CN111430052A - 多层熔池传热特性模拟实验装置 - Google Patents

多层熔池传热特性模拟实验装置 Download PDF

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Abstract

多层熔池传热特性模拟实验装置，包括用于模拟反应堆下降段的模拟体，所述模拟体为半圆柱结构，模拟体上设置有进料口和排料口，模拟体的侧壁内设置有冷却流道，所述侧壁上还设置有热流密度测量组件，所述热流密度测量组件延伸至模拟体内用于测量模拟体内壁面的热流密度。本发明为高Ra’数的多层熔融物模拟材料提供了多层熔池传热特性模拟实验装置，该实验装置在惰性气氛中能够长期包容含有腐蚀性氯盐的三层熔融池自然对流模拟材料，为三层熔融池提供与原型相近的边界条件，并可准确测量多层熔融池自然对流传热关键参数，为多层熔融池传热特性实验研究提供硬件基础。

Description

多层熔池传热特性模拟实验装置
技术领域
本发明涉及多层熔池传热特性模拟实验装置，特别涉及多层熔融池模拟材料的包容加热以及传热特性参数的准确测量，可用于严重事故条件下反应堆下封头内部多层熔融池传热特性实验研究。
背景技术
在压水堆发生严重事故时，若由于各种原因不能保证堆芯的有效冷却，则堆芯可能由于衰变热发生熔化，堆芯熔融物落入到下封头内形成碎片床或熔融池结构。由于熔融物中材料仍然持续释放衰变热，若下封头内部熔融池无法得到足够冷却，压力容器的完整性将无法保证，强放射性的熔融物可能进入反应堆安全壳内，造成严重后果。
为保证在堆芯熔化事故中压力容器不发生熔穿，在现有的先进压水堆中普遍采用了熔融物堆内滞留策略的严重事故缓解策略。在堆芯熔化事故后，下封头内部的熔融物在衰变热及外部冷却的驱动下，形成了熔融物与下封头内壁面间的强自然对流换热现象，其Ra’数可达1017。此外，熔融物在内壁面由于冷却形成的硬壳，熔融池的分层结构对熔融池的温度场分布和下封头壁面热负荷分布有着重要的影响。
国内外针对熔融池自然对流换热现象，已采用实验和数值方法开展了部分研究。但由于实验成本、技术限制，目前主要开展了单层熔融池的自然对流换热以及较低Ra’数的两层、三层熔融池实验，对于实际中可能出现的高Ra’数多层熔融池自然对流换热特性研究较少。
综上所述，有必要研制一套用于研究高Ra’条件下多层熔融池自然对流传热特性的实验装置，能够实现对多层熔融池自然对流传热特性关键参数的准确测量，获得下封头内壁面不同角度的热流密度分布及熔融池温度场分布，为熔融物堆内滞留的严重事故管理策略提供数据支撑。
发明内容
为了研究严重事故后反应堆下封头内三层熔池的传热特性，发明人对熔池模拟材料进行了研究，并在专利CN110415842A中公开了一种模拟材料，其选择Na-LiCl/KCl-Sn作为三层模拟材料，由于材料密度差可以自然形成三层分层结构，不易与容器及仪表反应，易于控制；同时各层材料可以较准确反映反应堆原型下封头中三层熔池各层的传热特性，进而能够有效降低实验获得的传热关系式不确定度，为熔融物堆内滞留策略的制定和实施提供支持。
然而，现有的实验装置主要针对单层熔融池的自然对流换热以及较低Ra’数的两层、三层熔融池实验，对于高Ra’数多层熔融池自然对流换热特性研究较少。因此，发明人针对其发明的具备的高Ra’数模拟材料，提供了多层熔池传热特性模拟实验装置，其能够长期包容含有腐蚀性氯盐的三层熔融池自然对流模拟材料，为三层熔融池提供与原型相近的边界条件，并可准确测量多层熔融池自然对流传热关键参数，为多层熔融池传热特性实验研究提供硬件基础。
