CN114254517B - 一种池式液金属态反应堆试验系统设计方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种池式液态金属反应堆试验系统设计方法及装置，属于反应堆热工水力学领域，解决了现有技术中传热分析方法误差大的问题。该设计方法包括：基于几何相似条件和热端边界条件一致，确定试验装置气腔空间尺寸和结构材料物性参数；在几何相似的基础上，确定气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，保证传热过程的热流密度和热阻相等，得到与反应堆原型一致的温度场。本发明实现了试验系统缩与原型的温度场一致，为传热特性与反应堆一致的试验系统的建立提供依据和支持。

Description

一种池式液金属态反应堆试验系统设计方法及装置
技术领域
本发明涉及反应堆热工水力学技术领域，尤其涉及一种池式液态金属反应堆试验系统设计方法及装置。
背景技术
液态金属反应堆由于其较高的安全性和经济性，成为我国发展第四代反应堆的主力堆型。在核反应堆的设计和建造中，必须得到反应堆在不同工况下的温度载荷，以作为热应力计算的输入条件，判断反应堆内各结构与部件能否满足设计工况下的结构完整性，保证反应堆运行安全。
在池式液态金属反应堆的传热中，以主容器顶部惰性保护气体空间的传热特性最为复杂。在现有的传热特性研究方法中，主要是数值模拟法与试验研究法。
数值模拟法的优势在于修改边界条件方便，节约时间，但是计算结果的准确性严重依赖于网格质量、传热模型的准确性、边界条件输入，此外数值模拟还存在着大量的简化，这无疑会引入误差。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种池式液态金属反应堆试验系统设计方法及装置，用以解决现有技术中液态金属反应堆传热分析方法误差大的问题，保证试验系统与原型的温度场的一致性。
本发明提供了一种池式液态金属反应堆试验系统设计方法，包括：
基于几何相似条件和热端边界条件一致，确定试验系统气腔空间尺寸和结构材料物性参数；
在几何相似的基础上，确定气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，保证各传热过程的热流密度和热阻相等，保证得到与反应堆原型一致的温度场。
进一步地，所述基于几何相似条件和热端边界条件相似，确定试验装置气腔空间尺寸和结构材料物性参数中：
基于几何相似条件，以气腔空间的尺寸为基准进行1：L的缩比，其中L为大于1的任意数；
所述气腔空间的尺寸为锥形顶盖的内径和气腔空间的高度。
进一步地，所述基于几何相似条件和热端边界条件相似，确定试验装置气腔空间尺寸和结构材料物性参数中：
所述热端为试验工质，所述试验工质为液态金属钠；
采用与反应堆原型物性参数相同的试验工质，保证热端边界条件一致；
所述原型物性参数包括温度、辐射发生率、导热系数、热膨胀系数和密度。
进一步地，所述基于几何相似条件和热端边界条件相似，确定试验装置气腔空间尺寸和结构材料物性参数中：
所述结构材料包括锥形顶盖、贯穿支承件的材料；所述物性参数包括表面粗糙度、导热系数、热膨胀系数和角系数；
所述角系数包括贯穿支承件、锥形顶盖金属层内壁面的角系数；
保证气腔空间内的辐射传热热流密度一致，由辐射换热引起的温升与原型一致。
进一步地，所述在几何相似的基础上，确定气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，保证传热过程的热流密度和热阻相等，保证得到与反应堆原型一致的温度场中：
控制气腔空间氩气压强以改变氩气粘度，通过氩气粘度补偿几何尺寸缩比对温度场的影响，保证温度场一致性；所述试验装置的氩气粘度与反应堆原型的氩气粘度关系满足：
Figure GDA0004026999930000021
式中：L-缩比值；
vm-试验装置的气体运动粘度；
vp-反应堆原型的气体运动粘度。
进一步地，所述在几何相似的基础上，确定气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，保证传热过程的热流密度和热阻相等，保证得到与反应堆原型一致的温度场中：
所述气隙包括贯穿支承件与接管之间的间隙、旋塞保护套与旋塞支撑颈之间的间隙，所述气隙尺寸与气腔空间等比例缩比，保证温度场一致性。
进一步地，所述在几何相似的基础上，确定气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，保证传热过程的热流密度和热阻相等，保证得到与反应堆原型一致的温度场中：
