CN112967579B - 一种用于研究环形燃料热失衡的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环形燃料技术领域，提供一种用于研究环形燃料热失衡的实验装置，包括：呈中空的筒体，筒体上连通有入口通道、内出口通道以及外出口通道；环形燃料试验件，环形燃料试验件设于筒体内，环形燃料试验件的外壁与筒体内壁之间形成外通道，外通道与外出口通道连通，环形燃料试验件设有内通道，内通道与内出口通道连通；具有通孔的堵流端塞，堵流端塞设于内通道的入口端并与环形燃料试验件可拆卸连接；环形燃料试验件还设有内气隙和外气隙，调节内气隙和外气隙的热阻比，以形成不对称的内气隙、外气隙。本发明可以单独研究不同堵流工况下、单独研究不同气隙热阻下的环形燃料自适应特征，也可以研究两者叠加的环形燃料自适应特征。

Description

一种用于研究环形燃料热失衡的实验装置

技术领域

本发明涉及环形燃料技术领域，更具体地说，是涉及一种用于研究环形燃料热失衡的实验装置。

背景技术

双面冷却环形燃料元件在维持或增强安全性能的前提下，可以显著提升堆芯功率密度，是极具前景的高性能反应堆候选燃料之一。同时，该燃料可适配现役反应堆的压力容器及堆芯布置，在现役核电厂提升改造中也拥有广阔的应用前景。环形燃料也是我国先进核燃料发展的重要方向之一，环形燃料内-外双面冷却的结构特征，也决定了环形燃料存在内-外冷却通道热量分配与流量分配不相匹配(热失衡)的安全风险，严重的热失衡主要由内通道堵流和内-外气隙不对称引发，热失衡可能造成燃料烧毁等重大事故，开展环形燃料热失衡实验具有重要的工程意义。

现有技术中针对环形燃料元件热失衡问题开展了水力学实验，所设计的试验段能够模拟内通道堵流时的内外通道流量、热量分配，但是现有技术中的水力学实验不能模拟不同堵流工况下的流量、热量分配，且由于环形燃料元件的气隙宽度过小、定位和装配难度大，在试验段设计和制造的时候直接忽略了气隙的存在，因此，目前的试验段设计无法模拟不同堵流工况下的流量、热量分配，无法满足气隙不对称情况下热失衡模拟的需求，也无法开展气隙不对称和内通道堵流叠加作用下的热失衡试验，故不能完全反映出真实堆内条件下的环形燃料热失衡的诱导和发展机理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于研究环形燃料热失衡的实验装置，以解决现有技术不能完全反映出真实堆内条件下的环形燃料热失衡的诱导和发展机理的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种用于研究环形燃料热失衡的实验装置，包括：

呈中空的筒体，所述筒体上连通有入口通道、内出口通道以及外出口通道；

环形燃料试验件，所述环形燃料试验件设于所述筒体内，所述环形燃料试验件的外壁与所述筒体内壁之间形成外通道，所述外通道与所述外出口通道连通，所述环形燃料试验件设有内通道，所述内通道与所述内出口通道连通；

具有通孔的堵流端塞，所述堵流端塞设于所述内通道的入口端并与所述环形燃料试验件可拆卸连接；

所述环形燃料试验件还设有内气隙和外气隙，调节所述内气隙和所述外气隙的热阻比，以形成不对称的所述内气隙、所述外气隙。

根据上述所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，所述环形燃料试验件包括：

环形材料试验件本体，所述环形材料试验件本体设有所述内气隙和所述外气隙；

第一端塞，所述第一端塞设于所述筒体的内部，所述第一端塞的一端与所述环形燃料试验件本体的一端卡接并连通，所述第一端塞的另一端与所述堵流端塞可拆卸连接；

第二端塞，所述第二端塞设于所述筒体的内部，所述第二端塞的一端与所述环形燃料试验件本体的另一端卡接并连通，所述第二端塞的另一端与所述筒体连接。

根据上述所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，所述环形材料试验件本体包括：

内不锈钢管；

第一YSZ涂层，所述内不锈钢管的外部设有所述第一YSZ涂层；

镍合金加热管，所述镍合金加热管围设于所述第一YSZ涂层的外部，且所述镍合金加热管与所述第一YSZ涂层之间设置有所述内气隙；

外不锈钢管，所述外不锈钢管围设于所述镍合金加热管的外部，且所述镍合金加热管与所述外不锈钢管之间设置有所述外气隙；

第二YSZ涂层，所述外不锈钢管的外部设有所述第二YSZ涂层；

通过调整所述第一YSZ涂层、所述第二YSZ涂层的厚度以控制所述内气隙和所述外气隙的热阻比。

根据上述所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，形成不对称的环形材料试验件本体为内气隙闭合环形材料试验件本体；

