CN110600160A - 一种管束集冷却回路辐照装置及其循环方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管束集冷却回路辐照装置及其循环方法，包括穿过定位法兰的循环出水管、内循环进水管、外循环进水管、进气管和保护管；还包括内层辐照罐、中层辐照罐、外层辐照罐，外层辐照罐和中层辐照罐之间形成外层环形空间，中层辐照罐和内层辐照罐之间形成内层环形空间；内层环形空间内安装夹块；中层辐照罐外侧底端安装集水盖，外层辐照罐外侧顶端安装分割水室；分割水室中间设置隔板，隔板与分割水室的侧壁配合将分割水室分为内循环水室、外循环水室。本发明用以解决现有技术中辐照孔道轴向的中子注量存在差异，导致轴向温度不均匀，进而辐照装置内材料试样温度存在差异的问题，实现保证辐照装置内各材料试样的温度接近的目的。

Description

一种管束集冷却回路辐照装置及其循环方法

技术领域

本发明涉及堆材料辐照技术领域，具体涉及一种管束集冷却回路辐照装置及其循环方法。

背景技术

今年来，核工业进入蓬勃发展阶段，对于各类新型核材料的需求不断增大。在新材料投入使用之前，需要在试验堆上验证材料的物理、化学等性能，保证新材料能满足反应堆设计运行要求。样品在堆内的辐照，不能直接将样品放到堆内考验，需要将辐照材料加工成满足各项性能测试的辐照样品，并按一定的规律排列夹持，然后随辐照装置进入堆内。

目前，试验堆中的辐照装置多采用惰性气体调节温度的方式，针对不同位置的孔道，辐照装置结构存在差异，但基本原理一致。由于反应堆孔道内轴向中子注入量不同，致使孔道内轴向的温度存在较大差异。传统辐照装置温度调节系统利用导热系数差异较大的两种惰性气体交替通入，实现温度的控制。其主要问题在于调节速率低，且辐照装置轴向温差依旧较大。对实验结果影响明显。针对惰性气体调节辐照装置内温度的结构，国内外学者先后对其进行改进，包括环形夹块结构、阶梯型夹块结构、以及分段调节温度结构等。但其效果并不理想。分析其原因：一方面是夹块同辐照罐的空间要求较小，气体间隙有限，调节滞后，另一方面限于加工条件，辐照装置零件加工精度不够，空气间隙同设计值存在差异。针对现有辐照装置的不足，需要从新角度切入，改变温度调节系统的调节原理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管束集冷却回路辐照装置及其循环方法，以解决现有技术中辐照孔道轴向的中子注量存在差异，导致轴向温度不均匀，进而辐照装置内材料试样温度存在差异的问题，实现保证辐照装置内各材料试样的温度接近、降低各材料试样的温度差异性的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种管束集冷却回路辐照装置，包括定位法兰，还包括穿过定位法兰的循环出水管、内循环进水管、外循环进水管、进气管和保护管；还包括由内至外依次套设的内层辐照罐、中层辐照罐、外层辐照罐，所述外层辐照罐和中层辐照罐之间形成外层环形空间，中层辐照罐和内层辐照罐之间形成内层环形空间；所述内层环形空间内安装夹块，所述夹块上组装样品和假样，所述假样上焊接热电偶，并穿过保护管引到堆外；所述内层辐照罐内侧顶部安装单向阀，所述内层辐照罐内侧底部安装导叶(，所述中层辐照罐外侧底端安装集水盖，所述外层辐照罐内侧底部安装稳流隔板，所述外层辐照罐外侧顶端安装分割水室；所述分割水室中间设置隔板，所述隔板与分割水室的侧壁配合将分割水室分为内循环水室、外循环水室，所述内循环水室连通内层冷却管，外循环水室连通外层冷却管，所述内层冷却管、外层冷却管均安装在外层环形空间内。

