CN110444302B - 冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置与实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置，包括模拟堆芯热工环境的运行系统，运行系统包括串联的蒸汽稳压器、换热器、循环泵、实验段，蒸汽稳压器设置有电热元件(13)，实验段(6)的出口端回接到蒸汽稳压器(1)，上述实验段接有功率可调的电源(12)；还包括模拟冷却剂装量减少的泄压系统，泄压系统包括快开快关阀(10)、卸压系统调节阀(9)，卸压系统调节阀(9)连通到蒸汽稳压器(1)、快开快关阀(10)与卸压系统调节阀(9)串联。可以实现入口过冷度、压降速率与加热功率等关键参数覆盖压水反应堆真实运行环境并且可以实时控制与调节，可以保证整个高温高压实验系统与设备的安全性和可靠性。

Description

冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置与实验方法

技术领域

本发明涉及压水反应堆热工水力及安全技术领域，具体冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置与实验方法。

背景技术

压水反应堆冷却剂装量减少是核动力厂设计法规中明确的假设始发事件之一，该事件的出现将引发一回路运行系统压力的持续下降，相应的饱和温度持续降低，堆芯出口冷却剂的过冷度不断减小，可能出现燃料元件偏离泡核沸腾，可能导致堆芯裸露而无法得到及时冷却、燃料包壳无法保持完整性，甚至出现堆芯融化而大量放射性物质释放的严重后果。稳压器安全阀意外开启、自动卸压系统意外投运、蒸汽发生器传热管破损、反应堆冷却剂压力边界破口等设计基准事故都会导致压水反应堆冷却剂装量减少、运行系统压力下降，因此，国际原子能机构和中国的核安全法规均要求控制反应堆冷却剂的装量和压力，确保在任何运行状态下都不超过设计限值。

1970年代至今，世界范围内针对引发反应堆冷却剂装量减少事件的设计基准事故工况堆芯热工安全特性的研究活动一直比较活跃。早期，受制于实验技术和计算分析技术水平，相关研究工作关注失水事故等设计基准事故过程中堆芯热工响应特性等宏观层次的具体现象，侧重于专设安全系统性能的初步验证和系统分析程序的模型构建；1990年后，随着高速摄像技术、光学探针技术、丝网技术等测试手段与计算流体力学工具的不断发展，失压条件下汽泡行为与汽液相界面特性等微观层次的汽液两相共性机理逐渐成为该领域研究的焦点。

目前，虽然失压条件下汽液两相共性机理研究已经开展多年，但是仍局限于非加热条件、中压中温范围、低入口过冷度、低压降速率等参数条件，与压水反应堆实际的运行环境与参数条件相差较远，相关的研究成果即不能准确地反映事故工况下压水反应堆的热工特性，又不能直接应用于现有压水反应堆热工安全分析工作。

发明内容

本发明目的在于：提出一种模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件下堆芯热工安全分离效应的实验装置与实验方法，拓宽失压条件下汽液两相共性机理与基础实验的热工参数范围，实现压降速率与加热功率的可控，保证整个高温高压系统与设备的安全性和可靠性，为现有压水反应堆热工安全分析工具的深入优化提供技术支撑。

本发明通过下述技术方案实现：

冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置，

包括模拟堆芯热工环境的运行系统，运行系统包括串联的蒸汽稳压器、换热器、循环泵、实验段，蒸汽稳压器设置有电热元件，实验段的出口端回接到蒸汽稳压器，上述实验段接有功率可调的电源；

还包括模拟冷却剂装量减少的泄压系统，泄压系统包括快开快关阀、卸压系统调节阀，卸压系统调节阀连通到蒸汽稳压器、快开快关阀与卸压系统调节阀串联。

所述电热元件用于给蒸汽稳压器中水工质加热，所述电源用于给所述实验段加热；

所述电源的输出功率变化模拟压水反应堆冷全集装量减少时间发生后堆芯功率变化，所述循环泵运行频率模拟压水反应堆冷全集装量减少时间发生后主泵惰转；

所述泄压系统内设置有用于卸压系统调节阀的开度随时间的变化曲线，所述泄压系统调节阀的开度模拟压水反应堆冷剂装量减少事件造成的运行系统压力下降。

本发明的设计原理为：

首先：本发明为了突破传统实验的中压中温参数范围，而改用更加接近实际堆芯热工状态的高温高压的热工环境的实验方法；本发明的装置分为运行系统和泄压系统，其中运行系统用于模拟热工工况环境，泄压系统用于模拟冷却剂装量减少效应。