试验装置的保温材料层与原型的保温材料层关系满足：
Figure GDA0004026999930000022
式中：δ1-原型顶盖的金属层的厚度；
λ1-原型顶盖的金属层导热系数；
δ2-原型顶盖外覆保温材料的厚度；
λ2-原型顶盖外覆保温材料导热系数；
L′-原型顶盖金属层与试验系统金属层的缩比；
δ′2-试验系统顶盖外覆保温材料的厚度；
上角标′-试验系统的各项物性参数。
进一步地，所述在几何相似的基础上，确定气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，保证传热过程的热流密度和热阻相等，保证得到与反应堆原型一致的温度场中：
所述堆顶通风参数满足：所述试验系统的通风风速为反应堆原型的通风风速的L-0.25倍，所述试验系统的通风量为反应堆原型的通风量的L-2.25倍。
本发明还提供一种池式液态金属反应堆试验装置，采用上述设计方法得到，包括：
顶部开口的壳体、设于壳体的开口处的顶盖以及气腔供气压力可调的惰性气体加载器，所述壳体与顶盖构成的内部空间分为试验工质容置空间以及位于试验工质容置空间上方的气腔；顶盖的顶部设有开口，在顶盖的顶部的开口处设有旋转屏蔽塞以及套设于旋转屏蔽塞外壁的旋塞保护套，旋转屏蔽塞与旋塞保护套之间具有气体间隙；
至少两个贯穿支承件，所述顶盖与贯穿支承件固定连接；
以及套设于贯穿支承件外壁的保温件。
进一步地，上述试验装置还包括：
设于试验工质容置空间内的试验工质液面处的液面温度热流密度测量仪；
设于顶盖的内表面的对流热流密度测量仪、设于顶盖的内部的辐射热流密度测量仪和/或设于气腔内部的气体热流密度测量仪。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明基于相似原理，在整体满足几何相似的基础上，利用无量纲准则数，保证各传热过程的热流密度和热阻相等，使得试验系统的温度场与原型保持一致，为传热特性与反应堆一致的缩比试验系统的建立提供理论依据，该设计方法在数值模拟和实验研究都具有重要的指导意义。
2、针对反应堆结构和传热机理的复杂性，本发明综合考虑对流传热、辐射传热和热传导，基于几何相似，控制热端边界条件和冷端边界条件，保证气腔内的辐射传热热流密度的相似性和一致性、气腔内氩气流动引起的对流换热热流密度的相似性和一致性、气隙处的对流换热热流密度、顶盖固体域的内外壁面的热传导的热阻，使得试验系统的温度场与反应堆原型的温度场的一致性，保证试验系统的温度场与反应堆原型的温度场处处一致，从而能够准确反映反应堆内的实际工况，结果可信度高，并降低试验研究的时间成本和经济成本。
3、本发明通过改变气腔内的惰性气体压强来改变黏度，进而控制湍流的瑞利数，以使对流换热系数保持不变；通过控制物体的材质与表面粗糙度保持一致来控制辐射发射率与原型一致，通过等面积缩比控制角系数与原型一致，进而控制辐射换热系数与原型一致；通过改变锥形顶盖的金属层和顶盖外覆保温材料层的厚度维持垂直壁面方向上一维导热的热阻不变；进而控制试验系统与原型的温度场一致，各主要传热过程的热阻相等，得到传热特性与反应堆一致的试验系统。
4、本发明提供了保证得到与反应堆原型一致的温度场的参数控制方法，如试验系统气腔空间尺寸和结构材料物性参数、气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，能够各保证传热过程的热流密度和热阻相等。基于此，能快速、精准地对气腔传热机组进行变量控制。
5、采用本发明提出的设计方法和试验装置可以有效判断反应堆原型各结构与部件能否满足设计工况下的结构完整性，保证反应堆运行安全。
6、本发明还提供了一种池式液态金属反应堆的试验装置，保留实物池式液态金属反应堆主要的传热主体，针对池式液态金属反应堆主容器的顶部气腔(惰性气体容置空间)的结构进行有效简化，缩小实物池式液态金属反应堆的体积，从而能够对池式液态金属反应堆进行传热试验，结构简单，成本低廉，可操作性强。其中试验工质液面作为热端，冷却风管作为冷端传热，通过实时监测试验工质液面处的温度和冷却风管处的热流密度，使得两者接近于实物池式液态金属反应堆的实际温度和热流密度，保证传热过程(热端至冷端)的边界条件一致，从而能够使上述传热试验设备内的热传递接近于实物池式液态反应堆内的热传递，保证底部热端边界条件和冷端边界条件一致，提高上述传热试验装置的模拟真实性。