本发明通过下述技术方案实现：
多层熔池传热特性模拟实验装置，包括用于模拟反应堆下降段的模拟体，所述模拟体为半圆柱结构，模拟体上设置有进料口和排料口，模拟体的侧壁内设置有冷却流道，所述侧壁上还设置有热流密度测量组件，所述热流密度测量组件延伸至模拟体内用于测量模拟体内壁面的热流密度。
本技术方案中，模拟体为下封头模拟体，用于模拟反应堆原型中下封头几何结构。在满足模拟准确性的基础上，为降低实验成本和模拟材料用量，将模拟体设计为半圆柱体结构，该半圆柱体结构包括半圆形的前壁、后壁，矩形的顶盖和弧形的侧壁，通过将前后壁面与侧壁面焊接，以及可拆卸的顶盖实现熔融物模拟材料的包容密封。在部分实施例中，根据实验需求以及成本的差异，可设计1:1～1:4缩比比例的模拟体。模拟体上的进料口和排料口用于向模拟体内的熔融池中通入或排出熔融物模拟材料。
在部分实施例中，模拟体与熔融物模拟材料接触的部分采用纯镍N5作为结构材料，结合容器内部的氩气氛围控制，可有效防止模拟材料对容器结构材料的腐蚀，保证熔融模拟材料的长期包容。
模拟体的侧壁内设置的冷却流道用于冷却剂流通，进而降低熔融池的边界温度，确保模拟体内壁面温度低于模拟材料熔点。冷却流道换热能力接近熔融池电加热功率一半，可以实现氧化物层顶部金属层传热模拟以及不同装量的熔融物顶部辐射传热边界条件的模拟。优选地，冷却流道的进液口设置于模拟体底部，冷却流道的排液口靠近模拟体的顶部，使得冷却剂从底部流入从顶部侧面流出。在部分实施例中，冷却流道的截面积为80～200cm2，该范围内的截面积能够在降低下封头模拟体侧壁面外表面周向温差的前提下，进一步降低冷却剂流量和用量。
模拟体的侧壁上设置的热流密度测量组件用于测量熔融池施加于侧壁面的热流密度。优选地，在侧壁面每层熔融物高度方向布置有4～5个热流密度测量组件，可以满足多层熔融池传热热流密度测量需求。
实验前，熔融物模拟材料在加热炉中熔化并具有一定过热度，通过顶盖相连的管道进入熔池模拟体内部，随后启动第一、第二加热件，使熔池达到稳定工况，在启动电加热元件后，启动冷却剂回路，使冷却剂从模拟体底部冷却剂流道流经侧壁面，实现熔池侧壁面冷却，通过调节冷却剂流量及换热器冷却水流量，实现熔池工况的控制。
通过上述设置，为高Ra’数的多层熔融物模拟材料提供了多层熔池传热特性模拟实验装置，该实验装置在惰性气氛中能够长期包容含有腐蚀性氯盐的三层熔融池自然对流模拟材料，为三层熔融池提供与原型相近的边界条件，并可准确测量多层熔融池自然对流传热关键参数，为多层熔融池传热特性实验研究提供硬件基础。
作为本发明的一个优选实施方式，所述热流密度测量组件包括U形钼方管，所述钼方管包括两个测点，所述侧壁上设置有安装槽，所述安装槽内设置有测孔，所述测点的尺寸与测孔的尺寸相匹配。
每个热流密度测量组件对应于一个热流密度测量点，由于钼方管均包括两个测点，而两个测点对应两个测孔，因此同一个热流密度测量点由一对测孔组成，优选地，一对测孔的周向角度相同，进一步优选地，同一测量点的两个测孔的间距为15～25mm，测孔的尺寸为Φ2～Φ4，孔深为下封头轴向长度的一半，测孔与下封头模拟体轴向方向平行。
安装热流密度测量组件时，在完成侧壁面加工后，在选定位置通过数控铣完成热流密度测温方管安装槽加工，安装槽应当略大于钼方管的宽度。安装槽加工完成后，对槽的厚度进行测量以评估热流密度测孔间距。钼方管平行放置于安装槽中，随后使用N5材料焊条采用钎焊方式将安装槽与钼管焊接，其焊缝应当高于安装槽顶部高度。