其中，蒸汽稳压器的作用有3点，第一：独立运行时，使得其内部快速升温升压，使得整个运行系统获得一个起始温度，起始温度比一般温度要高，至少高于100摄氏度，使其内部形成气相，具有一定压力，同时该温度应不会在注入时对管道造成极大的冲击，一般低于或等于200摄氏度。第二：协同换热器、循环泵、实验段运行时，实现粗调，使得整个系统能达到一个接近初始稳态工况的状态；第三：在接近初始稳态工况的状态时，可以继续协同换热器、循环泵、实验段进行精调为实验所需的初始稳态工况。因此本发明为了实现高温高压的真实实验条件，其采用蒸汽稳压器和换热器、循环泵、实验段的协同设计，这样就可以实现逐级升温升压，前一独立运行的蒸汽稳压器阶段，实现快速升温，压力升高很小，后其协同分为2个阶段，第一个阶段为高速升压，使得压力和温度达到一个接近初始稳态工况的状态，后一阶段为精调，对初始稳态工况的实现，其协同逐级变换到高温高压环境的过程，其目的是减少必要管道造成冲击，使得实验设备稳定可靠，且能方便、快速的实现高温高压环境，且有利于在精调阶段实现快速精调。

本发明是针对分离效应，定位于机理与基础层次，从实际堆芯特性分离出传热等效应进行专门研究，非工程上多因素耦合后的直接验证实验。同时：本发明为了实现模拟堆芯加热条件下的功率状态响应，采用实验段和电源共同模拟压水反应堆堆芯与核释热；实验段和电源可以实现初始稳态工况的状态的精调，也能实现模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件发生后堆芯功率变化，使得实验更加符合实际工程状态和运行特性。

同时：本发明为了实现不同压降速率下压水反应堆冷却剂装量减少事件的响应，采用了快开快关阀、卸压系统调节阀实现，其中可以预先设置好不同的卸压系统调节阀的开度随时间的变化曲线，针对不同卸压系统调节阀的开度来实现不同压降速率，快开快关阀起到一个快速开启和关断作用。

换热器用于模拟压水反应堆的蒸汽发生器并参与运行系统压力的调节；蒸汽稳压器采用电热元件为系统提供热量并参与运行系统压力的调节；循环泵实现系统工质的输送。进一步的，为实现初始稳态工况的精调，在精调时，需要对质量流量进行调节，若仅依赖循环泵实现质量流量的调节，由于循环泵是变频的控制，其流速会形成类似脉冲式的变化，虽然整体质量流量的控制不会变化，但整个工质的流动难以平稳进行，因此为了控制更为精准的质量流量控制，本发明设置与实验段平行的旁路，具体的，所述运行系统还包括旁路支路，所述旁路支路包括串联的旁路流量计、旁路调节阀，旁路支路与实验段并联，且实验段与循环泵之间还串联有串联的实验支路流量计、实验支路调节阀。这样采用上述2个调节阀和流量计，可以测量并调节实验段流量。

基于上述各个部件的作用，为了在实验中控制好稳态工况，需要蒸汽稳压器、换热器、循环泵、实验段来综合调节，实现实验段入口过冷度、加热壁面热流密度、质量流量以及运行系统压力的调节。因此，本发明通过上述结构实现了更多维度的参数设置，使得实验数据更加精细和充分，同时能配合可控的压变速率，来观测压变速率对压力瞬变工况下传热模式转变的影响规律。同时实验段、电源配合使得其能模拟出不同工况变化下反应堆的功率变化，使得实验更加符合实际状态。本发明通过上述运行系统的设备的可控调节，来实现了实验段入口过冷度、加热壁面热流密度、质量流量以及运行系统压力等关键参数的控制与调节，给实验增加了更多维度的评价参量，同时，配合高压变速率，使得实验可以根据不同高压变速率进行实验。