7、本发明提供的池式液态金属反应堆的试验装置，通过对流热流密度测量仪、辐射热流密度测量仪和/或气体热流密度测量仪的设置，能够实时监测惰性气体与顶盖之间的热流密度、试验工质液面与顶盖之间的热流密度以及顶盖的内部的热流密度，使得三者能够接近于反应堆原型内的热传递。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为实施例1中液态金属钠反应堆原型氩气传热结构示意图。
附图标记：
1-试验工质；2-惰性保护气体；3-贯穿支承件；4-贯穿设备屏蔽；5-锥形顶盖；6-保温材料层；7-接管结构；8-冷却风管；9-旋转屏蔽塞；10-旋塞保护套。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在核反应堆的设计和建造中，必须得到反应堆在不同工况下的温度载荷，以作为热应力计算的输入条件，判断反应堆内各结构与部件能否满足设计工况下的结构完整性，保证反应堆运行安全。但是，由于池式液态金属反应堆的结构复杂，体积大，成本高，导致采用实物的池式液态金属反应堆进行传热试验造价非常高。
池式液态金属反应堆结构中既有大跨度的氩气空间，还存在着大量的微小间隙；既包括气相的氩气，还包括液相的金属钠，此外还有固相不锈钢；为了研究的准确性，需要考虑热传导、对流换热与热辐射三种传热方式，结构和传热机理都十分复杂。从结构特点和设计工况两方面综合来看，主容器顶部传热具有如下特点：1、试验工质的热导性良好，试验工质的自由液面在运行工况下可以视为恒温，这是经典的传热学第一类边界条件；2、惰性保护气体与工质液面、锥形顶盖内壁面、贯穿支承件外壁面均存在对流换热，由于运行工况下堆内温度较高，因此惰性保护气体的流动可以视为湍流模型，难以量化分析；3、在气腔内部，辐射传热的效应不能忽略；4、结构中存在着数量繁多、尺寸不一的环形气隙，在这些气隙处发生的对流换热，对于贯穿设备和接管的温度场有较大影响；5、在实际的运行过程中，位于堆坑内的主容器顶部区域的外部还有通风冷却，这一传热过程可以视为对流换热。
在现有的传热特性研究方法中，主要是数值模拟法与试验研究法。数值模拟法的优势是修改边界条件方便，节约时间，但是计算结果的准确性严重依赖于网格质量、传热模型的准确性、边界条件输入，此外数值模拟还存在着大量的简化，这无疑会引入误差。试验研究的优势是能够反映堆内的实际工况、结果可信度高，但是存在时间成本和经济成本高、难以还原原型装置真实比例等问题。
基于此，本发明提供了一种池式液态金属反应堆试验系统设计方法，包括：
基于几何相似条件和热端边界条件一致，确定试验系统气腔空间尺寸和结构材料物性参数；
在几何相似的基础上，确定气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，保证各传热过程的热流密度和热阻相等，得到与反应堆原型一致的温度场。
本发明充分考虑了主容器顶部的传热过程复杂，即某个传热过程的输出结果会成为另一个传热过程的边界条件输入，如钠液面与锥形顶盖内壁存在辐射传热，受其影响的锥顶盖内壁的温度场成为顶盖与顶盖外覆保温材料层导热传热的热端边界条件输入，通过相似原理，在保证传热特性和机理一致的情况，通过合理的参数缩比控制，保证传热过程的热流密度和热阻相等，得到与原型的温度场处处一致的试验系统。
考虑到在池式液态金属反应堆的传热试验系统中，以主容器顶部氩气空间的传热特性最为复杂，这一区域既包括氩气与钠液面、锥形顶盖、贯穿支承件的对流换热，还包括钠液面、锥形顶盖内壁、贯穿支承件外壁之间的辐射传热，此外还包括大量的热传导。因此，本发明保留实物池式液态金属反应堆主要的传热主体，针对池式液态金属反应堆主容器的顶部气腔(惰性气体容置空间)的结构可进行有效简化，缩小实物池式液态金属反应堆的体积，如此能够对池式液态金属反应堆进行传热试验，结构简单，成本低廉，可操作性强。
在整体满足几何相似的基础上，利用无量纲准则数保证各传热过程的对流换热热流密度和热阻相等。具体的，基于几何相似条件，以气腔空间的尺寸为基准进行1：L的缩比，其中L为大于1的任意数，如L可以为1-20，示例性的，L为2、4、6、8、10、12、14、16、18等。
池式液态金属反应堆的气腔为氩气空间，氩气空间是对流传热的主体部分，而对流传热的区域主要包括氩气与液体金属工质液面(如钠液面)、锥形顶盖、贯穿支承件的对流换热，因此，所述氩气空间的尺寸确定为锥形顶盖的内径和氩气空间的高度。也就是说，锥形顶盖的内径和氩气空间的高度均按照1：L进行缩比。