任何核材料工业应用前，都要经历辐照考验，验证其在辐射环境中的各项性能。因此，材料的辐照实验结果将决定核材料是否可以工业应用，对于核材料辐照实验的实施，其中主要设备为辐照装置，辐照装置的性能也将决定辐照实验是否成功，辐照后检验结果是否可信。由于反应堆自身的结构特点，辐照孔道轴向的中子注量存在差异，导致轴向温度不均匀，进而辐照装置内材料试样温度存在差异。本发明的目的就是要解决辐照装置轴向温度不均匀问题，设置内外循环管束集冷却循环回路对辐照装置内温度进行控制，保证辐照装置内各材料试样的温度接近。本装置包括定位法兰、循环出水管、内循环进水管、外循环进水管、进气管和保护管，所述的循环出水管、内循环进水管、外循环进水管、进气管和保护管穿过定位法兰，安装辐照装置时，定位法兰安装在反应堆顶的固定法兰上，定位法兰以下的部分处于反应堆压力容器内部，本发明还包括外层辐照罐、中层辐照罐和内层辐照罐，所述的外层辐照罐和中层辐照罐形成外层环形空间，中层辐照罐和内层辐照罐形成内层环形空间；内层冷却管和外层冷却管安装在外层环形空间内，夹块安装在内层环形空间内，夹块为环形结构，套在内层辐照罐外层。夹块为现有技术，一般为了组装方便，将夹块切割为两半，在夹块上环形线切割样品盒和假样盒，样品和假样都组装在夹块中，其中在假样上焊接热电偶，并穿过保护管引到堆外。单向阀安装在内层辐照罐内侧顶部，只允许内层辐照罐中的冷却水流出；导叶安装在内层辐照罐内侧底部，进入集水盖的内层循环水通过导叶造旋，不仅加快了水的流动速度，并且冷却水快速旋转沿着内层辐照罐的内壁流动，增加了冷却水的流程和流速，改善冷却效果；集水盖安装在中层辐照罐外侧底端，将所有内层冷却管中水汇聚之后进入内层辐照罐；稳流隔板安装在外层辐照罐内侧底部，将来自外层冷却管的水重新分配稳流，进入外层环形空间，分割水室安装在外层辐照罐外侧顶端，主要是为了分割进入内层冷却管和外层冷却管的冷却水。本发明采用管束集结构，形成多管路冷却通道，克服了传统辐照装置气冷却调节范围小、缓慢及调节效果不明显的缺陷，提高了辐照装置在轴向上的温度调控能力，从而满足了辐照装置在轴向温差小的要求。

进一步的，所述内层冷却管一端与分割水室连通，另一端与集水盖连通；外层冷却管一端与分割水室连通，另一端穿过稳流隔板；集水盖和内层下盖板形成与外层环形空间隔绝的集水室，所述集水室与内层辐照罐连通。

进一步的，内层下盖板、内层上盖板分别焊接在中层辐照罐的底端、顶端，内层下盖板、内层上盖板与内层辐照罐围绕形成同外层环形空间隔离的内层环形空间；若干个夹块依次叠加组装在内层环形空间内；下垫块、上垫块分别顶在内层环形空间底端、顶端。

进一步的，外层下盖板、外层辐照罐和外层上盖板共同将中层辐照罐和内层辐照罐包裹在内；循环出水管穿过分割水室并与外层上盖板焊接，且循环出水管连通外层辐照罐内部；进气管、保护管均穿过分割水室、外层上盖板，并同内层上盖板焊接，且进气管、保护管连通中层辐照罐内部。

进一步的，所述内循环进水管连通内循环水室；所述外循环进水管连通外循环水室；所述稳流隔板上开有若干环形阵列的小孔。

进一步的，所述内层冷却管侧面对称分布侧翼，内层冷却管的侧翼紧贴外层辐照罐和中层辐照罐，并在轴向上将外层环形空间的一半空间分成若干个轴向流道；外层冷却管侧面也对称分布侧翼，外层冷却管的侧翼紧贴外层辐照罐和中层辐照罐，并在轴向将外层环形空间的一半空间分成若干个轴向流道。