为消除蒸汽向环境排放时的噪音，保护实验人员的职业健康。所述泄压系统还包括与快开快关阀连接的消音器。

基于冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置的实验方法，包括以下步骤：

构建初始工况步骤：启动电热元件给蒸汽稳压器中水工质加热，待蒸汽稳压器中蒸汽空间建立，温度达到起始温度；

升温升压步骤：当温度达到起始温度时，继续启动电热元件的同时、启动电源给实验段加热并启动换热器和循环泵，实现运行系统按照一定的速率进行升温升压；

构建初始稳态工况步骤：待运行系统温度、压力接近初始稳态所需温度和压力值时，综合调节运行系统中各个设备的参数，使得实验段入口过冷度、加热壁面热流密度、质量流量以及运行系统压力到达预定的初始稳态工况，使得整个运行系统以一个平衡稳态工况运行；

冷却剂装量减少模拟步骤：整个运行系统以一个平衡稳态工况运行时，先设置好卸压系统调节阀的开度随时间的变化曲线、再开启快开快关阀、以模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件造成的运行系统压力下降，同时调节电源的输出功率和循环泵运行频率、以模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件发生后堆芯功率变化和主泵惰转，以此实现瞬态工况的运行，在运行时观测记录各个监测数据。基于上述方法，本发明的构建初始工况步骤是使得蒸汽稳压器独立运行，操作时，利用快开快关阀将卸压系统与运行系统隔离，且循环泵、实验段、换热器不运行，此时的循环泵及运行系统的其他设备是与蒸汽稳压器联通的，只是循环泵及其他设备的标高低于蒸汽稳压器，由于热分层现象的作用，循环泵及其他设备均处于低温状态，不会消耗电热元件产生的热量，其目的是让蒸汽稳压器在电热元件的加热下，快速升高温度，同时建立蒸汽空间。但升高的最高值应控制到管道以及其他设备能接受的热冲击控制下。升温升压步骤的目的是：使得整个运行系统正常运行，模拟整个堆芯事故前的运行状态，且让运行系统的温度、压力逐渐接近预定的高温高压环境，且这种控制方式使得整个运行系统能缓慢适应高温高压环境，避免系统由于热冲击导致的系统不稳定性和设备故障。其中构建初始稳态工况步骤的目的是：在运行系统预定的高温高压环境时，利用系统各个参数的调节，缓慢让各个参数逐渐达到预定的初始稳态工况；该初始稳态工况是冷却剂装量减少事件发生前一般的运行状态。冷却剂装量减少模拟步骤的目的是：利用卸压系统调节阀的开度实现压降速率的控制，然后模拟出一定速度释放冷却剂装量减少的工况，可以通过控制不同的开度来实现不同速度释放冷却剂装量减少的工况，可以多次实验后进行数据观测，总结热工现象，同时为了模拟更加准确，需要通过控制调节电源的输出功率和循环泵运行频率、以模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件发生后堆芯功率变化和主泵惰转，以便更加符合实际工况。

上述操作步骤，总来来讲，其属于分阶段升温升压、分阶段的精确调节，使其符合逼真的工况条件。

优选的，若冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置没有设置有旁路支路时，综合调节运行系统中各个设备的参数的方法为：综合调节运行系统中各个设备的参数的方法为：先调节换热器的冷却水流量以实现实验段入口过冷度的调节，再调节循环泵的频率以实现系统质量流量(实验段质量流量)的调节，再调节电源的功率以实现加热壁面热流密度的调节，再调节电热元件的加热功率以实现运行系统压力的调节。上述参数的调节方法采用先后顺序控制，其目的是使得其能精准快速的达到初始稳态工况，避免随意的乱调导致难以达到初始稳态工况或到达初始稳态工况耗时较长或循环泵、换热器等主要设备出现故障。