考虑到主容器顶部气腔空间的传热过程复杂，即某个传热过程的输出结果会成为另一个传热过程的边界条件输入，如钠液面与顶盖内壁存在辐射传热，受其影响的顶盖内壁的温度场成为顶盖与顶盖外覆保温材料层导热传热的热端边界条件输入。本发明中，热端为试验工质，具体的，试验工质为液态金属钠。液态金属钠的导热性良好，钠的自由液面在运行工况下可以视为恒温，这是经典的传热学第一边界条件。将热端边界条件作为第一边界条件，第一边界条件需要满足相似准则。试验工质的温度、热物性、发射率等参数是影响传热的重要因素。因此，采用与反应堆原型物性参数相同的试验工质，保证热端边界条件一致；原型物性参数包括温度、辐射发射率、导热系数、热膨胀系数和密度。
池式液态金属反应堆结构中需要考虑热传导、对流换热与热辐射三种传热方式，结构和传热机理都十分复杂。惰性保护气体与试验工质液面、锥形顶盖内壁面、贯穿支承件外壁面均存在对流换热，由于运行工况下堆内温度较高，因此惰性保护气体的流动可以视为湍流模型，难以量化分析。且在气腔内部，辐射传热的效应不能忽略。为了保证主容器顶部气腔内的辐射传热热流密度的相似，需要锥形顶盖、贯穿支承件等结构的材料与原型反应堆相同，以保证表面粗糙度、导热系数、热膨胀系数、密度等物性参数与原型一致。
具体的，所述结构材料包括锥形顶盖、贯穿支承件的材料；所述物性参数包括表面粗糙度、导热系数、热膨胀系数和角系数；所述角系数包括贯穿支承件、锥形顶盖金属层内壁面的角系数；保证气腔空间内的辐射传热热流密度一致，由辐射换热引起的温升与原型一致。
通过针对气腔结构进行几何缩比，以满足几何相似条件，以及热端边界条件与原型反应堆采用相同温度的核级钠，保证温度、辐射发射率、导热系数、热膨胀系数、密度等物性参数与原型一致；结构的材料与原型反应堆相同，以保证表面粗糙度、导热系数、热膨胀系数、密度等物性参数与原型一致，能够控制主容器顶部气腔内的辐射传热热流密度相似，各固体域表面(各个贯穿支承件、锥形顶盖金属层内壁面)的角系数与原型反应堆对应部件的角系数相等，由辐射换热引起的温升一致。
考虑到反应堆结构中还存在着数量繁多、尺寸不一的环形气隙，在这些气隙处发生的对流换热，对于贯穿支承件和接管的温度场有较大影响且锥形顶盖内外壁面存在热传导，本发明在几何相似的基础上，确定气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，保证各传热过程的热流密度和热阻相等，保证得到与反应堆原型一致的温度场。
其中，气腔内的氩气流动引起的对流换热，利用相似原理，可通过增高压力改变其粘度，由此控制其瑞利数Ra相等，达到对流换热热流密度相等的目标，保证温度场相似。
具体的，控制气腔空间氩气压强以改变氩气粘度，通过氩气粘度补偿几何尺寸缩比对温度场的影响，保证温度场一致性；所述试验系统的氩气粘度与反应堆原型的氩气粘度关系满足：
Figure GDA0004026999930000071
式中：L-缩比值；
vm-试验装系统的气体运动粘度；
vp-反应堆原型的气体运动粘度。
需要说明的是，在气腔大空间的氩气对流换热过程中，可通过增加氩气压强的方式进行等效，以得到与反应堆一致的温度场，具体过程如下：
二维圆柱坐标系下，描述惰性保护气体温度分布的微分方程组为：
Figure GDA0004026999930000072
Figure GDA0004026999930000073
Figure GDA0004026999930000074
式中：r下角标-半径方向；
z下角标-高度方向；
r-半径；
z-高度；
u-流体速度；
g-重力加速度；
α-气体体积膨胀系数；
T-气体控制体温度；
v-气体运动粘度；
θ-过余温度。
自然对流时，主要考虑高度方向的温度分布(即高度z)，根据Π定理可以得到相似准则数：
Figure GDA0004026999930000075
Figure GDA0004026999930000076
Figure GDA0004026999930000077
动量方程的无量纲特征数格拉晓夫数Gr取：
Figure GDA0004026999930000081
能量方程的无量纲特征数瑞利数Ra取：
Figure GDA0004026999930000082
要保证氩气空间温度场相似，需试验系统与原型气腔惰性保护气体区域瑞利数Ra相等，即：
Figure GDA0004026999930000083
式中：下角标m——代表试验系统model；
下角标p——代表反应堆原型prototype；
g-重力加速度，为常数；
α-体积膨胀系数；
