CN114121321A - 多功能钠冷快堆碎片床模拟装置及光折射补偿测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种多功能钠冷快堆碎片床模拟装置及光折射补偿测量方法，包括：实验装置支撑平台以及设置于其上的可伸缩式支撑平台、数据采集系统、碎片床颗粒释放系统、干燥颗粒收集系统、可视化碎片床颗粒容器、光折射补偿容器、碎片床加热和注气混合系统，其中：光折射补偿容器位于可视化碎片床颗粒容器外部且整体设置于可伸缩式支撑平台内，碎片床颗粒释放系统位于可伸缩式支撑平台上方并正对可视化碎片床颗粒容器，碎片床加热系统和干燥颗粒收集系统依次设置于实验装置支撑平台下放且碎片床加热系统与可视化碎片床颗粒容器相连，干燥颗粒收集系统与注气系统相连。本发明为大型安全分析程序开发和验证提供模型支持，并通过光折射补偿测量对模拟装置角度数据精确提取，并且可以为工业实际圆柱形容器观察与检测提供修正方案。

Description

多功能钠冷快堆碎片床模拟装置及光折射补偿测量方法
技术领域
本发明涉及的是一种核反应堆控制领域的技术，具体是一种用于模拟整个碎片床形成、 平整、干涸连续过程的钠冷快堆碎片床模拟装置及光折射补偿测量方法。
背景技术
第四代核反应堆具有消耗贫铀实现燃料增殖、嬗变长寿命放射性废物优点，使得钠冷快 堆成为颇具发展前景的第四代反应堆堆型。在钠冷快堆发生堆芯解体事故时，堆芯燃料破碎熔 化后与冷却剂发生相互作用，凝固和分散成颗粒状碎片，碎片在下腔室结构表面沉积并形成碎 片床，床内冷却剂在碎片床颗粒衰变热的作用下发生沸腾，使得熔融物颗粒在蒸汽和液体对流 的共同作用下发生迁移过程，使得碎片床的形状发生变化，从而对碎片床可冷却性能力产生影 响。因此，对钠冷快堆解体事故碎片床的形成与迁移机理、碎片床可冷却性进行研究，有利于 钠冷快堆严重事故管理导则的制定与应对。现有技术在模拟钠冷快堆碎片床迁移及可冷却性研 究过程中大多是人为搭建碎片床，此时碎片床的孔隙率分布与实际反应堆孔隙率分布差异较大， 形成与可冷却性结果与实际反应堆情况存在相当大的偏差，这是亟需解决的科学问题，因此， 需要对碎片床的形成、迁移、可冷却性整体过程进行研究。为了研究碎片床的形成、迁移与可 冷却性整体的过程与机理，需要设计一套行之有效的钠冷快堆模拟装置，能够满足碎片床的形 成与迁移整体行为、可冷却性干涸热流密度测量及水池速度场研究，以探究颗粒尺寸、颗粒材 料、颗粒形状、孔隙率、碎片床高度、水深、释放孔径、释放高度多种因素对碎片床形成、迁 移行为及可冷却性的影响；另外针对模拟装置由于光折射引起的误差问题，提出一套光折射补 偿测量方法。
发明内容
本发明针对现有技术无法追踪对熔融物破碎成碎片后后续形成与平整过程，无法模拟碎 片床形成与平整整体特性研究、模拟衰变热产生、模拟装置的光折射带来测量角偏差问题以及 排出的碎片床颗粒为湿颗粒，会干扰之后的实验效果问题，提出一种多功能钠冷快堆碎片床模 拟装置及光折射补偿测量方法，既可以对事故工况下钠冷快堆碎片床的形成与平整行为进行连 续性模拟，也可以对碎片床的干涸热流密度进行测量，通过控制加热功率和注气速率模拟沸腾 情况，进行碎片床形成与平整的连续实验，有效实现钠冷快堆碎片床的形成与平整行为，也可 以通过控制功率测量碎片床干涸热流密度，为研究碎片床形成与平整机理提供方法，为碎片床 干涸现象提供数据支撑，为大型安全分析程序开发和验证提供模型支持，并通过光折射补偿测 量对模拟装置角度数据精确提取，并且可以为工业实际圆柱形容器观察与检测提供修正方案。