CN112687409A - 一种用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料组件模拟件技术领域，具体涉及一种用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件，包括R类燃料组件模拟件、Z1类燃料组件模拟件和Z2类燃料组件模拟件，所述R类燃料组件模拟件、所述Z1类燃料组件模拟件和所述Z2类燃料组件模拟件均具有横截面为六边形的外筒体(1)和位于所述外筒体(1)内部的电加热棒(3)，在所述电加热棒(3)和所述外筒体(1)之间设有流道(2)。本发明将燃料组件模拟件内部结构简化，减少燃料棒模拟件的根数，增加了燃料棒模拟件的尺寸，利用“黑匣子”理论，调整整体阻力系数。既满足了实验需求，又减少了加工难度；解决一回路自然循环能力验证实验中燃料组件模拟件横向水传热性较差问题。

Description

一种用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件

技术领域

本发明属于燃料组件模拟件技术领域，具体涉及一种用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件。

背景技术

一些核反应堆采用非能动事故余热排出系统来进行事故停堆后反应堆余热排出，该系统是核反应堆的重要安全设施，采用非能动自然循环方式排出堆芯余热，是事故发生后确保堆芯温度不超过设计值得保证。一回路自然循环能力验证实验是核反应堆的事故余热排出系统的验证实验。在该实验中采用水介质来进行模拟实验，并且用于实验模拟的各部件结构与反应堆真实部件相比进行相应缩比。由于实际反应堆内各部件的结构复杂，在实验模型设计时不可能按照实际结构进行等比例缩放来得到各部件结构的尺寸，必须在保证部件功能特性的基础上进行相应的简化。所以堆芯所用组件模拟件需要重新进行设计。

一回路自然循环能力验证实验模型的堆芯对于反应堆原型有了较大改变，不是按照整体模型比例进行缩小的。但燃料组件模拟件内部冷却剂通道阻力特性与反应堆原型一致。因此，对于堆芯内部组件的阻力特性匹配需要按照分类的冷却剂通道来进行。由于反应堆堆芯设有不同分区，模拟堆芯需要按真实反应堆进行分区域，分别模拟反应堆燃料组件内燃料区、中间燃料区、外燃料区。因此燃料组件模拟件的阻力压降特性分别与其相对应的整体燃料组件区域相对应。一回路自然循环能力验证实验模型燃料组件模拟件是该实验模型中的核心部件，燃料组件模拟件主要用于自然循环能力验证实验中产热及流量分配。

经过广泛的市场调查和国内外文献资料的调研，目前尚没有能够完成上述三种燃料组件模拟件的实验段。仅有的几篇文献和资料里的实验段也只能够完成组件的水力特性实验，不能够模拟实际反应堆内组件与组件的相互作用，无法满足实验的内容。

发明内容

本发明的目的

1.确定燃料组件模拟件内部加热棒根数和形状：

一回路自然循环能力验证实验中，实验模型与真实反应堆的缩小比例为一比五，燃料组件模拟件若按照真实反应堆中真实燃料组件进行缩比不仅会增加加工难度，还会使燃料组件模拟件的阻力系数与实验要求不匹配，无法满足实验需求。需要对真实的燃料组件内部加热棒根数和形状进行调整和设计。

2.模拟真实的燃料组件的性能：

真实的燃料组件的冷却介质为钠，钠的传热性能很好，可以有效将热量从燃料棒中传导出来。相比较来说，水导热传热性能较差，所以如何较好模拟组件的性能是重点和难点。

3.燃料组件模拟件需要具备模拟漏流的功能：

真实的燃料组件采用高压供钠来冷却燃料棒，冷却剂进入与燃料组件相连的小栅板联箱后，除了进入燃料组件之外，还有一部分通过组件管脚漏流进入到燃料组件内部间隙空间用以冷却各类屏蔽组件、存储阱组件等。组件管脚漏流对于堆芯组件间隙空间以及热钠池温度和流动分布有较大影响，因此在实验结构中需要对其进行模拟。一回路自然循环能力验证实验中为简化取消掉小栅板联箱，将小栅板联箱与燃料组件合并组合。组件模拟件具备小栅板联箱和组件功能。因此，组件模拟件需要具备模拟漏流的功能。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件，其中，包括R类燃料组件模拟件、Z1类燃料组件模拟件和Z2类燃料组件模拟件，所述R类燃料组件模拟件、所述Z1类燃料组件模拟件和所述Z2类燃料组件模拟件均具有横截面为六边形的外筒体和位于所述外筒体内部的电加热棒，在所述电加热棒和所述外筒体之间设有流道。

进一步，还包括位于所述外筒体顶端的入口孔和漏流孔，所述入口孔与所述流道和所述漏流孔连通，冷却水由所述入口孔进入所述流道和所述漏流孔并从所述外筒体的底端排出，还包括位于所述外筒体尾端的节流孔；所述漏流孔和所述节流孔的直径能够调整，用于确保所述R类燃料组件模拟件、所述Z1类燃料组件模拟件和所述Z2类燃料组件模拟件的阻力系数满足实验需求。