Pr-湍流普朗特数；
v-气体运动粘度；
l-特征长度，对于圆形管道，指圆柱体体积除以表面积；
θ-过余温度。
当试验系统与原型的几何尺寸缩比为1∶L时，试验系统与原型的温度场关系为：
Figure GDA0004026999930000084
式中，重力加速度g为常数，体积膨胀系数α与氩气温度有关，当试验系统与原型的氩气温度分布相同时，
Figure GDA0004026999930000085
氩气的普朗特数在反应堆运行工况内基本保持不变，即
Figure GDA0004026999930000086
因此，试验系统与原型的温度场与几何尺寸三次方成反比，与运动粘度的二次方成正比，即：
Figure GDA0004026999930000087
由此可见，可通过改变试验与原型的氩气粘度比来补偿几何尺寸缩比对温度场的影响，以保证温度场相似性。若几何尺寸缩比为1∶L，则当试验系统的压力为原型的L3/2倍时，氩气粘度减小为原型的L-3/2，此时：
Figure GDA0004026999930000088
即
Figure GDA0004026999930000089
时满足温度场的相似性要求。
对于惰性气体保护空间的自然对流传热，试验系统与原型均可采用下式计算努塞尔数Nu：
Nu＝0.061(GrPr)1/3
将
Figure GDA0004026999930000091
代入上式，可得：
Figure GDA0004026999930000092
式中：
hc-自然对流换热的表面传热系数；
l-特征长度，对于圆形管道，指圆柱体体积除以表面积；
g-重力加速度；
α-气体体积膨胀系数；
v-气体运动粘度；
θ-过余温度；
Pr-湍流普朗特数；
Δt-温度差值，过余温度；
λ-固体表面材料的导热系数；
由此可知，自然对流换热的表面传热系数hc与几何尺寸无关，即hcm＝hcp，也称为湍流自然对流的自模化现象。在温度场相似的基础上，
q＝hc(t惰-tw)
式中：hc-自然对流表面传热系数；
q-对流换热热流密度；
t惰-惰性保护气体温度；
tw-固体表面温度；
即几何尺寸缩比为1∶L，当试验系统的压力为原型的L3/2倍时，试验系统与原型的自然对流热流密度相同。
其中，反应堆结构中存在着数量繁多、尺寸不一的环形气隙，在这些气隙处发生对流换热，对于温度场有较大影响。所述气隙包括贯穿支承件与接管之间的间隙、旋塞保护套与旋塞支撑颈(旋转屏蔽塞支撑颈)之间的间隙，所述气隙尺寸与气腔空间等比例缩比，保证温度场一致性。
具体的，动量方程的无量纲特征数格拉晓夫数Gr取：
Figure GDA0004026999930000093
式中：l-特征长度，对于圆形管道，指圆柱体体积除以表面积；
g-重力加速度；
α-气体体积膨胀系数；
θ-过余温度；
v-气体运动粘度。
可见，要保证上述气隙的格拉晓夫数Gr与原型相同，需要该间隙按照1∶L进行缩比。
其中，在锥形顶盖处具有金属层，其外附着有保温材料层，锥形顶盖的金属层与保温材料层之间的热传导是主要的传热方式。此处的热传导可近似看作垂直于壁厚方向的一维导热问题，因此可通过改变金属层和保温材料层的厚度来控制热阻，使得顶盖固体域的内外壁面温度与反应堆原型保持一致。在考虑一维、稳态、无内热源导热下，热量由金属层内壁面以导热的形式传递到金属层外壁面，再通过导热传递到保温材料层外壁面，忽略金属层与保温材料层之间的接触热阻，垂直壁面方向上的锥形顶盖金属层与保温材料层的热传导，满足：
Figure GDA0004026999930000101
式中：
δ1-原型顶盖的金属层的厚度；
λ1-原型顶盖的金属层导热系数；
δ2-原型顶盖外覆保温材料的厚度；
λ2-原型顶盖外覆保温材料导热系数；
δ′1-试验系统顶盖的金属层的厚度；
λ′1-试验系统顶盖的金属层导热系数；
δ′2-试验系统顶盖外覆保温材料的厚度；
λ′2试验系统外覆保温材料导热系数；
上角标′-试验系统的各项物性参数；
由于试验系统采用和原型同种材料，因此导热系数相同，即λ1＝λ′1，λ2＝λ′2。设试验系统的金属层按照1∶L′进行缩比，即δ′＝L′δ，则试验系统的保温材料厚度为：
Figure GDA0004026999930000102
式中：δ1-原型顶盖的金属层的厚度；
λ1-原型顶盖的金属层导热系数；
δ2-原型顶盖外覆保温材料的厚度；
λ2-原型顶盖外覆保温材料导热系数；
L′-原型顶盖金属层与试验系统金属层的缩比；
δ′2-试验系统顶盖外覆保温材料的厚度。
上角标′-试验系统的各项物性参数。