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种多功能钠冷快堆碎片床模拟装置，包括：实验装置支撑平台以及设置于 其上的可伸缩式支撑平台、数据采集系统、碎片床颗粒释放系统、干燥颗粒收集系统、可视化 碎片床颗粒容器、光折射补偿容器、碎片床加热和注气混合系统，其中：光折射补偿容器位于 可视化碎片床颗粒容器外部且整体设置于可伸缩式支撑平台内，碎片床颗粒释放系统位于可伸 缩式支撑平台上方并正对可视化碎片床颗粒容器，碎片床加热系统和干燥颗粒收集系统依次设 置于实验装置支撑平台下放且碎片床加热系统与可视化碎片床颗粒容器相连，干燥颗粒收集系 统与注气系统相连。
本发明涉及一种基于上述光折射补偿容器的光折射补偿测量方法，从两个不同的方向观 测并构建两个光折射直线方程，求解确定容器内粒子的位置并通过光折射补偿容器对圆柱形容 器图像折射失真进行修正，从而准确地对钠冷快堆碎片床形成与平整过程进行模拟与评估。
所述的两个光折射直线方程是指：
Figure BDA0003420497640000021
当选取管 中心位置为笛卡尔坐标系原点时，粒子位置为
Figure BDA0003420497640000022
其中： a代表圆柱容器中心到射线容器内垂直平分线的距离，
Figure BDA0003420497640000023
代表垂直平分线相对于水平轴之间的角 度，θ代表射线上任意一点到原点连线相对于水平轴之间的角度，r为内径即为RA，Ω为射线和 相机与容器中心连线的夹角。
所述的修正是指：对根据实际位置和观测位置对粒子位置及角度进行基于几何关系的修 正。
技术效果
本发明通过多功能钠冷快堆碎片床模拟装置实现对碎片床形成、迁移与可冷却性现象整 体过程的研究和更符合事故实际情况下的碎片床迁移角度和干涸热流密度精准测量；通过衰变 热模拟组与注气组定量联用方案实现钠冷快堆熔穿安全壳地板后，不凝性气体的模拟；进气管 线加热板段填充碎片床颗粒，方便注气均匀与热量均匀传导；提出碎片床颗粒排出与螺旋干燥 的方法，实现碎片颗粒的干燥化处理与保存；提出光折射补偿测量方法，实现对模拟装置的精 准测量。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为碎片床加热系统示意图；
图3和图4为光学补偿修正示意图；
图5和图6为实施例效果示意图；
图7和图8为螺旋加热管道干燥效果示意图；
图9为实施例干涸实验数据示意图；
图中：1实验装置支撑平台、2干燥颗粒收集系统、3排水管线、4进气管线、5可伸缩式释放装置支撑平台、6光折射补偿容器、7可视化碎片床颗粒容器、8释放容器、9提拉杆、10提拉体、11滚珠丝杆、12电机、13碎片床加热系统、14螺旋加热管道。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种带有修正功能的多功能钠冷快堆碎片床模拟装置，包 括：实验装置支撑平台1以及设置于其上的可伸缩式支撑平台5、数据采集系统、碎片床颗粒 释放系统、干燥颗粒收集系统2、可视化碎片床颗粒容器7、光折射补偿容器6、碎片床加热系 统13和注气系统4，其中：光折射补偿容器6位于可视化碎片床颗粒容器7外部且整体设置 于可伸缩式支撑平台5内，碎片床颗粒释放系统位于可伸缩式支撑平台5上方并正对可视化碎 片床颗粒容器7，碎片床加热系统13和干燥颗粒收集系统2依次设置于实验装置支撑平台1 下放且碎片床加热系统13与可视化碎片床颗粒容器7相连，干燥颗粒收集系统2与注气系统4 相连。