进一步，所述外筒体的材质为不锈钢。

进一步，在所述Z2类燃料组件模拟件中，所述电加热棒为1根，所述电加热棒的直径为20mm，长度为940mm，功率为200W，所述节流孔的直径为3.3mm。

进一步，在所述R类燃料组件模拟件和所述Z1类燃料组件模拟件中，还包括位于所述外筒体内的内筒体，所述电加热棒位于所述内筒体内部，所述内筒体的材质为不锈钢。

进一步，在所述R类燃料组件模拟件和所述Z1类燃料组件模拟件中，所述电加热棒为7根，相互之间平行设置，1根所述电加热棒位于圆心位置，其余6根均匀环绕在圆心位置周围，所述电加热棒的直径为8mm，长度为940mm，所述R类燃料组件模拟件的所述电加热棒的功率为7700W，所述节流孔的直径为15mm；所述Z1类燃料组件模拟件的所述电加热棒的功率为828W，所述节流孔的直径为5.2mm。

进一步，在所述R类燃料组件模拟件和所述Z1类燃料组件模拟件中，还包括位于所述外筒体内表面上的电加热丝，所述R类燃料组件模拟件的所述电加热丝的功率为2500W，所述Z1类燃料组件模拟件的所述电加热丝的功率为100W。

进一步，在所述R类燃料组件模拟件和所述Z1类燃料组件模拟件中，还包括位于所述外筒体和所述内筒体之间低熔点金属填充物。

进一步，在所述R类燃料组件模拟件和所述Z1类燃料组件模拟件中，所述流道位于所述电加热棒和所述内筒体之间。

本发明的有益效果在于：

1.减少加工工艺困难。将燃料组件模拟件内部结构简化，减少燃料棒模拟件的根数，增加了燃料棒模拟件的尺寸，利用“黑匣子”理论，调整整体阻力系数。既满足了实验需求，又减少了加工难度。

2.解决一回路自然循环能力验证实验中燃料组件模拟件横向水传热性较差问题。保证各种工况下由内筒体6内部的冷却剂和内筒体6外部的冷却剂带走的热量比例满足相似准则的要求。

3.节省材料，将小栅板联箱和燃料组件模拟件合并(小栅板联箱阻力通过漏流孔5和节流孔9来模拟)，减少经费支出。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述的R类组件模拟件和Z1类组件模拟件的示意图(径向截面)；

图2是本发明具体实施方式中所述的R类组件模拟件和Z1类组件模拟件的示意图(轴向截面)；

图3是本发明具体实施方式中所述的Z2类组件模拟件的示意图(径向截面)；

图4是本发明具体实施方式中所述的Z2类组件模拟件的示意图(轴向截面)；

图中：1-外筒体，2-流道，3-电加热棒，4-入口孔，5-漏流孔，6-内筒体，7-电加热丝，8-低熔点金属填充物，9-节流孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本发明提供的一种用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件，分为R类组件模拟件、Z1类组件模拟件和Z2类组件模拟件，这三类组件模拟件均包括横截面为六边形的外筒体1和位于外筒体1内部的电加热棒3(电加热棒3为燃料棒模拟件，用于模拟燃料组件中发热的燃料棒)，在电加热棒3和外筒体1之间设有流道2。三类燃料组件模拟件采用通用化和模块化设计。通用化包括多实验任务通用：R类、Z1类、Z2类燃料组件模拟件可用于一回路自然循环能力验证实验也用于组件模拟件水力研究实验。

燃料组件模拟件还包括位于外筒体1顶端的入口孔4和漏流孔5，入口孔4与流道2和漏流孔5连通，冷却水由入口孔4进入流道2和漏流孔5并从外筒体1的底端排出，还包括位于外筒体1尾端的节流孔9(节流孔9设置在节流孔板上，节流孔板设置在电加热棒3的棒束通道出口)；漏流孔5和节流孔9的大小能够调整，用于调整R类、Z1类、Z2类组件模拟件阻力特性，以达到流量分配和压降与设计值一致，使得燃料组件模拟件具备模拟漏流的功能。

外筒体1的材质为不锈钢。

如图3、4所示，在Z2类组件模拟件中，电加热棒3为1根，电加热棒3的直径为20mm，长度为940mm，功率为200W，节流孔9的直径为3.3mm。

如图1、2所示，在R类组件模拟件和Z1类组件模拟件中，还包括位于外筒体1内的内筒体6，电加热棒3位于内筒体6内部，内筒体6的材质为不锈钢。

电加热棒3为7根，相互之间平行设置，1根电加热棒3位于圆心位置，其余6根均匀环绕在圆心位置周围，电加热棒3的直径为8mm，长度为940mm，R类燃料组件模拟件的电加热棒3的功率为7700W，节流孔9的直径为15mm；Z1类燃料组件模拟件的电加热棒3的功率为828W，节流孔9的直径为5.2mm。