其中，堆顶通风为冷端边界条件，Nu数与Re数和Pr数相关，即：
Figure GDA0004026999930000111
需要说明的是，首先，应保证通风温度T0及换热系数h0与原型一致。贯穿支承件的通风可看作环形空间的强制对流换热问题，若保证h0相似，由于间隙尺寸按1∶L缩比，试验系统的Nu数为原型的
Figure GDA0004026999930000112
由于试验系统与原型通风的普朗克数Pr数相同，可得：
Figure GDA0004026999930000113
再根据雷诺数Re的定义：
Figure GDA0004026999930000114
式中：u-风速；
d2-d1-通风有效直径(风道直径-贯穿设备直径)；
v-运动粘度；
可知，试验系统内通风风速应为原型的L-0.25倍，通风量为原型的L-2.25倍。即，所述堆顶通风参数满足：所述试验系统的通风风速为反应堆原型的通风风速的L-0.25倍，所述试验系统的通风量为反应堆原型的通风量的L-2.25倍。
此外，钠液面与锥形顶盖等结构可以视为一个封闭系统，根据传热学经验，辐射传热量(气体的透射率接近于1，可忽略氩气对辐射的吸收与反射)可由下式计算：
Figure GDA0004026999930000115
式中：Qrad-辐射换热量；
σ-玻尔兹曼常数；σ＝5.67×10-8W/(m2·K4)
TNa-液态金属钠自由液面的温度；
Tw-锥形顶盖内壁面的表面温度；
εNa-液态金属钠的辐射发射率；
εw-锥形顶盖内壁面的辐射发射率；
ANa-试验工质自由液面的辐射发射面积；
Aw-锥形顶盖内壁面的辐射接收面积；
XNa，w-辐射传热的角系数；
锥形顶盖的辐射热流密度为：
Figure GDA0004026999930000121
由上述可知，锥形顶盖内壁金属层表面的辐射热流密度只与封闭两表面的面积比
Figure GDA0004026999930000122
有关，由于试验系统与原型满足几何相似，
Figure GDA0004026999930000123
一致，因此试验系统与原型具有相同的辐射热流密度，与试验系统的几何相似比例无关。结合前述自然对流传热热流密度分析，辐射与对流传热量的比例在试验系统中也能得到保持。
针对反应堆结构和传热机理的复杂性，本发明综合考虑对流传热、辐射传热和热传导，基于几何相似，控制热端边界条件和冷端边界条件，保证气腔内的辐射传热热流密度的相似性和一致性、气腔内氩气流动引起的对流换热热流密度的相似性和一致性、环形气隙处的对流换热热流密度、顶盖固体域的内外壁面的热传导的热阻，使得试验系统的温度场与反应堆原型的温度场的一致性，保证试验系统的温度场与反应堆原型的温度场处处一致，从而能够准确反映反应堆内的实际工况，结果可行度高，并降低试验研究的时间成本和经济成本。
基于上述设计方法，本发明还提供了一种池式液态金属反应堆试验装置，包括：
顶部开口的壳体、设于壳体的开口处的顶盖以及气腔供气压力可调的惰性气体加载器，所述壳体与顶盖构成的内部空间分为试验工质容置空间以及位于试验工质容置空间上方的气腔(惰性气体容置空间)；顶盖的顶部设有开口，在顶盖的顶部的开口处设有旋转屏蔽塞以及套设于旋转屏蔽塞外壁的旋塞保护套，旋转屏蔽塞与旋塞保护套之间具有气体间隙；
至少两个贯穿支承件，所述顶盖与贯穿支承件固定连接；
以及套设于贯穿支承件外壁的保温件。
在池式液态金属反应堆的传热中，以主容器顶部惰性气体容置空间2的传热特性最为复杂，与现有技术相比，本发明提供的池式液态金属反应堆的传热试验系统，保留实物池式液态金属反应堆主要的传热主体，针对池式液态金属反应堆主容器的顶部惰性气体容置空间2的结构进行有效简化，缩小实物池式液态金属反应堆的体积，从而能够对池式液态金属反应堆进行传热试验，结构简单，成本低廉，可操作性强。
需要说明的是，上述池式液态金属反应堆的传热试验系统可以以实物池式液态金属反应堆为基准进行缩比，如1∶8～10。
考虑到试验工质容置空间1内的试验工质液面的温度会影响传热试验设备内的热传递，为了能够使上述传热试验设备内的热传递接近于实物池式液态反应堆内的热传递，需要实时监测试验工质容置空间1的试验工质液面的温度，因此，上述池式液态金属反应堆的传热试验系统还包括设于试验工质容置空间1内的试验工质液面处的液面温度热流密度测量仪。其中，试验工质液面作为热端，通过实时监测试验工质液面处的温度，使得两者接近于实物池式液态金属反应堆的实际温度，保证传热过程(热端至冷端)的边界条件一致，从而能够使上述传热试验设备内的热传递接近于实物池式液态反应堆内的热传递，保证底部热端边界条件一致，提高上述传热试验设备的模拟真实性。