进一步地，所述钼方管内设置有热电偶和锡丝。完成安装槽与钼方管的焊接后，对侧壁面整体机械加工，使其内外表面光滑齐整。钼方管安装完成后，在热流密度测孔中插入等长度的Φ1～Φ2规格热电偶及锡丝。工作时，当壁面温度超过280℃后，锡熔化使热电偶与壁面良好接触，不仅起到稳定热电偶的作用，而且能够很好地传热，进而实现温度的准确测量。
进一步地，所述安装槽内设置有填料用于填充安装槽与钼方管之间的间隙。
进一步地，所述模拟体包括顶盖，所述进料口设置于顶盖上，顶盖上还设置有观察窗。优选地，所述顶盖与模拟体的侧壁、前壁和后壁可拆卸连接。模拟体上设置的观察窗以便于布置熔融物装量测量组件及视频监测装置，在实验过程中更好地观察、监测模拟体中的模拟材料工况。优选地，在顶盖的两端，设置有惰性气体通入接口，为模拟体内部提供气氛保护，防止熔融状态的模拟材料发生氧化导致物性改变。
进一步地，所述顶盖上设置有换热器，所述换热器能够相对于顶盖竖直移动。所述换热器可根据加注模拟材料量的区别调整竖直位置，从而确保其与熔融物模拟材料的良好接触，进而满足顶部边界条件的控制。顶部换热器最大换热功率可达到熔融物电加热功率的一半，可用于模拟熔融物氧化物层向顶部金属层传热特性。优选地，顶部换热器工作介质为L-QD340导热油，换热器工作温度可达300℃以上，并且其换热功率可熔融物加热功率的5％～35％范围内调节，可用于模拟熔融池向顶部辐射传热边界条件。
进一步地，所述模拟体包括后壁，所述排料口设置于后壁上，排料口包括第一排料口和第二排料口，所述第一排料口位于第二排料口的上方。后壁面设计的两个熔融物模拟材料排料口，分别与两个熔融物模拟材料收集罐相连，用于模拟材料的重复利用。
进一步地，所述后壁上设置有加热组件，所述加热组件包括第二加热件和密封件，所述第二加热件用于加热模拟体内的模拟材料。下封头模拟体后壁面上布置有加热组件接口，第二加热件通过密封件固定于壁面以实现第二加热件的支撑定位及密封。在部分实施例中，后壁面内部对应第二加热件的位置设置有支撑结构以防止第二加热件在重力作用下弯曲。在部实施例中，第二加热件由两根平行布置的并联式加热棒组合而成，第二加热件穿过后壁面的密封件与控制电源相连接，密封件可以保证第二加热件的固定以及熔融物模拟材料的密封。
进一步地，所述模拟体包括前壁，所述前壁上设置有若干测温点。下封头模拟体前壁面上布置有熔融池温度测量接口，接口通过焊接测温接头实现密封。
进一步地，所述前壁上设置有第一加热件，所述第一加热件用于加热前壁。利用第一加热件加热前壁，起到热补偿的作用，进一步减少前壁的散热，保持边界条件温度。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明为高Ra’数的多层熔融物模拟材料提供了多层熔池传热特性模拟实验装置，该实验装置在惰性气氛中能够长期包容含有腐蚀性氯盐的三层熔融池自然对流模拟材料，为三层熔融池提供与原型相近的边界条件，并可准确测量多层熔融池自然对流传热关键参数，为多层熔融池传热特性实验研究提供硬件基础；
2、本发明冷却流道换热能力接近熔融池电加热功率一半，可以实现氧化物层顶部金属层传热模拟以及不同装量的熔融物顶部辐射传热边界条件的模拟；
3、本发明的顶部换热器可根据模拟材料装量调整竖直位置，从而保证与模拟材料的良好接触，以满足顶部边界条件的控制，同时换热器最大换热功率可达到熔融物电加热功率的一半，可用于模拟熔融物氧化物层向顶部金属层传热特性；
4、本发明的热流密度测量组件的钼方管内设置有热电偶和锡丝，当壁面温度超过280℃后，锡熔化使热电偶与壁面良好接触，不仅起到稳定热电偶的作用，而且能够很好地传热，进而实现温度的准确测量；