优选的，若冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置设置有旁路支路时，综合调节运行系统中各个设备的参数的方法为：先调节换热器的冷却水流量以实现实验段入口过冷度的调节，再调节旁路调节阀、实验支路调节阀的开度以实现系统质量流量的调节，再调节电源的功率以实现加热壁面热流密度的调节，再调节电热元件的加热功率以实现运行系统压力的调节。上述参数的调节方法采用先后顺序控制，其目的是使得其能精准快速的达到初始稳态工况，避免随意的乱调导致难以达到初始稳态工况或到达初始稳态工况耗时较长或循环泵、换热器等主要设备出现故障。

优选的，起始温度：液相区域150摄氏度≤起始温度≤液相区域200摄氏度。优选的为200摄氏度。该温度范围和温度点值可以适应对管道和其他设备的热冲击，经过反复试验所得出的经验，若温度过低，则会导致构建初始稳态工况步骤所需时间较长，若温度过高，则会对管道和其他设备造成热冲击。

优选的，初始稳态所需温度为310℃-370℃，初始稳态所需压力值为10M-20MPa。上述参数为范围值，根据每次实验时，目标工况不同可以设置具体的点值，该点值设置在上述范围内。以某M国引进的反应堆堆芯为例，为了模拟其工况，其初始稳态工况下，其温度为360℃，压力为18MPa。以F国进的反应堆堆芯为例，为了模拟其工况，其初始稳态工况下，其温度为350℃，压力为16MPa。也可以自定义初始稳态工况所需的任何点值和压力值，因此可以拓展失压条件下汽液两相共性机理实验的热工参数至高温高压范围，最高可以开展370℃、20MPa的实验。

冷却剂装量减少模拟步骤之后，还包括低压稳态运行步骤，所述低压稳态运行步骤为：当运行系统压力降至预定数值后，关闭卸压系统的快开快关阀，调节系统参数，将运行系统由瞬态运行状态转变为低压稳态运行状态。

当其为低压稳态运行状态时，多次调节覆盖现有压水反应堆运行参数范围后重复升温升压步骤、构建初始稳态工况步骤、冷却剂装量减少模拟步骤，以此获得覆盖现有压水反应堆运行参数范围的失压条件下汽液两相共性机理实验研究参数。

本发明的有益效果包括：

a.采用本发明提供的实验装置与实验方法，可以模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件下堆芯热工安全分离效应；

b.采用本发明提供的实验装置与实验方法，可以拓展失压条件下汽液两相共性机理实验的热工参数至高温高压范围(20MPa，370℃)；

c.采用本发明提供的实验装置与实验方法，可以实现入口过冷度、压降速率与加热功率等关键参数覆盖压水反应堆真实运行环境并且可以实时控制与调节；

d.采用本发明提供的实验装置与实验方法，可以保证整个高温高压实验系统与设备的安全性和可靠性，为现有压水反应堆热工安全分析工具的深入优化提供技术支撑。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图。图中附图标记分别表示为：1、蒸汽稳压器，2、换热器，3、循环泵，4、实验支路流量计、，5、实验支路调节阀，6、实验段，7、旁路流量计，8、旁路调节阀，9、卸压系统调节阀，10、快开快关阀，11、消音器，12、电源，13、电热元件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示(省略与实验段平行的旁路)，冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置，

包括模拟堆芯热工环境的运行系统，运行系统包括串联的蒸汽稳压器1、换热器2、循环泵3、实验段6，蒸汽稳压器1设置有电热元件13，实验段6的出口端回接到蒸汽稳压器1，上述实验段6接有功率可调的电源12；

还包括模拟冷却剂装量减少的泄压系统，泄压系统包括快开快关阀10、卸压系统调节阀9，卸压系统调节阀9连通到蒸汽稳压器1、快开快关阀10与卸压系统调节阀9串联。

运行系统用于模拟压水反应堆一回路系统，卸压系统实现运行系统压力的下降与压降速率的调节。各设备的连接关系如下：蒸汽稳压器底部出口与换热器的管程入口连接，换热器的管程出口与循环泵入口连接，循环泵出口分为1条支路，即实验支路，因此，循环泵出口与实验段连接，实验段连接于1蒸汽稳压器上部接口连接。其中，电热元件安装于蒸汽稳压器底部，电源的正负极通过导线分别连接于实验段的正负极。

