CN109211969B - 一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置，该实验装置主要包括椭球形下封头、上部圆柱形连接筒、外部冷却通道、上部盖板、体积加热组件以及测温组件；椭球形下封头以及上部圆柱形连接筒焊接，形成熔融池外壁面；外部冷却通道焊接在熔融池壁面的外侧，通过冷却水提供外部强迫冷却；上部盖板固定在熔融池的上部，可提供绝热边界条件；固定在熔融池的内部的体积加热组件模拟体积释热源；通过布置在熔融池的内部和圆弧壁面上的热电偶，可以获得熔融池内的温度场分布和壁面热流密度分布情况，通过布置在熔融池圆弧壁面内侧的多点热电偶，可以获得熔融池内的硬壳分布特性，本发明为椭球形压力容器下封头式反应堆的严重事故安全性研究提供有效的研究方法和重要依据。
Description
技术领域
本发明涉及核电厂严重事故下封头熔融池换热特性研究技术领域，具体涉及一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置。
背景技术
当核电厂压水堆发生严重事故时，若堆芯不能得到有效冷却，大量燃料组件和结构材料可能会熔化形成熔融物并迁移至压力容器底部形成碎片床或熔融池下封头。熔融池向下封头壁面传递衰变热，当衰变热不能充分导出时，熔融池会将下封头壁面熔穿，严重威胁压力容器的完整性。反应堆压力容器下封头内熔融池的流动换热特性对下封头壁面热负荷分布以及外部冷却能力有着重要的影响。熔融物堆内持留技术作为缓解堆芯熔化事故后果的一项关键措施，通过将熔融物滞留在压力容器下封头内，避免后续事故的发生和大量放射性物质释放到外界环境中，从而可以有效终止反应堆严重事故。
在熔融池换热特性研究上，国内外已经开展了一些相关实验。由于不同的研究侧重点和实验条件的限制，各实验采用不同比例的实验装置、不同的熔融物模拟物、不同的加热方式以及不同的边界条件，因此也具有不同的瑞利数范围和实验结果。但目前实验针对的对象主要是大型压水堆的半球形压力容器下封头，对于采用椭球形压力容器下封头的小功率海洋小型反应堆的适用性不足，不确定性更大。
例如，文献(Zhang L.,Zhang Y.,Zhao B.,Ma W.,Zhou Y.,Su G.,Tian W.,QiuS.,2016,COPRA:a large scale experiment on naturalconvection heat transfer incorium pools with internal heating.Progress in Nuclear Energy 86,132-140.)公开了一种熔融池的换热实验装置，实验装置主体是二维切片结构，采用二元混合物NaNO3-KNO3作为熔融物模拟物，采用冷却水对侧边强迫冷却，该装置针对的是华龙一号大型压水堆的半球形压力容器，且采用的是二维切片结构，对用于椭球形压力容器下封头的小功率海洋小型反应堆的不确定性大。
又例如，文献(Gaus-Liu X,Miassoedov A,Cron T,et al.In-vessel melt poolcoolibility test-Description and results of LIVE experiments[J].NuclearEngineering and Design,2010,240(11):3898-3903)公开了一种熔融池的换热实验装置，实验装置主体是1:5比例的三维半球，采用非共晶熔盐混合物作为熔融物模拟物。但是由于实验段体积局限，实验瑞利数相比于反应堆量级依然偏小，此外，实验装置形状非椭球形，在采用椭球形压力容器下封头的海洋小型反应堆的适用性上有所不足。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置，能够模拟海洋小型反应堆压力容器椭球形下封头熔融池的换热特性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置，所述实验装置包括椭球形下封头1以及上部圆柱形连接筒2、外部冷却通道3、冷却水入口接管4、冷却水出口接管5、上部盖板6、熔盐注入与排出接管7、体积加热组件8、加热组件固定件9、熔融池内部测温热电偶10、熔融池侧壁测温热电偶11以及熔融池内部硬壳测温多点热电偶12；所述熔融池的外壁面是由椭球形下封头1以及上部圆柱形连接筒2连接而成；外部冷却通道外壁面101与上部圆柱形连接筒2的上部连接件102焊接，与熔融池的外壁面形成外部冷却通道3，用于向熔融池的外壁面提供冷却边界；外部冷却通道3的外壁面101下部开设冷却水入口接管4，上部圆柱形连接筒2的上部连接件102处设有冷却水出口接管5；上部盖板6固定在上部圆柱形连接筒2的上部，提供熔融池上部绝热边界；熔盐注入与