5、本发明容器内壁与模拟材料接触的部位使用了纯镍N5作为结构材料，结合容器内部的氩气氛围控制，可有效防止熔融材料对容器结构材料的腐蚀，保证熔融模拟材料的长期包容。
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的俯视图；
图2为本发明具体实施例的剖视图；
图3为本发明具体实施例中热流密度测量组件的装配示意图；
图4为本发明具体实施例中热流密度测量组件的结构示意图；
图5为本发明具体实施例中前壁的结构示意图；
图6为本发明具体实施例中后壁的结构示意图；
图7为本发明具体实施例中后壁的加热组件的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-侧壁，2-前壁，3-后壁，4-顶盖，5-进料口，6-观察窗，7-排液口，8-冷却流道，9-进液口，10-换热器，11-安装槽，12-热流密度测量组件，13-钼方管，14-测孔，15-填料，16-测温点，17-第一加热件，18-第一排料口，19-第二排料口，20-第二加热件，21-密封件。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“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保护范围的限制。
实施例1：
如图1和图2所示的多层熔池传热特性模拟实验装置，包括用于模拟反应堆下降段的模拟体，所述模拟体为半圆柱结构，模拟体上设置有进料口5和排料口，模拟体的侧壁1内设置有冷却流道8，所述侧壁1上还设置有热流密度测量组件12，所述热流密度测量组件12延伸至模拟体内用于测量模拟体内壁面的热流密度。
实验前，熔融物模拟材料在加热炉中熔化并具有一定过热度，通过顶盖相连的管道进入熔池模拟体内部，随后启动第一、第二加热件，使熔池达到稳定工况，在启动电加热元件后，启动冷却剂回路，使冷却剂从模拟体底部冷却剂流道流经侧壁面，实现熔池侧壁面冷却，通过调节冷却剂流量及换热器冷却水流量，实现熔池工况的控制。
通过上述设置，为高Ra’数的多层熔融物模拟材料提供了多层熔池传热特性模拟实验装置，该实验装置在惰性气氛中能够长期包容含有腐蚀性氯盐的三层熔融池自然对流模拟材料，为三层熔融池提供与原型相近的边界条件，并可准确测量多层熔融池自然对流传热关键参数，为多层熔融池传热特性实验研究提供硬件基础。
实施例2：
在实施例1的基础上，如图3和图4所示，所述热流密度测量组件12包括U形钼方管13，所述钼方管13包括两个测点，所述侧壁1上设置有安装槽11，所述安装槽11内设置有测孔14，所述测点的尺寸与测孔14的尺寸相匹配；所述钼方管15内设置有热电偶和锡丝；所述安装槽11内设置有填料15用于填充安装槽11与钼方管13之间的间隙。
安装热流密度测量组件时，在完成侧壁面加工后，在选定位置通过数控铣完成热流密度测温方管安装槽加工，安装槽应当略大于钼方管的宽度。安装槽加工完成后，对槽的厚度进行测量以评估热流密度测孔间距。钼方管平行放置于安装槽中，随后使用N5材料焊条采用钎焊方式将安装槽与钼管焊接，其焊缝应当高于安装槽顶部高度。完成安装槽与钼方管的焊接后，对侧壁面整体机械加工，使其内外表面光滑齐整。钼方管安装完成后，在热流密度测孔中插入等长度的Φ1～Φ2规格热电偶及锡丝。工作时，当壁面温度超过280℃后，锡熔化使热电偶与壁面良好接触，不仅起到稳定热电偶的作用，而且能够很好地传热，进而实现温度的准确测量。