进一步的，所述内层辐照罐、中层辐照罐、外层辐照罐的长度依次增大；内层冷却管的侧翼长度、外层冷却管的侧翼长度，均等于中层辐照罐长度。

进一步的，所述内层冷却管的外径等于外层环形空间的径向间距，并在轴向将外层环形空间的一半空间分成至少6个轴向流道；外层冷却管的外径等于外层环形空间的径向间距，并在轴向将外层环形空间的一半空间分成至少6个轴向流道。

基于一种管束集冷却回路辐照装置的循环方法，包括内循环冷却回路、外循环冷却回路：

所述内循环冷却回路为：冷却水从内循环进水管进入内循环水室，然后均匀分配给每一个内层冷却管，冷却水顺着内层冷却管进入集水盖紧接着通过导叶进入内层辐照罐，内层循环水通过导叶造旋，不仅加快了水的流动速度，并且冷却水快速旋转沿着内层辐照罐的内壁流动，增加了冷却水的流程和流速，最后通过单向阀流出；

所述外循环冷却回路为：冷却水从外循环进水管进入外循环水室，然后均匀分配给每一个外层冷却管，冷却水通过外层冷却管进入稳流隔板以下，再穿过稳流隔板后通过外层环形空间中的流道流出。

其中，通过外层环形空间中的流道流出的冷却水，和从单向阀流出的冷却水汇合，共同从循环出水管流出。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种管束集冷却回路辐照装置及其循环方法，在传统气体控制温度的基础上，采用循环水调节辐照装置温度，可以调节循环水的流量，进而控制温度的调节范围，调节效率高，且比仅仅利用气体调节效果更加突出。

2、本发明一种管束集冷却回路辐照装置及其循环方法，在辐照内轴向设置多条冷却管，使外层环形空间形成上下行对流形态，提高了冷却水和辐照装置冷却效率，且均匀环形排布的冷却管将外层环形空间分割成多个流道，使冷却水流动更加均匀。

3、本发明一种管束集冷却回路辐照装置及其循环方法，具有两条冷却回路，包括外循环冷却回路和内循环冷却回路，夹块内外层都设置冷却回路，不仅使辐照装置的控温更加均匀，同时也增长冷却回路，夹块与冷却回路的接触面积增大，提高控温效率，实现快速平衡温差，保证辐照装置在轴向温度恒定。

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为本发明具体实施例过轴线的剖视图；

图2为图1中B-B剖面示意图；

图3为图1中C-C剖面示意图；

图4为图1中D-D剖面示意图；

图5为图1中E-E剖面示意图；

图6为图1中F-F剖面示意图；

图7为本发明具体实施例中导叶的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-定位法兰，2-循环出水管，3-内循环进水管，4-水室盖板，5-外层上盖板，6-内层冷却管，7-外层辐照罐，8-夹块，9-内层下盖板，10-集水盖，11-外层下盖板，12-稳流隔板，13-导叶，14-下垫块，15-中层辐照罐，16-内层辐照罐，17-上垫块，18-内层上盖板，19-单向阀，20-外层冷却管，21-分割水室，22-外循环进水管，23-进气管，24-保护管。