所述的实验支撑平台1为槽钢结构，可以支撑较大重量，用于支撑可视化碎片床颗粒容 器7和光折射补偿容器6以及重量，另设有楼梯结构，方便上下装卸碎片床模拟颗粒。
所述的干燥颗粒收集系统2包含碎片床颗粒收集箱及螺旋加热管道14，管道内部包含 螺旋通道，通道焊接在主轴上，可以人工旋转主轴或者将主轴连接到可调转速电机进行旋转排 出碎片床颗粒，通道外部缠有电阻丝进行加热，同时在排放碎片床颗粒时，注气系统可以通过 滤网注入热空气加快碎片床颗粒的干燥，从而使实验碎片床颗粒快速干燥，方便储存和防止潮 湿颗粒对下一次实验的干扰。
所述的可伸缩式支撑平台5为不锈钢结构，用于支撑碎片床颗粒释放系统，支撑平台设 有可伸缩式结构，可以改变释放高度。
所述的光折射补偿容器6和可视化碎片床颗粒容器7均由透明材料制成，包括并不限于 钢化玻璃、亚克力材料，容器形状可以为圆柱体、长方体甚至不规则形状体，其中圆柱体、不 规则体可以利用光折射补偿容器进行修正，所容纳颗粒包括但不限于玻璃、不锈钢、氧化铝、 铅、二氧化铀、砂砾，所容纳液体包括但不限于水、油、酒精。
所述的光折射补偿容器6所容纳液体也应与7容纳液体一致，以便进行光折射补偿。
所述的碎片床颗粒释放系统，包括：释放容器8、设置于其中的提拉杆9以及与提拉杆 9依次相连的提拉体10、滚珠丝杠11和电机12，其中：提拉杆9的尾部与滚珠丝杠杆相连接 并通过电机带动滚珠丝杠将提拉杆提升。
所述的释放容器8优选采用不锈钢筒式漏斗，可以根据需求加工不同口径的不锈钢漏斗。
所述的提拉杆9优选采用不锈钢锥头提拉杆与不锈钢筒式漏斗相匹配。
所述的滚珠丝杠11提拉在释放容器体积较大、盛放较多的实验颗粒的情况下，能够可 靠的提拉，可靠的释放实验颗粒。
如图2所示，所述的碎片床加热系统13包括：不锈钢板131、加热板132、绝缘板133、热电偶134和控制柜135，其中：热电偶设置于不锈钢板131上，加热板132采用定制的中心开孔结构并与不锈钢板131相连，中心可以插入注气管线；通过与不锈钢板开槽内热电偶联合 使用，利用热电偶温差及距离计算得到输入到碎片床的准确实时热量。
所述的不锈钢板131上设有开槽，在距离圆心不同位置设置若干热电偶134，每对热电 偶之间间距为δ，其输入功率
Figure BDA0003420497640000041
其中：i代表热电偶编号， qi代表每对热电偶计算的热输入量，λ代表不锈钢板的导热系数，δ代表一对热电偶之间的间距， ΔT碸代表第i对热电偶之间的温差；qin代表截面热输入量，Vp代表碎片床体积，ε代表孔隙率， A代表截面积。
所述的加热板内设有电阻丝，使加热板均匀加热，外接控制柜，可以对加热板功率和温 度进行检测。
所述的绝缘板采用但不限于石棉板、绝缘橡胶板、绝缘胶垫。
所述的注气系统4包括：内置模拟气体的气瓶41、气排42、流量计43、阀门44和管道45，其中：与螺旋加热管道14相连接处布置滤网，可以防止颗粒进入注气管线以及可以在颗粒收集时注入热气加速颗粒干燥。
所述的数据采集系统，包括：可视化速度场采集系统、调频的高速摄像机、温度采集系 统、功率采集系统、流量采集系统和压差采集系统，其中：可视化图片采集系统采集碎片床形 成与平整过程的速度场图像信息并输出至PIV后处理软件中进行速度场后处理，高速摄像机采 集形成与平整的角度图像信息并输出至电脑处理平台，温度采集系统分别采集加热板热电偶温 度、碎片床水温、碎片床温度并输出至NI数采系统，功率采集系统采集加热板加热功率并输 出至控制柜仪表，流量采集系统采集注气流量、注水流量并输出至NI数采系统，压差采集系 统采集碎片床各个部位之间的压力及压差信息并输出至NI数采系统。