实施例3：
在上述实施例的基础上，如图1和图2所示，所述模拟体包括顶盖4，所述进料口5设置于顶盖4上，顶盖4上还设置有观察窗6；所述顶盖4上设置有换热器10，所述换热器10能够相对于顶盖4竖直移动。
在部分实施例中，如图6所示，模拟体包括后壁3，所述排料口设置于后壁3上，排料口包括第一排料口18和第二排料口19，所述第一排料口18位于第二排料口19的上方。优选地，如图7所示，所述后壁3上设置有加热组件，所述加热组件包括第二加热件20和密封件21，所述第二加热件21用于加热模拟体内的模拟材料。
在部分实施例中，如图5所示，所述模拟体包括前壁2，所述前壁2上设置有若干测温点16；前壁2上设置有第一加热件17，所述第一加热件17用于加热前壁2。
本文中所使用的“第一”、“第二”等(例如第一加热件、第二加热件，第一排料口、第二排料口等)只是为了描述清楚起见而对相应部件进行区别，不旨在限制任何次序或者强调重要性等。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。
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.多层熔池传热特性模拟实验装置，其特征在于，包括用于模拟反应堆下降段的模拟体，所述模拟体为半圆柱结构，模拟体上设置有进料口(5)和排料口，模拟体的侧壁(1)内设置有冷却流道(8)，所述侧壁(1)上还设置有热流密度测量组件(12)，所述热流密度测量组件(12)延伸至模拟体内用于测量模拟体内壁面的热流密度。
2.根据权利要求1所述的多层熔池传热特性模拟实验装置，其特征在于，所述热流密度测量组件(12)包括U形钼方管(13)，所述钼方管(13)包括两个测点，所述侧壁(1)上设置有安装槽(11)，所述安装槽(11)内设置有测孔(14)，所述测点的尺寸与测孔(14)的尺寸相匹配。
3.根据权利要求2所述的多层熔池传热特性模拟实验装置，其特征在于，所述钼方管(15)内设置有热电偶和锡丝。
4.根据权利要求2所述的多层熔池传热特性模拟实验装置，其特征在于，所述安装槽(11)内设置有填料(15)用于填充安装槽(11)与钼方管(13)之间的间隙。
5.根据权利要求1所述的多层熔池传热特性模拟实验装置，其特征在于，所述模拟体包括顶盖(4)，所述进料口(5)设置于顶盖(4)上，顶盖(4)上还设置有观察窗(6)。
6.根据权利要求5所述的多层熔池传热特性模拟实验装置，其特征在于，所述顶盖(4)上设置有换热器(10)，所述换热器(10)能够相对于顶盖(4)竖直移动。
7.根据权利要求1所述的多层熔池传热特性模拟实验装置，其特征在于，所述模拟体包括后壁(3)，所述排料口设置于后壁(3)上，排料口包括第一排料口(18)和第二排料口(19)，所述第一排料口(18)位于第二排料口(19)的上方。
8.根据权利要求7所述的多层熔池传热特性模拟实验装置，其特征在于，所述后壁(3)上设置有加热组件，所述加热组件包括第二加热件(20)和密封件(21)，所述第二加热件(20)用于加热模拟体内的模拟材料。
9.根据权利要求1所述的多层熔池传热特性模拟实验装置，其特征在于，所述模拟体包括前壁(2)，所述前壁(2)上设置有若干测温点(16)。
10.根据权利要求9所述的多层熔池传热特性模拟实验装置，其特征在于，所述前壁(2)上设置有第一加热件(17)，所述第一加热件(17)用于加热前壁(2)。
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