或者，形成不对称的环形材料试验件本体为外气隙闭合环形材料试验件本体；

或者，形成不对称的环形材料试验件本体为偏心环形材料试验件本体。

根据上述所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，所述环形材料试验件本体还包括氧化铝涂层，所述氧化铝涂层设于所述镍合金加热管的外部，所述氧化铝涂层和所述外不锈钢管之间形成所述外气隙。

根据上述所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，所述实验装置还包括：

正电极，所述正电极穿过所述筒体、所述第一端塞与所述镍合金加热管电连接；

负电极，所述负电极穿过所述筒体、所述第二端塞与所述镍合金加热管电连接。

根据上述所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，所述通孔的内壁设有限流凸部，且所述限流凸部与所述堵流端塞连接，通过更换具有不同尺寸的所述限流凸部的所述堵流端塞以模拟不同工况的内通道堵流。

根据上述所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，所述第一端塞靠近所述环形燃料试验件本体的一端设有第一卡槽，所述第一端塞与所述环形燃料试验件本体通过所述第一卡槽卡接；

和/或，所述第二端塞靠近所述环形燃料试验件本体的一端设有第二卡槽，所述第二端塞与所述环形燃料试验件本体通过所述第二卡槽卡接。

根据上述所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，所述实验装置还包括：

进气管，所述进气管穿过所述筒体、所述第一端塞与所述内气隙和所述外气隙连通；

出气管，所述出气管穿过所述筒体、所述第二端塞与所述内气隙和所述外气隙连通。

根据上述所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，所述入口通道与所述筒体通过第一法兰连接；

所述内出口通道与所述第二端塞通过第二法兰连接，且所述内出口通道上设有内出口通道控制阀；

所述外出口通道上设有外出口通道控制阀。

本发明提供的用于研究环形燃料热失衡的实验装置的有益效果至少在于：

(1)本发明提供的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，将具有通孔的堵流端塞设置为与环形燃料试验件可拆卸连接，实现通过替换具有不同尺寸的通孔的堵流端塞来模拟不同堵流工况下的流量、热量分配引起的热失衡，可节约成本，便于试验。

(2)本发明提供的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，通过改变环形燃料试验件的内气隙和外气隙的热阻比，以形成不对称的内气隙和外气隙，从而实现模拟不同工况下的热失衡。

(3)本发明提供的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，可以单独研究不同堵流工况下的环形燃料自适应特征，也可以单独研究不同气隙热阻下的环形燃料自适应特征，还可以研究两者叠加的环形燃料自适应特征，可以真实的反映出环形燃料热失衡的诱导和发展机理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于研究环形燃料热失衡的实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的正常气隙环形材料试验件本体的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的内气隙闭合环形材料试验件本体的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的外气隙闭合环形材料试验件本体的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的偏心环形材料试验件本体的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，本实施例提供了一种用于研究环形燃料热失衡的实验装置100，包括：呈中空的筒体10，所述筒体10上连通有入口通道11、内出口通道12以及外出口通道13；环形燃料试验件20，所述环形燃料试验件20设于所述筒体10内，所述环形燃料试验件20的外壁与所述筒体10内壁之间形成外通道14，所述外通道14与所述外出口通道13连通，所述环形燃料试验件20设有内通道211，所述内通道211与所述内出口通道12连通；具有通孔31的堵流端塞30，所述堵流端塞30设于所述内通道211的入口端并与所述环形燃料试验件20可拆卸连接；所述环形燃料试验件20还设有内气隙212和外气隙213，调节所述内气隙212和所述外气隙213的热阻比，以形成不对称的所述内气隙212、所述外气隙213。