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至图7所示，包括定位法兰1、循环出水管2、内循环进水管3、外循环进水管22、进气管23和保护管24，所述的循环出水管2、内循环进水管3、外循环进水管22、进气管23和保护管24穿过定位法兰1，安装辐照装置时，定位法兰1安装在反应堆顶的固定法兰上，定位法兰1以下的部分处于反应堆压力容器内部，本发明还包括外层辐照罐7、中层辐照罐15和内层辐照罐16，其直径依次减小，其中外层辐照罐7最长，接着是内层辐照罐16，中层辐照罐15最短，所述的外层辐照罐7和中层辐照罐15形成外层环形空间，中层辐照罐15和内层辐照罐16形成内层环形空间；内层冷却管6和外层冷却管20安装在外层环形空间内，夹块8安装在内层环形空间内，夹块8为环形结构，套在内层辐照罐16外层，一般为了组装方便，夹块8切割为两半，在夹块8上环形线切割样品盒和假样盒，样品和假样都组装在夹块8中，其中在假样上焊接热电偶，并且通过保护管引到堆外。单向阀19安装在内层辐照罐16内侧顶部，只允许内层辐照罐16中的冷却水流出；导叶13安装在内层辐照罐16内侧底部，进入集水盖10的内层循环水通过导叶造旋，不仅加快了水的流动速度，并且冷却水快速旋转沿着内层辐照罐16的内壁流动，增加了冷却水的流程和流速，改善冷却效果；集水盖10安装在中层辐照罐15外侧底端，将所有内层冷却管6中水汇聚之后进入内层辐照罐16；稳流隔板12安装在外层辐照罐7内侧底部，将来自外层冷却管20的水重新分配稳流，进入外层环形空间，分割水室21安装在外层辐照罐7外侧顶端，主要是为了分割进入内层冷却管6和外层冷却管20的冷却水。

内层冷却管6一端通入分割水室21，另一端通入集水盖10，至少6根内层冷却管6环形均布在外层环形空间的一半空间内；外层冷却管20一端通入分割水室21，另一端穿过稳流隔板12，至少6根内层冷却管6环形均布在外层环形空间另一半空间内。内层冷却管6侧面对称分布侧翼，侧翼紧贴外层辐照罐7和中层辐照罐15，并在轴向将外层环形空间的一半空间分成至少6个轴向流道；外层冷却管20侧面对称分布侧翼，侧翼紧贴外层辐照罐7和中层辐照罐15，并在轴向将外层环形空间的一半空间分成至少6个轴向流道。内层冷却管6的外径等于外层环形空间的径向间距，并在轴向将外层环形空间的一半空间分成至少6个轴向流道；外层冷却管20的外径等于外层环形空间的径向间距，并在轴向将外层环形空间的一半空间分成至少6个轴向流道。

分割水室21中间设置隔板，水室盖板4和外层上盖板5将分割水室21分成内循环水室和外循环水室，其中内循环水室连通内层冷却管6，外循环水室连通外层冷却管20，除此之外，内循环水室和外循环水室和外界隔绝。分割水室21中间隔板上设置允许循环出水管2、进气管23和保护管24穿过的隔孔。

集水盖10和内层下盖板9形成同外层环形空间隔绝的集水室，集水室同内层辐照罐16连通。内层辐照罐16穿过内层上盖板18，从内层辐照罐16流出的冷却水同外层环形空间流出的冷却水汇合后从循环出水管2流出。

内层下盖板9和内层上盖板18焊接在中层辐照罐15两端，结合内层辐照罐16形成同外层环形空间隔离的内层环形空间；至少5个夹块依次叠加组装在内层环形空间内，下垫块14和上垫块17分别顶在内层环形空间两端。

外层下盖板11、外层辐照罐7和外层上盖板5将中层辐照罐15和内层辐照罐16包裹在内。循环出水管2穿过分割水室21同外层上盖板5焊接，并连通外层辐照罐7内部。

进气管23和保护管24穿过分割水室21及外层上盖板5同内层上盖板18焊接，并连通中层辐照罐15内部。保护管24既作为惰性气体出气管，同时兼做热电偶丝保护装置。

内循环进水管3连通内循环水室，从内循环进水管3进入内循环水室进入的冷却水通过内层冷却管6进入集水盖10，再进入内层辐照罐16，最后从循环出水管2流出；外循环进水管22连通外循环水室，从外循环进水管22进入外循环水室进入的冷却水通过外层冷却管20进入稳流隔板12以下，再穿过稳流隔板12后通过外层环形空间中的流道流出，最后从循环出水管2流出。

稳流隔板12上开有环形阵列小孔，内层冷却管6和外层冷却管20的侧翼长度等于中层辐照罐15长度，内层冷却管6和外层冷却管20的侧翼配合外层辐照罐7和中层辐照罐15将外层环形空间分成多个轴向流动，内层冷却管6和外层冷却管20中为向下流，管外为向上流，形成对流形态。