本发明的设计原理为：

首先：本发明为了突破传统实验的中压中温参数范围，而改用更加接近实际堆芯热工状态的高温高压的热工环境的实验方法；本发明的装置分为运行系统和泄压系统，其中运行系统用于模拟热工工况环境，泄压系统用于模拟冷却剂装量减少效应。

其中，蒸汽稳压器的作用有3点，第一：独立运行时，使得其内部快速升温升压，使得整个运行系统获得一个起始温度，起始温度比一般温度要高，至少高于100摄氏度，使其内部形成气相，具有一定压力，同时该温度应不会在注入时对管道造成极大的冲击，一般低于或等于200摄氏度。第二：协同换热器、循环泵、实验段运行时，实现粗调，使得整个系统能达到一个接近初始稳态工况的状态；第三：在接近初始稳态工况的状态时，可以继续协同换热器、循环泵、实验段进行精调为实验所需的初始稳态工况。因此本发明为了实现高温高压的真实实验条件，其采用蒸汽稳压器和换热器、循环泵、实验段的协同设计，这样就可以实现逐级升温升压，前一独立运行的蒸汽稳压器阶段，实现快速升温，压力升高很小，后其协同分为2个阶段，第一个阶段为高速升压，使得压力和温度达到一个接近初始稳态工况的状态，后一阶段为精调，对初始稳态工况的实现，其协同逐级变换到高温高压环境的过程，其目的是减少必要管道造成冲击，使得实验设备稳定可靠，且能方便、快速的实现高温高压环境，且有利于在精调阶段实现快速精调。

本发明是针对分离效应，定位于机理与基础层次，从实际堆芯特性分离出传热等效应进行专门研究，非工程上多因素耦合后的直接验证实验。同时：本发明为了实现模拟堆芯加热条件下的功率状态响应，采用实验段和电源共同模拟压水反应堆堆芯与核释热；实验段和电源可以实现初始稳态工况的状态的精调，也能实现模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件发生后堆芯功率变化，使得实验更加符合实际工程状态和运行特性。

同时：本发明为了实现不同压降速率下压水反应堆冷却剂装量减少事件的响应，采用了快开快关阀、卸压系统调节阀实现，其中可以预先设置好不同的卸压系统调节阀的开度随时间的变化曲线，针对不同卸压系统调节阀的开度来实现不同压降速率，快开快关阀起到一个快速开启和关断作用。

换热器用于模拟压水反应堆的蒸汽发生器并参与运行系统压力的调节；蒸汽稳压器采用电热元件为系统提供热量并参与运行系统压力的调节；循环泵实现系统工质的输送。

实施例2

如图1所示(增设与实验段平行的旁路)，在实施例1的基础上，进一步的，为实现初始稳态工况的精调，在精调时，需要对质量

流量进行调节，若仅依赖循环泵3实现质量流量的调节，由于循环泵3是变频控制，其流速会形成类似脉冲式的变化，虽然整体质量流量的控制不会变化，但整个工质的流动难以平稳就进行，因此为了控制更为精准的质量流量控制，本发明设置与实验段平行的旁路，具体的，所述运行系统还包括旁路支路，所述旁路支路包括串联的旁路流量计7、旁路调节阀8，旁路支路与实验段6并联，且实验段6与循环泵3之间还串联有串联的实验支路流量计4、实验支路调节阀5。这样采用上述2个调节阀和流量计，可以测量并调节实验段流量。在本实施例中，各设备的连接关系如下：蒸汽稳压器底部出口与换热器的管程入口连接，换热器的管程出口与循环泵入口连接，循环泵出口分为两条支路，即实验支路和旁路，因此，循环泵出口与实验支路流量计入口和旁路流量计入口连接，然后实验支路流量出口与实验支路调节阀入口连接，实验支路调节阀出口与实验段入口连接，而旁路流量出口与旁路调节阀入口连接，旁路调节阀出口和实验段出口汇合后连接于蒸汽稳压器上部接口连接。其中，电热元件安装于蒸汽稳压器底部，电源的正负极通过导线分别连接于实验段的正负极。在上述实例中，为消除蒸汽向环境排放时的噪音，保护实验人员的职业健康。所述泄压系统还包括与快开快关阀连接的消音器11。