值得注意的是，除了试验工质液面的温度，惰性保护气体2与锥形顶盖5之间的对流换热、试验工质液面与锥形顶盖5之间的热辐射以及锥形顶盖5内的热传递同样会影响传热试验设备内的热传递，上述试验装置还包括：
设于试验工质容置空间内的试验工质液面处的液面温度热流密度测量仪；
设于顶盖的内表面的对流热流密度测量仪、设于顶盖的内部的辐射热流密度测量仪和/或设于气腔内部的气体热流密度测量仪。
上述池式液态金属反应堆的传热试验系统包括设于锥形顶盖5的内表面的对流热流密度测量仪、设于锥形顶盖5的内部的辐射热流密度测量仪和/或设于惰性气体容置空间内部的气体热流密度测量仪，这样，通过对流热流密度测量仪、辐射热流密度测量仪和/或气体热流密度测量仪的设置，能够实时监测惰性气体与锥形顶盖5之间的热流密度、试验工质液面与锥形顶盖5之间的热流密度以及锥形顶盖5的内部的热流密度，使得三者能够接近于传热试验设备内的热传递。
可以理解的是，为了能够对壳体和锥形顶盖5之间的支撑，上述池式液态金属反应堆的传热试验系统还包括至少两个贯穿支承件3，锥形顶盖5通过接管结构7与贯穿支承件3固定连接。
为了能够对贯穿支承件3进行冷却，上述池式液态金属反应堆的传热试验系统还包括设于贯穿支承件3顶端的冷却风管8。
考虑到冷却风管8的热流密度会影响传热试验设备内的热传递，为了能够使上述传热试验设备内的热传递接近于实物池式液态反应堆内的热传递，需要实时监测冷却风管8的热流密度，因此，上述池式液态金属反应堆的传热试验系统还包括设于冷却风管8处的冷却风热流密度测量仪。其中，冷却风管8作为冷端传热，通过实时监测冷却风管8处的热流密度，使得两者接近于实物池式液态金属反应堆的热流密度，保证传热过程(热端至冷端)的边界条件一致，从而能够使上述传热试验设备内的热传递接近于实物池式液态反应堆内的热传递，保证冷端边界条件一致，提高上述传热试验设备的模拟真实性。
为了避免热胀冷缩导致接管结构7与贯穿支承件3之间造成挤压，接管结构7与贯穿支承件3之间具有气体间隙，气体间隙内填充有气体。通过该气体间隙的设置，一方面能够避免热胀冷缩导致接管结构7与贯穿支承件3之间造成挤压，另一方面，还能够减少加工误差导致接管结构7与贯穿支承件3无法装配的情况发生。
为了减少贯穿支承件3对壳体和锥形顶盖5内的空间造成影响，上述池式液态金属反应堆的传热试验系统还包括套设于贯穿支承件3外壁的保温件4，通过保温件4能够将贯穿支承件3与锥形顶盖5内部空间隔绝开，减少贯穿支承件3对壳体和锥形顶盖5内的空间造成影响。
同样可以理解的是，上述锥形顶盖5的顶部设有开口，在锥形顶盖5的顶部的开口处设有旋转屏蔽塞9以及套设于旋转屏蔽塞9外壁的旋塞保护套10。
为了避免热胀冷缩导致旋转屏蔽塞9与旋塞保护套10之间造成挤压，旋转屏蔽塞9与旋塞保护套10之间具有气体间隙，气体间隙内填充有气体。通过该气体间隙的设置，一方面能够避免热胀冷缩导致旋转屏蔽塞9与旋塞保护套10之间造成挤压，另一方面，还能够减少加工误差导致旋转屏蔽塞9与旋塞保护套10无法装配的情况发生。
为了减少锥形顶盖5外表面的散热，上述锥形顶盖5的外表面设有保温材料层6，保温材料层6采用保温材料制成。
实施例1
本发明提供了一种池式液态金属反应堆试验系统设计方法，该设计方法在给定的惰性保护气体空间传热模型基础上，利用π定理和相似原理分别对试验系统参数与控制方程进行量纲分析和方程分析，包括：
确定试验系统参数，所述试验系统参数包括几何结构参数、热物性参数和工况参数；
确定各参数的量纲，并筛选出作为量纲分析的基本参数；
利用π定理对试验系统参数进行量纲分析，获得无量纲数；
利用相似原理对试验系统控制方程进行分析，获得无量纲数；模型控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、惰性保护气体温度分布方程、辐射传热量方程、导热方程、辐射热流密度方程、温度场方程。
将两种方式获得的无量纲数进行比较，对于其中一种方式获得的无量纲数进行组合，以获得两者之间的关系，最终确定所研究惰性保护气体空间传热模型的无量纲数。
具体的：
几何结构参数：有量纲的参数为特征长度l、半径r、高度z、厚度δ，单位为m；无量纲的参数为气体体积膨胀系数α；
热物性参数：有量纲的参数为介质密度ρ、热流密度q、粘度υ、比热容c、导热率ε、过余温度θ，单位分别为kg/m3、W/m2、Pa·s、m2s-1、J/(kg·K)、W/(m·K)、K，无量纲的参数为格拉晓夫数Gr、瑞利数Ra、努塞尔数Nu、湍流普朗特数Pr、雷诺数Re；