排出接管7贯穿上部盖板6与熔融池内部联通；体积加热组件8位于熔融池内部，由多层螺旋形加热丝801组成，用于模拟反应堆衰变热，能够单独控制螺旋形加热丝801的加热功率以实现近似均匀的内热源；螺旋形加热丝801以点焊在不锈钢骨架表面的方式进行定位，不锈钢骨架末端焊接在加热组件固定件9外壁面；螺旋形加热丝801的供电线从中空的加热组件固定件9内部引出；熔融池内部测温热电偶10沿周向，径向和高度方向分层布置，实验时用于获取熔融池内部温度；每个周向角以及各高度处的热电偶10按一定的间距布置在中空圆柱形不锈钢连接棒103上，熔融池内部测温热电偶10通过焊接在加热组件固定件9上的中空圆柱形不锈钢连接棒103定位，熔融池内部测温热电偶延长线通过加热组件固定件9内部引出；熔融池侧壁测温热电偶11沿不同的周向以及径向角度布置在椭球形下封头1以及上部圆柱形连接筒2的内外壁面，实验时用于计算壁面的热流密度分布；在椭球形下封头1内壁面布置有多个熔融池内部硬壳测温多点热电偶12，实验时测量和监控熔融物硬壳动态特性；椭球形下封头1以及上部圆柱形连接筒2的内外壁面开有小槽，用于固定熔融池侧壁测温热电偶11延长线。
所述冷却水入口接管4和冷却水出口接管5处分别布置有冷却水入口测温T型铠装热电偶201和冷却水出口测温T型铠装热电偶202，用于测量冷却水温度变化并进行热平衡计算。
所述体积加热组件8由七层螺旋形加热丝801组成。
所述熔融池内部测温热电偶10由84个K型铠装热电偶组成，在周向0°、90°、180°和270°处沿径向和高度方向分层布置，每个周向角以及各高度处的热电偶均按150mm的间距布置在直径为10mm的中空圆柱形不锈钢连接棒103上。
所述熔融池侧壁测温热电偶11由36组K型铠装热电偶组成，在周向0°、90°、180°、270°处沿径向布置在椭球形下封头1以及上部圆柱形连接筒2的内外壁面。
所述熔融池内部硬壳测温多点热电偶12的数量为三个，每个测量长度均为55mm，沿长度方向均匀6个测点。
所述实验装置的内径为1150mm，椭球形下封头1的深度286mm，上部圆柱形连接筒2的高度414mm，壁面厚度为10mm；外部冷却通道3的宽度为100mm。
述实验装置采用摩尔比例为20％NaNO3-80％KNO3二元混合物作为真实反应堆熔融物的替代材料。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明的实验装置，类似于压力容器椭球形下封头的三维结构，具有形状上的相似性。同时，在保证实验能实现海洋小型反应堆量级的瑞利数条件(1011～1013)，使实验结果能较大限度的应用于工程实际中的同时，较小的实验装置易于加工维修以及方便实验操作，降低了实验段的制造成本与实验难度。
2、本发明的实验装置采用螺旋形加热丝模拟反应堆熔融池内的衰变热，分层独立控制，依据相应加热区域的体积提供不同的加热功率，能够最大限度地实现均匀的内热源；同时螺旋形加热丝以及其固定装置细小，对熔融池自然对流的流场产生干扰很小。
3、本发明的实验装置，熔融池内部的加热丝电缆线以及热电偶的延长线通过熔融池中部的加热组件固定件内部引出，一方面可以保护电缆线以及热电偶延长线，同时可避免其对熔融池自然对流的流场所产生的影响。
4、本发明实验装置可以直接出熔融池的三维温度场，获得圆弧壁面的热流密度分布情况，从而可以计算熔融池向圆弧面的传热量，获得对工程实践有重要参考价值的相应换热关系式。
附图说明
图1为本发明一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置的整体结构示意图。
图2为本发明实验装置中电加热丝的位置图。
图3为本发明实验装置中所有热电偶的布置图，其中：图3a为截面0°-180°热电偶的布置图，图3b为截面90°-270°热电偶的布置图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：
如图1所示，一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置，包括椭球形下封头1以及上部圆柱形连接筒2、外部冷却通道3、冷却水入口接管4、冷却水出口接管5、上部盖板6、熔盐注入与排出接管7、体积加热组件8、加热组件固定件9、熔融池内部测温热电偶10、熔融池侧壁测温热电偶11以及熔融池内部硬壳测温多点热电偶12；
作为本发明的优选实施方式，所述的实验装置内径为1150mm，椭球形下封头1深度286mm，上部圆柱形连接筒2的高度414mm，壁面的厚度为10mm。所述的熔融池是由椭球形下封头1以及上部圆柱形连接筒2连接而成，容积约为0.628m3；在上部圆柱形连接筒2上部放置上部盖板6，可提供熔融池上部绝热边界条件；熔盐注入与排出接管7贯穿上部盖板6与熔融池内部联通，并在上部盖板6的上下面连接处焊接密封从而得到固定，实验时通过熔盐注入与排出接管7注入或排出熔盐；该熔盐注入与排出接管7外接管道需要缠绕加热丝，实验前后需要对该管道进行预热，防止熔盐在管口凝结发生堵塞。