实施例3

如图1所示

基于冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置的实验方法，包括以下步骤：

构建初始工况步骤：将快开快关阀10关闭，实现卸压系统与运行系统的隔离，启动电热元件给蒸汽稳压器中水工质加热，使运行系统按照一定的速率进行升压，升压过程中，不启动换热器、循环泵和电源，蒸汽稳压器独立升温升压，待蒸汽稳压器中蒸汽空间建立，温度达到起始温度；

升温升压步骤：待到蒸汽稳压器的蒸汽空间建立且蒸汽稳压器的液相区域温度不超过起始温度200℃时，温度达到起始温度时，继续启动电热元件的同时、启动电源给实验段加热并启动换热器和循环泵，实现运行系统按照一定的速率进行升温升压；

构建初始稳态工况步骤：待运行系统温度、压力接近初始稳态所需温度和压力值时，综合调节运行系统中各个设备的参数，使得实验段入口过冷度、加热壁面热流密度、质量流量以及运行系统压力到达预定的初始稳态工况，使得整个运行系统以一个平衡稳态工况运行；冷却剂装量减少模拟步骤：整个运行系统以一个平衡稳态工况运行时，先设置好卸压系统调节阀的开度、再开启快开快关阀、以模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件造成的运行系统压力下降，同时调节电源的输出功率和循环泵运行频率、以模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件发生后堆芯功率变化和主泵惰转，以此实现瞬态工况的运行，在运行时观测记录各个监测数据。

基于上述方法，本发明的构建初始工况步骤是使得蒸汽稳压器独立运行，操作时，利用快开快关阀将卸压系统与运行系统隔离，且循环泵3、实验段6、换热器2不运行，循环泵及运行系统的其他设备是与蒸汽稳压器联通的，只是循环泵及其他设备的标高低于蒸汽稳压器，由于热分层现象的作用，循环泵及其他设备均处于低温状态，不会消耗电热元件产生的热量，其目的是让蒸汽稳压器在电热元件的加热下，快速升高温度，同时建立蒸汽空间。但升高的最高值应控制到管道以及其他设备能接受的热冲击控制下。升温升压步骤的目的是：使得整个运行系统正常运行，模拟整个堆芯事故前的运行状态，且让运行系统的温度、压力逐渐接近预定的高温高压环境，且这种控制方式使得整个运行系统能缓慢适应高温高压环境，避免系统由于热冲击导致的系统不稳定性。其中构建初始稳态工况步骤的目的是：在运行系统预定的高温高压环境时，利用系统各个参数的调节，慢慢让各个参数逐渐达到预定的初始稳态工况；该初始稳态工况是冷却剂装量减少事件发生前一般的运行状态。冷却剂装量减少模拟步骤的目的是：利用卸压系统调节阀的开度随时间的变化曲线实现压降速率的控制，然后模拟出一定速度释放冷却剂装量减少的工况，可以通过控制不同的开度随时间的变化曲线来实现不同速度释放冷却剂装量减少的工况，可以多次试验后进行数据观测，总结热工现象，同时为了模拟更加准确，需要通过控制调节电源的输出功率和循环泵运行频率、以模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件发生后堆芯功率变化和主泵惰转，以便更加符合实际工况。

上述操作步骤，总来来讲，其属于分阶段升温升压、分阶段的精确调节，使其符合逼真的工况条件。

优选的，综合调节运行系统中各个设备的参数的方法为：先调节换热器的冷却水流量以实现实验段入口过冷度的调节，再调节循环泵的频率以实现系统质量流量的调节，再调节电源的功率以实现加热壁面热流密度的调节，再调节电热元件的加热功率以实现运行系统压力的调节。上述参数的调节方法采用先后顺序控制，其目的是使得其能精准快速的达到初始稳态工况，避免随意的乱调导致难以达到初始稳态工况。

