面与注储水回路的输入管道之间设置成垂直或夹角，即采用“三维立体供水流动路径”来使冷却水具有更大的流动空间，从而更好地调整注水流量及注水过冷度，优化保温层模拟体122结构，以提高反应堆堆腔的注水冷却能力和压力容器外壁的临界热流密度。

具体地，所述腔体123具有与所述堆坑模拟体126相通的变流通面积的曲面流道1231以及与所述曲面流道1231相通的上升段流道1232，所述出气口125与所述上升段流道1232相通。

在该反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法中，细化地，为了便于进行在自然循环工况和强制循环工况的不同工况下的反应堆堆腔的注水实验，具体地，下降自然循环管路141上设有第一电动调节阀143，下降强制循环管路142上设有依序连通的第一球阀144、用于驱使冷却水流动的增压泵145和防止冷却水倒流的第一止回阀146；下降自然循环管路141与腔体123的连接管路上设有第一流量计147，或者，下降自然循环管路141与换热器131的连接管路上设有第一流量计147。这样，在自然循环工况下，可通过调节第一电动调节阀143的开度，并结合第一流量计147的读数，来调整下降自然循环管路141的水流量；而在强制循环工况下，可通过调节第一球阀144的开度和增压泵145的驱动力，并结合第一流量计147的读数，来调整下降强制循环管路142的水流量。因此，可根据实验调节结果，来优化保温层模拟体122结构，更好地调整水流量及注水过冷度，以提高反应堆堆腔的注水冷却能力和压力容器外壁的临界热流密度。

当汽水混合物从出气口125喷出而进入换热器131后，为了进一步辅助冷却汽水混合物，具体地，该准备材料步骤中，还包括设置喷淋回路15，该喷淋回路15包括喷嘴151和与喷嘴151连通且朝喷嘴151输送冷却水的喷淋管路152，喷嘴151用于朝出气口125喷淋冷却水以使汽水混合物液化。这样，当汽水混合物从出气口125喷出而进入换热器131后，汽水混合物除了遇到冷却管路132会被液化之外，汽水混合物还在喷嘴151所喷的冷却水作用下液化。

在准备材料步骤中，为了更便于注储水回路11往腔体123注入冷却水，具体地，注储水回路11包括储水箱111、安装于储水箱111上且用于预加热储水箱111中冷却水的加热器112和用于连通储水箱111及腔体123的注水回路113。这样，储水箱111中的加热器112可先行将冷却水加热到一定的温度，再往堆坑模拟体126注入冷却水，从而达到控制注入腔体123冷却水的温度，以便控制实验的温度。

在该反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法中，汽水混合物的流动路径为：由腔体123中的冷却水受热而形成的汽水混合物将从腔体123底部向上流动，并经出气口125喷出，再流经换热器131内部冷却管路132，然后，内部的冷却管路132吸收汽水混合物热量而使汽水混合物液化，液化后的汽水混合物将经由下降回路14回流到腔体123中，再经由腔体123回流到堆坑模拟体126中。由此可见，汽水混合物的流动路径为一循环回路，且该循环回路可位于同一竖向平面内，而当注水回路113往堆坑模拟体126注入冷却水时，注水回路113的输入管道可与该竖向平面垂直或成任意夹角，也可以这样理解，假设该竖向平面由Y轴和Z轴形成的二维坐标来限定，而注水回路113的输入管道的注水输入方向可由另一坐标轴X轴来限定，这样，上述反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置10中，冷却水的流动路径将形成三维立体供水流动路径。而现有通常采用二维供水流动路径，即其注水回路113输入管道的注水输入方向与腔体123中汽水混合物的上升流动方向位于同一竖向平面内，可用二维坐标系来限定。因此，本发明采用的“三维立体供水流动路径”相比较现有采用“二维供水流动路径”而言，其冷却水具有更大的流动空间，可便于通过调整注水流量及注水过冷度，来提高反应堆堆腔的注水冷却能力和压力容器外壁的临界热流密度。

为了更好地调节注水回路113往腔体123注入的冷却水流量，具体地，注水回路113包括两端分别相通的注水自然管路114和注水强制管路115，注水自然管路114的两端分别与储水箱111及堆坑模拟体126连通，注水自然管路114上设有用于调节管路流量的第二球阀116，注水强制管路115上设有依序连通的第三球阀117、用于驱使冷却水流动的循环泵120和防止冷却水倒流的第二止回阀118；注水自然管路114与堆坑模拟体126的连接管路上设有第二流量计119，或者，注水自然管路114与储水箱111的连接管路上设有第二流量计119。