上述装置组装完毕后，总体有两条冷却回路，即内循环冷却回路和外循环冷却回路，两条回路完成循环后汇合后一起流出。内层冷却管6和外层冷却管20的外侧对称分布侧翼，侧翼紧贴外层辐照罐7内侧及中层辐照罐15外侧，且侧翼长度等于中层辐照罐15长度，内层冷却管6和外层冷却管20的侧翼配合外层辐照罐7和中层辐照罐15将外层环形空间分成多个轴向流动，内层冷却管6和外层冷却管20中为向下流，管外为向上流，形成对流形态。

冷却水从内循环进水管3进入内循环水室，然后均匀分配给每一个内层冷却管6，冷却水顺着内层冷却管6进入集水盖10紧接着通过导叶13进入内层辐照罐16，内层循环水通过导叶造旋，不仅加快了水的流动速度，并且冷却水快速旋转沿着内层辐照罐16的内壁流动，增加了冷却水的流程和流速，最后通过单向阀19。

冷却水从外循环进水管22进入外循环水室，然后均匀分配给每一个外层冷却管20，冷却水通过外层冷却管20进入稳流隔板12以下，再穿过稳流隔板12后通过外层环形空间中的流道流出，。最终和从单向阀19流出的冷却水汇合从循环出水管2流出。

多道下行流和多道上行流形成对流，在辐照装置中轴向循环，可以将高温处的热量带走，并对低温处进行补充，控制整个辐照装置轴向温差在允许的范围之内。

实施例2：

在实施例1的基础上，对内层冷却管6和外层冷却管20的结构进行改进，首先设置内层冷却管6和外层冷却管20的外径等于外层环形空间的径向距离间距，取消冷却管的侧翼，直接利用冷却管将外层环形空间分割成多个流道，增大内层冷却管6和外层冷却管20中的流量，提高冷却效率。

实施例3：

在实施例1的基础上，内层冷却管6和外层冷却管20交叉间隔分布，代替内层冷却管6和外层冷却管20各站外层环形空间的二分之一空间。由于内层冷却管6和外层冷却管20中的冷却水与辐照装置的接触面积不同，因此，其冷却水的温度也存在差异，通过交叉间隔分布内层冷却管6和外层冷却管20，可以有效的避免辐照装置左右两半的温度存在差异。

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)

1.一种管束集冷却回路辐照装置，包括定位法兰(1)，其特征在于，还包括穿过定位法兰(1)的循环出水管(2)、内循环进水管(3)、外循环进水管(22)、进气管(23)和保护管(24)；还包括由内至外依次套设的内层辐照罐(16)、中层辐照罐(15)、外层辐照罐(7)，所述外层辐照罐(7)和中层辐照罐(15)之间形成外层环形空间，中层辐照罐(15)和内层辐照罐(16)之间形成内层环形空间；所述内层环形空间内安装夹块(8)，所述夹块(8)上组装样品和假样，所述假样上焊接热电偶，并穿过保护管引到堆外；所述内层辐照罐(16)内侧顶部安装单向阀(19)，所述内层辐照罐(16)内侧底部安装导叶(13，所述中层辐照罐(15)外侧底端安装集水盖(10)，所述外层辐照罐(7)内侧底部安装稳流隔板(12)，所述外层辐照罐(7)外侧顶端安装分割水室(21)；所述分割水室(21)中间设置隔板，所述隔板与分割水室(21)的侧壁配合将分割水室(21)分为内循环水室、外循环水室，所述内循环水室连通内层冷却管(6)，外循环水室连通外层冷却管(20)，所述内层冷却管(6)、外层冷却管(20)均安装在外层环形空间内。