所述的外部冷却通道外壁面101与上部圆柱形连接筒2的上部连接件102焊接，与熔融池的外壁面形成外部冷却通道3；作为本发明的优选实施方式，外部冷却通道3的宽度为100mm，外壁厚度为5mm；外部冷却通道3的外壁面101下部开设冷却水入口接管4，上部连接件102处设有冷却水出口接管5，接口直径40mm，实验时通过冷却水入口接管4向外部冷却通道3中注入冷却水，从而为熔融池外壁面提供冷却边界。
由于堆芯熔融物主要是UO2和ZrO2等材料的非共晶多元混合物，固相线温度和液相线温度不重合，因此熔融物替代材料的选取要在重要的物理特性、热力学行为和水力学行为特性上应尽可能与真实反应堆中熔融物的原型材料相近。作为本发明的优选实施方式，此实验装置选用摩尔比例20％NaNO3-80％KNO3的二元非共晶混合物作为真实反应堆中熔融物的替代材料，该材料与UO2和ZrO2为主的堆芯熔融物具有相似的共晶相图和凝固特性，熔盐使用范围是224℃(固相线温度)～284℃(液相线温度)～380℃(化学分解温度上限)。实验过程中的熔融物温度范围约为250～350℃。
为了模拟熔融物释放的衰变热，所述的体积加热组件8应尽量满足均匀释热的要求；如图2所示，作为本发明的优选实施方式，所述的体积加热组件8由七层螺旋形加热丝801组成，将熔融池近似等分为8个区域，每层螺旋形加热丝801可单独控制，依据相应加热区域的体积提供不同的加热功率以实现近似均匀的内热源；在熔池垂直高度方向上，相邻螺旋形加热丝801之间的间距为80mm，最底层的螺旋形加热丝距离壁面的垂直距离为40mm；为不影响熔池壁面的温度分布，加热丝边缘与熔池内壁面间存在超过50mm的间距。螺旋形加热丝801以点焊在中空的直径为6mm的圆柱形不锈钢骨架表面的方式进行定位，圆柱形不锈钢骨架末端焊接在加热组件固定件9外壁面；体积加热组件8的加热丝的供电线从中空的加热组件固定件9内部引出。
如图3中图3a和图3b所示，作为本发明的优选实施方式，熔融池的温度场可以通过布置在熔融池内部的84个K型凯装热电偶获得，热电偶直径1mm，热电偶在周向0°、90°、180°和270°处沿径向和高度方向分层布置，每个周向角以及各高度处的热电偶均按150mm的间距布置在直径为10mm的中空圆柱形不锈钢连接棒103上；熔融池内部测温热电偶10通过焊接在加热组件固定件9上的中空圆柱形不锈钢连接棒103定位，熔融池内部测温热电偶延长线通过加热组件固定件9内部引出。
如图3中图3a和图3b所示，作为本发明的优选实施方式，熔融池向壁面传递的热流密度可以通过所述的熔融池侧壁测温热电偶11间接测量获得；熔融池侧壁测温热电偶11由36组K型铠装热电偶组成，在周向0°、90°、180°、270°沿径向角度4°、16°、35°、58°、88°、90°布置在椭球形下封头1以及上部圆柱形连接筒2的内外壁面，椭球形下封头1以及上部圆柱形连接筒2的内外壁面开有深度为1mm的槽，用于布置熔融池侧壁测温热电偶11延长线，从而使热电偶延长线贴紧壁面，同时沿着热电偶延长线方向使用不锈钢薄片焊接压实防止热电偶发生移位，这样的布置方式可大大减少热电偶布置对流场的影响；实验时可以通过熔融池侧壁测温热电偶11所测得的内外壁面温度和相应测点间的距离计算得到熔融池向壁面传递的热流密度分布。
如图3中图3a所示，作为本发明的优选实施方式，所述的熔融池内部周向0°处，在椭球形下封头1内壁面布置有3个熔融池内部硬壳测温多点热电偶12，实验时用于间接测量和监控熔融物硬壳动态特性；3个多点热电偶的测量长度均为55mm，沿长度方向均匀布置6个测点，第一个测点距离椭球形下封头1内壁面5mm，相邻测点间距为10mm；由于所采用的的熔融物模拟物受到冷却而在椭球形下封头1内壁面结壳时，其相界面存在明显温差，因此可以依据各测点温度的阶跃变化获得某一时刻硬壳前沿所到达的高度和相界面温度以及硬壳内部不同高度处的温度；依据不同时刻、不同测点得到的温度以及测点间的距离，可以获得硬壳厚度增长速率和热导率，进而得到熔融物硬壳的动态特性。
如图3中图3a和图3b所示，作为本发明的优选实施方式，在冷却通道进出口位置处分别布置有冷却水入口测温T型铠装热电偶201和冷却水出口测温T型铠装热电偶202，用于监控冷却水温度变化并与熔融池向壁面传递的热量进行比较，从而校核热平衡。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属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 (8)