如图3、图4所示，为本实施例涉及一种基于上述光折射补偿容器的光折射补偿测量方 法，包括如下步骤：
步骤1：在可视化碎片床颗粒容器内注入合适高度的液体，在光折射补偿容器内注入高 于碎片床颗粒容器高度的同种液体；
步骤2：调整可伸缩式支撑平台高度到合适位置，选择合适的释放容器，通过控制柜控 制滚珠丝杠将提拉杆位置降至最低；
步骤3：将实验所用颗粒装入释放容器，对于混合颗粒释放试验应提前将不同直径颗粒 混合均匀；
步骤4：将可视化图片采集系统、温度采集系统、功率采集系统、压差采集系统与实验 设备相连接并调试正常；
步骤5：将进气管线流量设置到预定参数或将加热板功率设定到预计参数用于模拟衰变 热引起的沸腾效应；或者将进气管线和加热板同时使用，用于模拟衰变热引起的沸腾以及严重 事故后期不凝性气体对碎片床行为的影响。
步骤6：启动数据采集系统对数据进行采集，启动电控柜让提拉杆提升释放颗粒，打开 进气管线阀门或加热板开关进行加热。
步骤7：先采集碎片床形成过程的实验数据，在颗粒完全释放完毕后，碎片床形成过程 转而变成碎片床迁移过程，进行进气流量和加热板功率的调节，完成后续的碎片床迁移过程。
步骤8：将光折射补偿容器内的液体排出，不断增大加热板功率，并根据检测数据进行 形成与平整过程角度分析以及干涸热流密度分析，具体包括：
8.1)如图3和图4所示，在碎片床形成倾斜角上任取一点P，并确定该点对应的实际位 置Q，即得到真实的倾斜角，对于P点坐标的修正过程即为确定Q位置的过程，具体为：OQ＝ OD*tan(β3)+CD，在△OED中，可求得ED，CD＝ED-EC；CD＝L*tan(α1-β1+α2)-EC； 在△EBC中，由正弦定理可得
Figure BDA0003420497640000051
在△EOD中,BE＝OE-OB；
Figure BDA0003420497640000052
Figure BDA0003420497640000053
其中：O点为圆柱形容器原点，P点为倾斜角上任取一点，Q为修 正后P点的真实位置，A点为P点观测射线与圆柱形容器内壁面交点，B为圆柱原点与A点连 线与圆柱形容器外壁面交点，C点为P点观测射线经圆柱形容器折射后与修正容器交点，D点为水平线与修正容器交点。
8.2)如图5和图6所示，当碎片床发生干涸现象时，记录当前八对热电偶134对应的温 度，计算出热流密度
Figure BDA0003420497640000054
i＝1、2、…、8，即为碎片床干涸热流密度。
经过具体实际实验，在采用漏斗直径为5cm的漏斗孔，漏斗高度距离容器上端10cm的 高度，碎片床材质采用304不锈钢，容器液体采用蒸馏水，颗粒直径为1mm、2mm、3mm的 具体环境设置下，释放不锈钢颗粒进透明容器，能够得到的实验图是：图5、图6，形成的角 度为25°，且能够完成碎片床平整实验；对于干涸实验数据如图9所示，并且将干涸热流密度数据与现有的Lipinski预测模型进行对照，实验数据与Lipinski模型误差较小，准确可靠。综 上所述，本实验装置可以完成碎片床形成、迁移与干涸实验，能够精确地测量碎片床形成与迁 移角度变化及干涸热流密度。