还包括位于外筒体1内表面上的电加热丝7，R类燃料组件模拟件的电加热丝7的功率为2500W，Z1类燃料组件模拟件的电加热丝7的功率为100W。

还包括位于外筒体1和内筒体6之间低熔点金属填充物8。

流道2位于电加热棒3和内筒体6之间。

在R类组件模拟件和Z1类组件模拟件中设置电加热丝7，是因为在一回路自然循环能力验证实验中采用水介质来进行模拟实验，并且模拟的一回路的各部件结构进行相应缩小。由于实际反应堆内各部件的结构复杂，在实验模型设计时不可能按照实际结构进行等比例缩放来得到各部件结构的尺寸，必须在保证部件功能特性的基础上进行相应的简化。燃料组件模拟件主要用于自然循环能力验证实验中产热及流量分配。由于水的导热系数比钠的导热系数小三个量级，水模拟实验如果模拟结构仍然采用发热棒束的结构就会使自然循环工况下燃料组件模拟件内部与反应堆产生较大误差。真实燃料组件内部热量可通过液态钠导热从组件盒的盒壁(组件盒就是外筒体1)导出，而燃料组件模拟件内部热量无法通过液态水导热从组件盒壁排出。因此需要在燃料组件模拟件的结构上进行调整。

其次，自然循环工况下燃料组件模拟件功率小，但是失去强迫循环，只依靠自然循环带走热量，换热能力大大降低。真实的燃料组件冷却介质为钠，钠的传热性能很好，可以有效将热量从燃料棒中传导出来。一回路自然循环能力验证实验中冷却介质是水，可能出现由于加热器壁面温度过高而产生气泡。在快堆中，真实的燃料组件热量会由组件内部冷却剂以及组件盒外间隙空间冷却剂带走。在自然循环工况下，由于组件内部冷却剂流量较小，组件盒外间隙空间带走热量占组件发热比例很大。因此合理分配燃料组件模拟件盒内加热器和盒外加热器功率，保证各种工况下由盒内冷却剂和盒外冷却剂带走的热量比例满足相似准则的要求。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (9)

1.一种用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件，其特征是：包括R类燃料组件模拟件、Z1类燃料组件模拟件和Z2类燃料组件模拟件，所述R类燃料组件模拟件、所述Z1类燃料组件模拟件和所述Z2类燃料组件模拟件均具有横截面为六边形的外筒体(1)和位于所述外筒体(1)内部的电加热棒(3)，在所述电加热棒(3)和所述外筒体(1)之间设有流道(2)。

2.如权利要求1所述的用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件，其特征是：还包括位于所述外筒体(1)顶端的入口孔(4)和漏流孔(5)，所述入口孔(4)与所述流道(2)和所述漏流孔(5)连通，冷却水由所述入口孔(4)进入所述流道(2)和所述漏流孔(5)并从所述外筒体(1)的底端排出，还包括位于所述外筒体(1)尾端的节流孔(9)；所述漏流孔(5)和所述节流孔(9)的直径能够调整，用于确保所述R类燃料组件模拟件、所述Z1类燃料组件模拟件和所述Z2类燃料组件模拟件的阻力系数满足实验需求。

3.如权利要求2所述的用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件，其特征是：所述外筒体(1)的材质为不锈钢。

4.如权利要求3所述的用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件，其特征是：在所述Z2类燃料组件模拟件中，所述电加热棒(3)为1根，所述电加热棒(3)的直径为20mm，长度为940mm，功率为200W，所述节流孔(9)的直径为3.3mm。

5.如权利要求3所述的用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件，其特征是：在所述R类燃料组件模拟件和所述Z1类燃料组件模拟件中，还包括位于所述外筒体(1)内的内筒体(6)，所述电加热棒(3)位于所述内筒体(6)内部，所述内筒体(6)的材质为不锈钢。

6.如权利要求5所述的用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件，其特征是：在所述R类燃料组件模拟件和所述Z1类燃料组件模拟件中，所述电加热棒(3)为7根，相互之间平行设置，1根所述电加热棒(3)位于圆心位置，其余6根均匀环绕在圆心位置周围，所述电加热棒(3)的直径为8mm，长度为940mm，所述R类燃料组件模拟件的所述电加热棒(3)的功率为7700W，所述节流孔(9)的直径为15mm；所述Z1类燃料组件模拟件的所述电加热棒(3)的功率为828W，所述节流孔(9)的直径为5.2mm。

7.如权利要求6所述的用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件，其特征是：在所述R类燃料组件模拟件和所述Z1类燃料组件模拟件中，还包括位于所述外筒体(1)内表面上的电加热丝(7)，所述R类燃料组件模拟件的所述电加热丝(7)的功率为2500W，所述Z1类燃料组件模拟件的所述电加热丝(7)的功率为100W。

8.如权利要求7所述的用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件，其特征是：在所述R类燃料组件模拟件和所述Z1类燃料组件模拟件中，还包括位于所述外筒体(1)和所述内筒体(6)之间低熔点金属填充物(8)。

9.如权利要求8述的用于钠冷池式快堆自然循环实验的燃料组件模拟件，其特征是：在所述R类燃料组件模拟件和所述Z1类燃料组件模拟件中，所述流道(2)位于所述电加热棒(3)和所述内筒体(6)之间。

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