本实施例提供的用于研究环形燃料热失衡的实验装置100的工作原理如下：

本实施例提供的用于研究环形燃料热失衡的实验装置100，其呈中空的筒体10上分别连通设置有入口通道11、内出口通道12以及外出口通道13，设置于筒体10内的环形燃料试验件20的内部设置有内通道211，其内通道211的两端分别与入口通道11和内出口通道12连通，由于环形燃料试验件20的尺寸小于内筒10的尺寸，其环形燃料试验件20的外壁与筒体10的内壁形成有外通道14，且外通道14分别与入口通道11、外出口通道13连通，流体从入口通道11进入筒体10内，其分别进入内通道211和外通道14，进入外通道14的流体经过外出口通道13流出，进入的内通道211的流体经过内出口通道12流出，从而实现模拟内通道堵流时的内外通道流量、热量分配，且在内通道211的入口端设置有堵流端塞30，其堵流端塞30的通孔31与内通道211连通，其堵流端塞30与环形燃料试验件20可拆卸连接，从而实现替换不同尺寸的通孔31的堵流端塞30来模拟不同堵流工况下的流量、热量分配引起的热失衡。同时本实施例还可以通过调节环形燃料试验件20的内气隙212和外气隙213的热阻比，以形成不对称的内气隙212和外气隙213来实现模拟不同工况下的热失衡。

本实施例提供的用于研究环形燃料热失衡的实验装置100的有益效果至少在于：

(1)本实施例提供的用于研究环形燃料热失衡的实验装置100，将具有通孔31的堵流端塞30设置为与环形燃料试验件20可拆卸连接，实现通过替换具有不同尺寸的通孔31的堵流端塞30来模拟不同堵流工况下的流量、热量分配引起的热失衡，可节约成本，便于试验。

(2)本实施例提供的用于研究环形燃料热失衡的实验装置100，通过改变环形燃料试验件20的内气隙212和外气隙213的热阻比，以形成不对称的内气隙212和外气隙213，从而实现模拟不同工况下的热失衡。

(3)本实施例提供的用于研究环形燃料热失衡的实验装置100，可以单独研究不同堵流工况下的环形燃料自适应特征，也可以单独研究不同气隙热阻下的环形燃料自适应特征，还可以研究两者叠加的环形燃料自适应特征，可以真实的反映出环形燃料热失衡的诱导和发展机理。

在一个实施例中，请继续参阅图1，并结合参阅图2，所述环形燃料试验件20包括：环形材料试验件本体21，所述环形材料试验件本体21设有所述内气隙212和所述外气隙213；第一端塞22，所述第一端塞22设于所述筒体10的内部，所述第一端塞22的一端与所述环形燃料试验件本体21的一端卡接并连通，所述第一端塞22的另一端与所述堵流端塞30可拆卸连接；第二端塞23，所述第二端塞23设于所述筒体10的内部，所述第二端塞23的一端与所述环形燃料试验件本体21的另一端卡接并连通，所述第二端塞23的另一端与所述筒体10连接。通过在环形材料试验件本体21的两端分别设置第一端塞22和第二端塞23，且第一端塞22和第二端塞23均与环形材料试验件本体21采用卡接的方式进行连接，其定位精准，方便了环形材料试验件本体21与第一端塞22和第二端塞23的装配，且拆装也方便，进而方便实现更换具有不同气隙热阻的环形材料试验件本体21，以模拟不同气隙状态下的热失衡。

可选的是，第二端塞23的边缘设有第一外翻边231，筒体10的边缘设有第二外翻边101，第二端塞23设于所述筒体10内，第一外翻边231和第二外翻边101配合连接，使得第二端塞23可以稳定的连接于筒体10内并对放置于筒体10内的环形材料试验件本体21进行限位，使得环形材料试验件本体21与入口通道11保持预设距离，可选的，该预设距离可以为300～500。

在一个实施例中，请继续参阅图1，所述通孔31的内壁设有限流凸部32，且所述限流凸部32与所述堵流端塞30连接，通过更换具有不同尺寸的所述限流凸部32的所述堵流端塞30以模拟不同工况的内通道堵流。由于第一端塞22与堵流端塞30可拆卸连接，其只需要更换具有不同尺寸的限流凸部32的堵流端塞30，便可以调节堵流端塞30的内径以改变内通道211和外通道14的流量比，进而实现模拟不同工况的内通道堵流。可选的是，限流凸部32与堵流端塞30为一体式结构，其连接结构牢固。应该理解的是，限流凸部32与堵流端塞30的连接方式并不限于为上述情形，还可以是其他连接方式，此处不作限制。

在一个实施例中，请继续参阅图1，所述第一端塞22靠近所述环形燃料试验件本体21的一端设有第一卡槽221，所述第一端塞22与所述环形燃料试验件本体21通过所述第一卡槽221卡接；和/或，所述第二端塞23靠近所述环形燃料试验件本体21的一端设有第二卡槽232，所述第二端塞23与所述环形燃料试验件本体21通过所述第二卡槽232卡接。通过设置在第一端塞22上设置第一卡槽221和在第二端塞23上设置第二卡槽232，使得环形燃料试验件本体21可以精准的定位至第一卡槽221和第二卡槽232内，以方便更换具有不同内气隙212和外气隙213热阻比的环形燃料试验件本体21，从而实现模拟不同工况下的热失衡，且装配简单，易于操作。