优选的，若冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置设置有旁路支路时，综合调节运行系统中各个设备的参数的方法为：先调节换热器的冷却水流量以实现实验段入口过冷度的调节，再调节旁路调节阀8、实验支路调节阀5的开度以实现系统质量流量的调节，再调节电源的功率以实现加热壁面热流密度的调节，再调节电热元件的加热功率以实现运行系统压力的调节。上述参数的调节方法采用先后顺序控制，其目的是使得其能精准快速的达到初始稳态工况，避免随意的乱调导致难以达到初始稳态工况或到达初始稳态工况耗时较长或循环泵、换热器等主要设备出现故障。

优选的，起始温度为：液相区域150摄氏度≤起始温度为≤液相区域200摄氏度，起始温度为起始温度。优选的为200摄氏度。该温度范围和温度点值可以适应对管道和其他设备的热冲击，经过反复试验所得出的经验，若温度过低，则会导致构建初始稳态工况步骤所需时间较长，若温度过高，则会对管道和其他设备造成热冲击。

优选的，初始稳态所需温度为310℃-370℃，初始稳态所需压力值为10M-20MPa。上述参数为范围值，根据每次实验时，目标工况不同可以设置具体的点值，该点值设置在上述范围内。以某M国引进的反应堆堆芯为例，为了模拟其工况，其初始稳态工况下，其温度为360℃，压力为18MPa。以F国进的反应堆堆芯为例，为了模拟其工况，其初始稳态工况下，其温度为350℃，压力为16MPa。也可以自定义初始稳态工况所需的任何点值和压力值，因此可以拓展失压条件下汽液两相共性机理实验的热工参数至高温高压范围，最高可以开展370℃、20MPa的实验。

冷却剂装量减少模拟步骤之后，还包括低压稳态运行步骤，所述低压稳态运行步骤为：当运行系统压力降至预定数值后，关闭卸压系统的快开快关阀，调节系统参数，将运行系统由瞬态运行状态转变为低压稳态运行状态。

当其为低压稳态运行状态时，多次调节覆盖现有压水反应堆运行参数范围后重复升温升压步骤、构建初始稳态工况步骤、冷却剂装量减少模拟步骤，以此获得覆盖现有压水反应堆运行参数范围的失压条件下汽液两相共性机理实验研究参数。

总的来说，本发明为一种模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件下堆芯热工安全分离效应的实验装置与实验方法，实验装置包括运行系统和卸压系统，主要设备包括蒸汽稳压器、换热器、循环泵、实验段、电源、调节阀、电热元件、调节阀、快开快关阀、消音器以及必要的连接管道与流量计、温度、压力压差测量设备。实验方法包括系统升温升压方法、初始稳态工况建立方法、瞬态工况运行方法和瞬态工况转稳态工况处理方法。采用本发明提供的实验装置及工艺上方法，可以模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件下堆芯热工安全分离效应，可以拓展失压条件下汽液两相共性机理实验的热工参数至高温高压范围(20MPa，370℃)，可以实现入口过冷度、压降速率与加热功率等关键参数覆盖压水反应堆真实运行环境并且可以实时控制与调节，可以保证整个高温高压实验系统与设备的安全性和可靠性，为现有压水反应堆热工安全分析工具的深入优化提供技术支撑。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置，其特征在于，

包括模拟堆芯热工环境的运行系统，运行系统包括串联的蒸汽稳压器(1)、换热器(2)、循环泵(3)、实验段(6)，蒸汽稳压器(1)设置有电热元件(13)，实验段(6)的出口端回接到蒸汽稳压器(1)，上述实验段(6)接有功率可调的电源(12)；

所述电热元件(13)用于给蒸汽稳压器(1)中水工质加热，所述电源(10)用于给所述实验段(6)加热；

所述电源(12)的输出功率变化模拟压水反应堆冷全集装量减少时间发生后堆芯功率变化，所述循环泵(3)运行频率模拟压水反应堆冷全集装量减少时间发生后主泵惰转；

还包括模拟冷却剂装量减少的泄压系统，泄压系统包括快开快关阀(10)、卸压系统调节阀(9)，卸压系统调节阀(9)连通到蒸汽稳压器(1)、快开快关阀(10)与卸压系统调节阀(9)串联；