与现有技术相比，本装置实现对碎片床形成与迁移行为及干涸热流密度多物理现象的精 准测量；通过多根热电偶的布置，实现对加热功率的定量输入，对干涸热流密度的精准获取； 通过加热板与注气设备的使用，实现模拟不同沸腾方式对碎片床形成与迁移的影响，实现模拟 不凝性气体对干涸热流密度的影响；通过碎片床颗粒收集系统与注气系统联用可以对颗粒进行 快速干燥与收集。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式 对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围 内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种多功能钠冷快堆碎片床模拟装置，其特征在于，包括：实验装置支撑平台以及设置于其上的可伸缩式支撑平台、数据采集系统、碎片床颗粒释放系统、干燥颗粒收集系统、可视化碎片床颗粒容器、光折射补偿容器、碎片床加热和注气混合系统，其中：光折射补偿容器位于可视化碎片床颗粒容器外部且整体设置于可伸缩式支撑平台内，碎片床颗粒释放系统位于可伸缩式支撑平台上方并正对可视化碎片床颗粒容器，碎片床加热系统和干燥颗粒收集系统依次设置于实验装置支撑平台下放且碎片床加热系统与可视化碎片床颗粒容器相连，干燥颗粒收集系统与注气系统相连；
所述的碎片床加热系统包括：不锈钢板、加热板、绝缘板、热电偶和控制柜，其中：热电偶设置于不锈钢板上，加热板采用定制的中心开孔结构并与不锈钢板相连，中心可以插入注气管线；通过与不锈钢板开槽内热电偶联合使用，利用热电偶温差及距离计算得到输入到碎片床的准确实时热量。
2.根据权利要求1所述的多功能钠冷快堆碎片床模拟装置，其特征是，所述的干燥颗粒收集系统包含碎片床颗粒收集箱及螺旋加热管道，管道内部包含螺旋通道，通道焊接在主轴上，可以人工旋转主轴或者将主轴连接到可调转速电机进行旋转排出碎片床颗粒，通道外部缠有电阻丝进行加热，同时在排放碎片床颗粒时，注气系统可以通过滤网注入热空气加快碎片床颗粒的干燥，从而使实验碎片床颗粒快速干燥，方便储存和防止潮湿颗粒对下一次实验的干扰。
3.根据权利要求1所述的多功能钠冷快堆碎片床模拟装置，其特征是，所述的光折射补偿容器和可视化碎片床颗粒容器均由透明材料制成，容器形状为圆柱体或不规则体以利用光折射补偿容器进行修正，所容纳颗粒包括玻璃、不锈钢、氧化铝、铅、二氧化铀、砂砾，所容纳液体包括水、油、酒精。
4.根据权利要求1所述的多功能钠冷快堆碎片床模拟装置，其特征是，所述的碎片床颗粒释放系统，包括：释放容器、设置于其中的提拉杆以及与提拉杆依次相连的提拉体、滚珠丝杠和电机，其中：提拉杆的尾部与滚珠丝杠杆相连接并通过电机带动滚珠丝杠将提拉杆提升。
5.根据权利要求1所述的多功能钠冷快堆碎片床模拟装置，其特征是，所述的注气系统包括：内置模拟气体的气瓶、气排、流量计、阀门和管道，其中：与螺旋加热管道相连接处布置滤网，可以防止颗粒进入注气管线以及可以在颗粒收集时注入热气加速颗粒干燥。
6.根据权利要求1所述的多功能钠冷快堆碎片床模拟装置，其特征是，所述的数据采集系统，包括：可视化速度场采集系统、调频的高速摄像机、温度采集系统、功率采集系统、流量采集系统和压差采集系统，其中：可视化图片采集系统采集碎片床形成与平整过程的速度场图像信息并输出至PIV后处理软件中进行速度场后处理，高速摄像机采集形成与平整的角度图像信息并输出至电脑处理平台，温度采集系统分别采集加热板热电偶温度、碎片床水温、碎片床温度并输出至NI数采系统，功率采集系统采集加热板加热功率并输出至控制柜仪表，流量采集系统采集注气流量、注水流量并输出至NI数采系统，压差采集系统采集碎片床各个部位之间的压力及压差信息并输出至NI数采系统。