1.一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述实验装置包括椭球形下封头(1)以及上部圆柱形连接筒(2)、外部冷却通道(3)、冷却水入口接管(4)、冷却水出口接管(5)、上部盖板(6)、熔盐注入与排出接管(7)、体积加热组件(8)、加热组件固定件(9)、熔融池内部测温热电偶(10)、熔融池侧壁测温热电偶(11)以及熔融池内部硬壳测温多点热电偶(12)；所述熔融池的外壁面是由椭球形下封头(1)以及上部圆柱形连接筒(2)连接而成；外部冷却通道外壁面(101)与上部圆柱形连接筒(2)的上部连接件(102)焊接，与熔融池的外壁面形成外部冷却通道(3)，用于向熔融池的外壁面提供冷却边界；外部冷却通道(3)的外壁面(101)下部开设冷却水入口接管(4)，上部圆柱形连接筒(2)的上部连接件(102)处设有冷却水出口接管(5)；上部盖板(6)固定在上部圆柱形连接筒(2)的上部，提供熔融池上部绝热边界；熔盐注入与排出接管(7)贯穿上部盖板(6)与熔融池内部联通；体积加热组件(8)位于熔融池内部，由多层螺旋形加热丝(801)组成，用于模拟反应堆衰变热，能够单独控制螺旋形加热丝(801)的加热功率以实现近似均匀的内热源；螺旋形加热丝(801)以点焊在不锈钢骨架表面的方式进行定位，不锈钢骨架末端焊接在加热组件固定件(9)外壁面；螺旋形加热丝(801)的供电线从中空的加热组件固定件(9)内部引出；上部盖板(6)中部设有定位孔，加热组件固定件(9)穿过上部盖板(6)中部的定位孔进行定位；熔融池内部测温热电偶(10)沿周向，径向和高度方向分层布置，实验时用于获取熔融池内部温度；每个周向角以及各高度处的热电偶(10)按一定的间距布置在中空圆柱形不锈钢连接棒(103)上，熔融池内部测温热电偶(10)通过焊接在加热组件固定件(9)上的中空圆柱形不锈钢连接棒(103)定位，熔融池内部测温热电偶延长线通过加热组件固定件(9)内部引出；熔融池侧壁测温热电偶(11)沿不同的周向以及径向角度布置在椭球形下封头(1)以及上部圆柱形连接筒(2)的内外壁面，实验时用于计算壁面的热流密度分布；在椭球形下封头(1)内壁面布置有多个熔融池内部硬壳测温多点热电偶(12)，实验时测量和监控熔融物硬壳动态特性；椭球形下封头(1)以及上部圆柱形连接筒(2)的内外壁面开有小槽，用于固定熔融池侧壁测温热电偶(11)延长线。
2.根据权利要求1所述的一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述冷却水入口接管(4)和冷却水出口接管(5)处分别布置有冷却水入口测温T型铠装热电偶(201)和冷却水出口测温T型铠装热电偶(202)，用于测量冷却水温度变化并进行热平衡计算。
3.根据权利要求1所述的一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述体积加热组件(8)由七层螺旋形加热丝(801)组成。
4.根据权利要求1所述的一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述熔融池内部测温热电偶(10)由84个K型铠装热电偶组成，在周向0°、90°、180°和270°处沿径向和高度方向分层布置，每个周向角以及各高度处的热电偶均按150mm的间距布置在直径为10mm的中空圆柱形不锈钢连接棒(103)上。
5.根据权利要求1所述的一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述熔融池侧壁测温热电偶(11)由36组K型铠装热电偶组成，在周向0°、90°、180°、270°处沿不同的熔融池侧壁的径向角度布置在椭球形下封头(1)以及上部圆柱形连接筒(2)的内外壁面。
6.根据权利要求1所述的一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述熔融池内部硬壳测温多点热电偶(12)的数量为三个，每个测量长度均为55mm，沿长度方向均匀6个测点。
7.根据权利要求1所述的一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述实验装置的内径为1150mm，椭球形下封头(1)的深度286mm，上部圆柱形连接筒(2)的高度414mm，壁面厚度为10mm；外部冷却通道(3)的宽度为100mm。
8.根据权利要求1所述的一种三维椭球形熔融池换热特性测量实验装置，其特征在于：所述实验装置采用摩尔比例为20％NaNO3-80％KNO3二元混合物作为真实反应堆熔融物的替代材料。
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