这样，当注水回路113通过注水自然管路114往腔体123注入冷却水时，其可通过调节第二球阀116的开度，并结合第二流量计119的读数，来调节管路流量，以实现小流量补水；而当注水回路113通过注水强制管路115往腔体123注入冷却水时，其可通过调节第三球阀117的开度和循环泵120的驱动力，并结合第二流量计119的读数，来调节管路流量，以实现大流量、可控制地补水。

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 (22)

1.一种反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，其特征在于，包括：

注储水回路，用于存储冷却水；

实验主回路，包括堆坑模拟体、压力容器模拟体和保温层模拟体，所述压力容器模拟体与所述保温层模拟体之间存在间距并围合形成腔体，所述堆坑模拟体与所述腔体连通，所述堆坑模拟体与所述注储水回路连通以接收和稳定冷却水，所述压力容器模拟体的外壁上设有用于产热以使所述腔体中冷却水形成汽水混合物的加热模组，所述腔体连通有用于供所述汽水混合物喷出的出气口；

冷却水二回路，包括与所述出气口连通的换热器，所述换热器的内部设有传输冷却水且用于吸收所述汽水混合物热量以使所述汽水混合物液化的冷却管路；

以及下降回路，包括用于在自然循环工况下调节管路流量以模拟实际工况的下降自然循环管路和用于在强制循环工况下调节管路流量以获得最优流量范围的下降强制循环管路，所述下降自然循环管路的两端和所述下降强制循环管路的两端均分别与所述换热器和所述堆坑模拟体连通，以使所述换热器中的冷却水回流到所述堆坑模拟体中；

其中，所述汽水混合物的流动路径为：由所述腔体中的冷却水受热而形成的汽水混合物将从所述腔体底部向上流动，并经所述出气口喷出，再流经所述换热器内部的所述冷却管路，然后，所述冷却管路吸收所述汽水混合物的热量而使所述汽水混合物液化，液化后的所述汽水混合物将经由所述下降回路流到所述堆坑模拟体中，再经由所述堆坑模拟体回流到所述腔体中；即所述汽水混合物的流动路径为一循环回路，所述循环回路位于同一竖向平面内，所述注储水回路的输入管道与所述竖向平面垂直或形成夹角。

2.如权利要求1所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，其特征在于，所述腔体具有与所述堆坑模拟体相通的变流通面积的曲面流道以及与所述曲面流道相通的上升段流道，所述出气口与所述上升段流道相通。

3.如权利要求1所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，其特征在于，所述下降自然循环管路上设有第一电动调节阀，所述下降强制循环管路上设有依序连通的第一球阀、用于驱使冷却水流动的增压泵和防止冷却水倒流的第一止回阀；所述下降自然循环管路与所述腔体的连接管路上设有第一流量计。

4.如权利要求1所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，其特征在于，所述下降自然循环管路上设有第一电动调节阀，所述下降强制循环管路上设有依序连通的第一球阀、用于驱使冷却水流动的增压泵和防止冷却水倒流的第一止回阀；所述下降自然循环管路与所述换热器的连接管路上设有第一流量计。

5.如权利要求1～4任一项所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，其特征在于，还包括喷淋回路，所述喷淋回路包括喷嘴和与所述喷嘴连通且朝所述喷嘴输送冷却水的喷淋管路，所述喷嘴用于朝所述出气口喷淋冷却水以使所述汽水混合物液化。

6.如权利要求1～4任一项所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，其特征在于，所述注储水回路包括储水箱、安装于所述储水箱上且用于预加热所述储水箱中冷却水的加热器和用于连通所述储水箱及所述堆坑模拟体的注水回路。

7.如权利要求6所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，其特征在于，所述注水回路包括两端分别相通的注水自然管路和注水强制管路，所述注水自然管路的两端分别与所述储水箱及所述堆坑模拟体连通，所述注水自然管路上设有用于调节管路流量的第二球阀，所述注水强制管路上设有依序连通的第三球阀、用于驱使冷却水流动的循环泵和防止冷却水倒流的第二止回阀；所述注水自然管路与所述堆坑模拟体的连接管路上设有第二流量计。

8.如权利要求6所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，其特征在于，所述注水回路包括两端分别相通的注水自然管路和注水强制管路，所述注水自然管路的两端分别与所述储水箱及所述堆坑模拟体连通，所述注水自然管路上设有用于调节管路流量的第二球阀，所述注水强制管路上设有依序连通的第三球阀、用于驱使冷却水流动的循环泵和防止冷却水倒流的第二止回阀；所述注水自然管路与所述储水箱的连接管路上设有第二流量计。

9.如权利要求6所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，其特征在于，所述储水箱上设有用于测量冷却水液面高度的液位计、用于排放所述储水箱中水汽的第一排气口和用于排放污水的第一排污管。