2.根据权利要求1所述的一种管束集冷却回路辐照装置，其特征在于，所述内层冷却管(6)一端与分割水室(21)连通，另一端与集水盖(10)连通；外层冷却管(20)一端与分割水室(21)连通，另一端穿过稳流隔板(12)；集水盖(10)和内层下盖板(9)形成同外层环形空间隔绝的集水室，所述集水室同内层辐照罐(16)连通。

3.根据权利要求2所述的一种管束集冷却回路辐照装置，其特征在于，内层下盖板(9)、内层上盖板(18)分别焊接在中层辐照罐(15)的底端、顶端，内层下盖板(9)、内层上盖板(18)与内层辐照罐(16)围绕形成同外层环形空间隔离的内层环形空间；若干个夹块(8)依次叠加组装在内层环形空间内；下垫块(14)、上垫块(17)分别顶在内层环形空间底端、顶端。

4.根据权利要求1所述的一种管束集冷却回路辐照装置，其特征在于，外层下盖板(11)、外层辐照罐(7)和外层上盖板(5)共同将中层辐照罐(15)和内层辐照罐(16)包裹在内；循环出水管(2)穿过分割水室(21)并与外层上盖板(5)焊接，且循环出水管(2)连通外层辐照罐(7)内部；进气管(23)、保护管(24)均穿过分割水室(21)、外层上盖板(5)，并同内层上盖板(18)焊接，且进气管(23)、保护管(24)连通中层辐照罐(15)内部。

5.根据权利要求1所述的一种管束集冷却回路辐照装置，其特征在于，所述内循环进水管(3)连通内循环水室；所述外循环进水管(22)连通外循环水室；所述稳流隔板(12)上开有若干环形阵列的小孔。

6.根据权利要求1所述的一种管束集冷却回路辐照装置，其特征在于，所述内层冷却管(6)侧面对称分布侧翼，内层冷却管(6)的侧翼紧贴外层辐照罐(7)和中层辐照罐(15)，并在轴向上将外层环形空间的一半空间分成若干个轴向流道；外层冷却管(20)侧面也对称分布侧翼，外层冷却管(20)的侧翼紧贴外层辐照罐(7)和中层辐照罐(15)，并在轴向将外层环形空间的一半空间分成若干个轴向流道。

7.根据权利要求6所述的一种管束集冷却回路辐照装置，其特征在于，所述内层辐照罐(16)、中层辐照罐(15)、外层辐照罐(7)的长度依次增大；内层冷却管(6)的侧翼长度、外层冷却管(20)的侧翼长度，均等于中层辐照罐(15)长度。

8.根据权利要求1所述的一种管束集冷却回路辐照装置，其特征在于，所述内层冷却管(6)的外径等于外层环形空间的径向间距，并在轴向将外层环形空间的一半空间分成至少6个轴向流道；外层冷却管(20)的外径等于外层环形空间的径向间距，并在轴向将外层环形空间的一半空间分成至少6个轴向流道。

9.基于权利要求1至8中任一所述的一种管束集冷却回路辐照装置的循环方法，其特征在于，包括内循环冷却回路、外循环冷却回路：

所述内循环冷却回路为：冷却水从内循环进水管(3)进入内循环水室，然后均匀分配给每一个内层冷却管(6)，冷却水顺着内层冷却管(6)进入集水盖(10)紧接着通过导叶(13)进入内层辐照罐(16)，内层循环水通过导叶造旋，不仅加快了水的流动速度，并且冷却水快速旋转沿着内层辐照罐(16)的内壁流动，增加了冷却水的流程和流速，最后通过单向阀(19)流出；

所述外循环冷却回路为：冷却水从外循环进水管(22)进入外循环水室，然后均匀分配给每一个外层冷却管(20)，冷却水通过外层冷却管(20)进入稳流隔板(12)以下，再穿过稳流隔板(12)后通过外层环形空间中的流道流出。

10.根据权利要求9所述的一种管束集冷却回路辐照装置的循环方法，其特征在于，通过外层环形空间中的流道流出的冷却水，和从单向阀(19)流出的冷却水汇合，共同从循环出水管(2)流出。