所述泄压系统内设置有用于卸压系统调节阀(9)的开度随时间的变化曲线，所述泄压系统调节阀(9)的开度模拟压水反应堆冷剂装量减少事件造成的运行系统压力下降。

2.根据权利要求1所述的冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置，其特征在于，所述运行系统还包括旁路支路，所述旁路支路包括串联的旁路流量计(7)、旁路调节阀(8)，旁路支路与实验段(6)并联，且实验段(6)与循环泵(3)之间还串联有串联的实验支路流量计(4)、实验支路调节阀(5)。

3.根据权利要求2所述的冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置，其特征在于，所述泄压系统还包括与快开快关阀连接的消音器(11)。

4.基于冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置的实验方法，其特征在于，基于如权利要求2-3中任一项所述的冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置，所述实验方法包括以下步骤：

构建初始工况步骤：启动电热元件给蒸汽稳压器中水工质加热，待蒸汽稳压器中蒸汽空间建立，温度达到起始温度；升温升压步骤：当温度达到起始温度时，继续启动电热元件的同时、启动电源给实验段加热并启动换热器和循环泵，实现运行系统按照一定的速率进行升温升压；

构建初始稳态工况步骤：待运行系统温度、压力接近初始稳态所需温度和压力值时，综合调节运行系统中各个设备的参数，使得实验段入口过冷度、加热壁面热流密度、质量流量以及运行系统压力到达预定的初始稳态工况，使得整个运行系统以一个平衡稳态工况运行；

冷却剂装量减少模拟步骤：整个运行系统以一个平衡稳态工况运行时，先设置好卸压系统调节阀的开度随时间的变化曲线、再开启快开快关阀、以模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件造成的运行系统压力下降，同时调节电源的输出功率和循环泵运行频率、以模拟压水反应堆冷却剂装量减少事件发生后堆芯功率变化和主泵惰转，以此实现瞬态工况的运行。

5.根据权利要求4所述的实验方法，其特征在于，若冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置没有设置有旁路支路时，综合调节运行系统中各个设备的参数的方法为：先调节换热器的冷却水流量以实现实验段入口过冷度的调节，再调节循环泵的频率以实现系统质量流量的调节，再调节电源的功率以实现加热壁面热流密度的调节，再调节电热元件的加热功率以实现运行系统压力的调节。

6.根据权利要求4所述的实验方法，其特征在于，若冷却剂装量减少事件下堆芯热工实验装置设置有旁路支路时，综合调节运行系统中各个设备的参数的方法为：先调节换热器的冷却水流量以实现实验段入口过冷度的调节，再调节旁路调节阀(8)、实验支路调节阀(5)的开度以实现系统质量流量的调节，再调节电源的功率以实现加热壁面热流密度的调节，再调节电热元件的加热功率以实现运行系统压力的调节。

7.根据权利要求4所述的实验方法，其特征在于，起始温度为：液相区域150摄氏度≤起始温度≤液相区域200摄氏度。

8.根据权利要求4所述的实验方法，其特征在于，初始稳态所需温度为310℃-370℃，初始稳态所需压力值为10M-20MPa。

9.根据权利要求4-8中任意一项所述的实验方法，其特征在于，冷却剂装量减少模拟步骤之后，还包括低压稳态运行步骤，所述低压稳态运行步骤为：当运行系统压力降至预定数值后，关闭卸压系统的快开快关阀，调节系统参数，将运行系统由瞬态运行状态转变为低压稳态运行状态。

10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于，当其为低压稳态运行状态时，多次调节覆盖现有压水反应堆运行参数范围后重复升温升压步骤、构建初始稳态工况步骤、冷却剂装量减少模拟步骤，以此获得覆盖现有压水反应堆运行参数范围的失压条件下汽液两相共性机理实验研究参数。

Images