10.如权利要求5所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，其特征在于，所述喷淋管路上设有用于调节管路流量的第二电动调节阀和第三流量计。

11.如权利要求5所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，其特征在于，还包括用于供给冷却水的供水管路，所述注储水回路和所述喷淋管路均与所述供水管路连通。

12.如权利要求1～4任一项所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验装置，其特征在于，所述冷却管路上设有用于调节管路流量的第三电动调节阀和第四流量计。

13.一种反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

准备材料：设置注储水回路、实验主回路、冷却水二回路和下降回路，其中，所述注储水回路用于存储冷却水；所述实验主回路包括堆坑模拟体、压力容器模拟体和保温层模拟体，所述压力容器模拟体与所述保温层模拟体之间存在间距并围合形成腔体，使所述堆坑模拟体与所述腔体连通，使所述堆坑模拟体与所述注储水回路连通，并于所述压力容器模拟体的外壁上设置加热模组，于所述压力容器模拟体开设与所述腔体连通的出气口；所述冷却水二回路包括与所述出气口连通的换热器，于所述换热器的内部设置冷却管路；所述下降回路包括下降自然循环管路和下降强制循环管路，所述下降自然循环管路的两端和所述下降强制循环管路的两端均分别与所述换热器和所述堆坑模拟体连通；

注水：使所述注储水回路往所述堆坑模拟体中注入冷却水；

加热：使所述加热模组产热以使所述腔体中冷却水形成汽水混合物；

冷却液化：往所述冷却管路通入冷却水，以使所述冷却管路吸收所述汽水混合物热量而液化所述汽水混合物；

循环回流：在自然循环工况下，所述下降自然循环管路调节管路流量以模拟实际工况，并使所述换热器中的冷却水通过所述下降自然循环管路回流到所述堆坑模拟体中；在强制循环工况下，所述下降强制循环管路调节管路流量以获得最优流量范围，并使所述换热器中的冷却水通过所述下降强制循环管路回流到所述堆坑模拟体中；其中，所述汽水混合物的流动路径为一循环回路，所述循环回路位于同一竖向平面内，所述注储水回路的输入管道与所述竖向平面垂直或形成夹角。

14.如权利要求13所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，其特征在于，所述腔体具有与所述堆坑模拟体相通的变流通面积的曲面流道以及与所述曲面流道相通的上升段流道，所述出气口与所述上升段流道相通。

15.如权利要求13所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，其特征在于，所述下降自然循环管路上设有第一电动调节阀，所述下降强制循环管路上设有依序连通的第一球阀、用于驱使冷却水流动的增压泵和防止冷却水倒流的第一止回阀；所述下降自然循环管路与所述堆坑模拟体的连接管路上设有第一流量计，或者，所述下降自然循环管路与所述换热器的连接管路上设有第一流量计。

16.如权利要求13所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，其特征在于，还包括喷淋回路，所述喷淋回路包括喷嘴和与所述喷嘴连通且朝所述喷嘴输送冷却水的喷淋管路，所述喷嘴用于朝所述出气口喷淋冷却水以使所述汽水混合物液化。

17.如权利要求13所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，其特征在于，所述注储水回路包括储水箱、安装于所述储水箱上且用于预加热所述储水箱中冷却水的加热器和用于连通所述储水箱及所述堆坑模拟体的注水回路。

18.如权利要求17所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，其特征在于，所述注水回路包括两端分别相通的注水自然管路和注水强制管路，所述注水自然管路的两端分别与所述储水箱及所述堆坑模拟体连通，所述注水自然管路上设有用于调节管路流量的第二球阀，所述注水强制管路上设有依序连通的第三球阀、用于驱使冷却水流动的循环泵和防止冷却水倒流的第二止回阀；所述注水自然管路与所述堆坑模拟体的连接管路上设有第二流量计，或者，所述注水自然管路与所述储水箱的连接管路上设有第二流量计。

19.如权利要求17所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，其特征在于，所述储水箱上设有用于测量冷却水液面高度的液位计、用于排放所述储水箱中水汽的第一排气口和用于排放污水的第一排污管。

20.如权利要求16所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，其特征在于，所述喷淋管路上设有用于调节管路流量的第二电动调节阀和第三流量计。

21.如权利要求16所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，其特征在于，还包括用于供给冷却水的供水管路，所述注储水回路和所述喷淋管路均与所述供水管路连通。

22.如权利要求13所述的反应堆堆腔注水系统三维模拟实验方法，其特征在于，所述冷却管路上设有用于调节管路流量的第三电动调节阀和第四流量计。