7.一种基于权利要求1～6中任一所述光折射补偿容器的光折射补偿测量方法，其特征在于，从两个不同的方向观测并构建两个光折射直线方程，求解确定容器内粒子的位置并通过光折射补偿容器对圆柱形容器图像折射失真进行修正，从而准确地对钠冷快堆碎片床形成与平整过程进行模拟与评估。
8.根据权利要求7所述的所述光折射补偿容器的光折射补偿测量方法，其特征是，所述的两个光折射直线方程是指：
Figure FDA0003420497630000021
当选取管中心位置为笛卡尔坐标系原点时，粒子位置为
Figure FDA0003420497630000022
其中：a代表圆柱容器中心到射线容器内垂直平分线的距离，
Figure FDA0003420497630000023
代表垂直平分线相对于水平轴之间的角度，θ代表射线上任意一点到原点连线相对于水平轴之间的角度，r为内径即为RA，Ω为射线和相机与容器中心连线的夹角。
9.根据权利要求7所述的所述光折射补偿容器的光折射补偿测量方法，其特征是，所述的观测，具体包括：
步骤1：在可视化碎片床颗粒容器内注入合适高度的液体，在光折射补偿容器内注入高于碎片床颗粒容器高度的同种液体；
步骤2：调整可伸缩式支撑平台高度到合适位置，选择合适的释放容器，通过控制柜控制滚珠丝杠将提拉杆位置降至最低；
步骤3：将实验所用颗粒装入释放容器，对于混合颗粒释放试验应提前将不同直径颗粒混合均匀；
步骤4：将可视化图片采集系统、温度采集系统、功率采集系统、压差采集系统与实验设备相连接并调试正常；
步骤5：将进气管线流量设置到预定参数或将加热板功率设定到预计参数用于模拟衰变热引起的沸腾效应；或者将进气管线和加热板同时使用，用于模拟衰变热引起的沸腾以及严重事故后期不凝性气体对碎片床行为的影响；
步骤6：启动数据采集系统对数据进行采集，启动电控柜让提拉杆提升释放颗粒，打开进气管线阀门或加热板开关进行加热；
步骤7：先采集碎片床形成过程的实验数据，在颗粒完全释放完毕后，碎片床形成过程转而变成碎片床迁移过程，进行进气流量和加热板功率的调节，完成后续的碎片床迁移过程。
10.根据权利要求9所述的所述光折射补偿容器的光折射补偿测量方法，其特征是，所述的模拟与评估是指：将光折射补偿容器内的液体排出，不断增大加热板功率，并根据检测数据进行形成与平整过程角度分析以及干涸热流密度分析，具体包括：
8.1)在碎片床形成倾斜角上任取一点P，并确定该点对应的实际位置Q，即得到真实的倾斜角，对于P点坐标的修正过程即为确定Q位置的过程，具体为：OQ＝OD*tan(β3)+CD，在△OED中，可求得ED，CD＝ED-EC；CD＝L*tan(α1-β1+α2)-EC；在△EBC中，由正弦定理可得
Figure FDA0003420497630000031
在△EOD中,BE＝OE-OB；
Figure FDA0003420497630000032
Figure FDA0003420497630000033
其中：O点为圆柱形容器原点，P点为倾斜角上任取一点，Q为修正后P点的真实位置，A点为P点观测射线与圆柱形容器内壁面交点，B为圆柱原点与A点连线与圆柱形容器外壁面交点，C点为P点观测射线经圆柱形容器折射后与修正容器交点，D点为水平线与修正容器交点；
8.2)当碎片床发生干涸现象时，记录当前八对热电偶对应的温度，计算出热流密度
Figure FDA0003420497630000034
Figure FDA0003420497630000035
即为碎片床干涸热流密度。
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