在一个实施例中，请参阅图1和图2，所述环形材料试验件本体21包括：

内不锈钢管214；第一YSZ涂层215，所述内不锈钢管214的外部设有所述第一YSZ涂层215；镍合金加热管216，所述镍合金加热管216围设于所述第一YSZ涂层215的外部，且所述镍合金加热管216与所述第一YSZ涂层215之间设置有所述内气隙212；外不锈钢管217，所述外不锈钢管217围设于所述镍合金加热管216的外部，且所述镍合金加热管216与所述外不锈钢管217之间设置有所述外气隙213；第二YSZ涂层218，所述外不锈钢管217的外部设有所述第二YSZ涂层218；通过调整所述第一YSZ涂层215、所述第二YSZ涂层218的厚度以控制所述内气隙212和所述外气隙213的热阻比。采用喷涂涂层来模拟不同气隙热阻比，形成不对称的环形材料试验件本体21，而非直接加工到实际的尺寸，降低了制造的技术风险。

在一个实施例中，请参阅图2，所述环形材料试验件本体21还包括氧化铝涂层219，所述氧化铝涂层219设于所述镍合金加热管216的外部，所述氧化铝涂层219和所述外不锈钢管217之间形成所述外气隙213，氧化铝涂层219的设置用于起到绝缘的作用。

在一个实施例中，请参阅图3，形成不对称的环形材料试验件本体21为内气隙闭合环形材料试验件本体。

在一个实施例中，请参阅图4，形成不对称的环形材料试验件本体21为外气隙闭合环形材料试验件本体。

在一个实施例中，请参阅图5，形成不对称的环形材料试验件本体21为偏心环形材料试验件本体。

在一个实施例中，请继续参阅图1，所述实验装置100还包括：正电极40，所述正电极40穿过所述筒体10、所述第一端塞22与所述镍合金加热管216电连接；负电极50，所述负电极50穿过所述筒体10、所述第二端塞23与所述镍合金加热管216电连接。正电极40和负电极50用于与电源正负极电连接，用于为镍合金加热管216电加热。

在一个实施例中，请继续参阅图1，所述实验装置100还包括：进气管60，所述进气管60穿过所述筒体10、所述第一端塞22与所述内气隙212和所述外气隙213连通；出气管70，所述出气管70穿过所述筒体10、所述第二端塞23与所述内气隙212和所述外气隙213连通。由于实际反应堆环形燃料元件的内部是存在压力的，所以需要设置进气口60和出气口70向内气隙212和外气隙213内通入气体，保持内部存在一定的压力。

在一个实施例中，请继续参阅图1，所述入口通道11与所述筒体10通过第一法兰80连接；所述内出口通道12与所述第二端塞23通过第二法兰90连接，且所述内出口通道12上设有内出口通道控制阀121；所述外出口通道13上设有外出口通道控制阀131。为了保证内出口通道12和外出口通道13的压强一致，需要分别调整内出口通道控制阀121和外出口通道控制阀131来保证内外通道有效长度上的压降相等，从而保证获取的流量与实际情况相符。

综上所述，本实施例提供了一种用于研究环形燃料热失衡的实验装置100，包括：呈中空的筒体10，所述筒体10上连通有入口通道11、内出口通道12以及外出口通道13；环形燃料试验件20，所述环形燃料试验件20设于所述筒体10内，所述环形燃料试验件20的外壁与所述筒体10内壁之间形成外通道14，所述外通道14与所述外出口通道13连通，所述环形燃料试验件20设有内通道211，所述内通道211与所述内出口通道12连通；具有通孔31的堵流端塞30，所述堵流端塞30设于所述内通道211的入口端并与所述环形燃料试验件20可拆卸连接；所述环形燃料试验件20还设有内气隙212和外气隙213，调节所述内气隙212和所述外气隙213的热阻比，以形成不对称的所述内气隙212、所述外气隙213。本实施例提供的用于研究环形燃料热失衡的实验装置100将具有通孔31的堵流端塞30设置为与环形燃料试验件20可拆卸连接，实现通过替换具有不同尺寸的通孔31的堵流端塞30来模拟不同堵流工况下的流量、热量分配引起的热失衡，可节约成本，便于试验。本实施例通过改变环形燃料试验件20的内气隙212和外气隙213的热阻比，以形成不对称的内气隙212和外气隙213，从而实现模拟不同工况下的热失衡。本实施例可以单独研究不同堵流工况下的环形燃料自适应特征，也可以单独研究不同气隙热阻下的环形燃料自适应特征，还可以研究两者叠加的环形燃料自适应特征，可以真实的反映出环形燃料热失衡的诱导和发展机理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于研究环形燃料热失衡的实验装置，其特征在于，包括：

呈中空的筒体，所述筒体上连通有入口通道、内出口通道以及外出口通道；

环形燃料试验件，所述环形燃料试验件设于所述筒体内，所述环形燃料试验件的外壁与所述筒体内壁之间形成外通道，所述外通道与所述外出口通道连通，所述环形燃料试验件设有内通道，所述内通道与所述内出口通道连通；

具有通孔的堵流端塞，所述堵流端塞设于所述内通道的入口端并与所述环形燃料试验件可拆卸连接；

所述环形燃料试验件还设有内气隙和外气隙，通过调整涂层厚度来调节所述内气隙和所述外气隙的热阻比，以形成不对称的所述内气隙、所述外气隙。

2.根据权利要求1所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，其特征在于，所述环形燃料试验件包括：

环形材料试验件本体，所述环形材料试验件本体设有所述内气隙和所述外气隙；

第一端塞，所述第一端塞设于所述筒体的内部，所述第一端塞的一端与所述环形燃料试验件本体的一端卡接并连通，所述第一端塞的另一端与所述堵流端塞可拆卸连接；

第二端塞，所述第二端塞设于所述筒体的内部，所述第二端塞的一端与所述环形燃料试验件本体的另一端卡接并连通，所述第二端塞的另一端与所述筒体连接。

3.根据权利要求2所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，其特征在于，所述环形材料试验件本体包括：

内不锈钢管；

第一YSZ涂层，所述内不锈钢管的外部设有所述第一YSZ涂层；

镍合金加热管，所述镍合金加热管围设于所述第一YSZ涂层的外部，且所述镍合金加热管与所述第一YSZ涂层之间设置有所述内气隙；

外不锈钢管，所述外不锈钢管围设于所述镍合金加热管的外部，且所述镍合金加热管与所述外不锈钢管之间设置有所述外气隙；

第二YSZ涂层，所述外不锈钢管的外部设有所述第二YSZ涂层；

通过调整所述第一YSZ涂层、所述第二YSZ涂层的厚度以控制所述内气隙和所述外气隙的热阻比。

4.根据权利要求3所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，其特征在于，形成不对称的环形材料试验件本体为内气隙闭合环形材料试验件本体；

或者，形成不对称的环形材料试验件本体为外气隙闭合环形材料试验件本体；

或者，形成不对称的环形材料试验件本体为偏心环形材料试验件本体。

5.根据权利要求3所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，其特征在于，所述环形材料试验件本体还包括氧化铝涂层，所述氧化铝涂层设于所述镍合金加热管的外部，所述氧化铝涂层和所述外不锈钢管之间形成所述外气隙。

6.根据权利要求3所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：

正电极，所述正电极穿过所述筒体、所述第一端塞与所述镍合金加热管电连接；

负电极，所述负电极穿过所述筒体、所述第二端塞与所述镍合金加热管电连接。

7.根据权利要求2所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，其特征在于，所述通孔的内壁设有限流凸部，且所述限流凸部与所述堵流端塞连接，通过更换具有不同尺寸的所述限流凸部的所述堵流端塞以模拟不同工况的内通道堵流。

8.根据权利要求2所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，其特征在于，所述第一端塞靠近所述环形燃料试验件本体的一端设有第一卡槽，所述第一端塞与所述环形燃料试验件本体通过所述第一卡槽卡接；

和/或，所述第二端塞靠近所述环形燃料试验件本体的一端设有第二卡槽，所述第二端塞与所述环形燃料试验件本体通过所述第二卡槽卡接。

9.根据权利要求2所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：

进气管，所述进气管穿过所述筒体、所述第一端塞与所述内气隙和所述外气隙连通；

出气管，所述出气管穿过所述筒体、所述第二端塞与所述内气隙和所述外气隙连通。

10.根据权利要求2所述的用于研究环形燃料热失衡的实验装置，其特征在于，所述入口通道与所述筒体通过第一法兰连接；

所述内出口通道与所述第二端塞通过第二法兰连接，且所述内出口通道上设有内出口通道控制阀；

所述外出口通道上设有外出口通道控制阀。

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