工况参数：有量纲的参数为流体速度u、气体控制体温度T、气体运动粘度υ，单位分别为m/s、K、m2s-1，无量纲的参数为换热系数h。
确定的各参数的量纲如下：
DIM(L)＝L、DIM(ρ)＝ML-3、DIM(q)＝MT-3、DIM(v)＝L-1MT-1、DIM(c)＝NL-3、DIM(u)＝LT-1、DIM(T)＝θ；
获得的无量纲系数为：
Figure GDA0004026999930000151
Figure GDA0004026999930000152
Figure GDA0004026999930000153
所述控制方程有：
二维圆柱坐标系下，描述惰性保护气体温度分布的微分方程组为：
Figure GDA0004026999930000154
Figure GDA0004026999930000155
Figure GDA0004026999930000156
式中：r下角标-半径方向，r-半径；
z下角标-高度方向，z-高度；
l-特征长度，对于圆形管道，指圆柱体体积除以表面积；
u-流体速度；
g-重力加速度；
α-气体体积膨胀系数；
T-气体控制体温度；
v-气体运动粘度；
θ-过余温度；
辐射传热量方程：
Figure GDA0004026999930000157
式中：Qrad-辐射换热量；
σ-玻尔兹曼常数；σ＝5.67×10-8W/(m2·K4)
T工质-试验工质自由液面的温度；
Tw-锥形顶盖内壁面的表面温度；
ε工质-试验工质的辐射发射率；
εw-锥形顶盖内壁面的辐射发射率；
A工质-试验工质自由液面的辐射发射面积；
Aw-锥形顶盖内壁面的辐射接收面积；
X工质，w-辐射传热的角系数；
锥形顶盖内部温度分布的导热微分方程为：
Figure GDA0004026999930000161
锥形顶盖的辐射热流密度为：
Figure GDA0004026999930000162
由公式9可知，锥形顶盖内壁金属层表面的辐射热流密度只与封闭两表面的面积比
Figure GDA0004026999930000163
有关，由于试验系统与原型满足几何相似，
Figure GDA0004026999930000164
一致，因此试验装置与原型具有相同的辐射热流密度，与试验系统的几何相似比例无关。结合前述自然对流传热热流密度分析，辐射与对流传热量的比例在试验系统中也能得到保持。
所述无量纲数有：
动量方程的无量纲特征数格拉晓夫数Gr：
Figure GDA0004026999930000165
能量方程的无量纲特征数瑞利数Ra：
Figure GDA0004026999930000166
努塞尔数Nu：
Nu＝0.061(GrPr)1/3           公式12
需要说明的是，对于惰性气体保护空间的自然对流传热，试验系统与原型都可采用上述公式12计算努塞尔数Nu，将公式10代入公式12可得：
Figure GDA0004026999930000167
由此可知，自然对流换热的表面传热系数hc与几何尺寸无关，即hcm＝hcp，也称为湍流自然对流的自模化现象。在温度场相似的基础上，
q＝hc(t情-tw)
式中：hc-自然对流表面传热系数；
q-对流换热热流密度；
t惰-惰性保护气体温度；
tw-固体表面温度；
即几何尺寸缩比为1∶L，则当试验系统的压力为原型的L3/2倍时，试验系统与原型的自然对流热流密度相同。
具体地，雷诺数Re：
Figure GDA0004026999930000171
式中：u-风速；
d2-d1-通风有效直径(风道直径-贯穿设备直径)；
v-运动粘度。
采用该设计方法，对液态金属钠反应堆进行分析，具体技术手段如下：
1.如图1所示，针对气腔结构进行1∶L几何缩比，以满足几何相似条件；
2.热端边界条件与原型反应堆采用相同温度的核级试验工质工质，即液态金属钠，保证温度、辐射发射率、导热系数、热膨胀系数、密度等物性参数与原型一致；
3.锥形顶盖、贯穿支承件等结构的材料与原型反应堆相同，以保证表面粗糙度、导热系数、热膨胀系数、密度等物性参数与原型一致；
4.通过技术手段1-3，能够控制主容器顶部气腔内的辐射传热热流密度相似，各固体域表面(各个贯穿支承件、锥形顶盖金属层内壁面)的角系数与原型反应堆对应部件的角系数相等，由辐射换热引起的温升一致；
5.在气腔大空间的惰性保护气体对流换热过程中，可通过增加氩气压强的方式进行等效，以得到与反应堆一致的温度场，其详细说明如下：
二维圆柱坐标系下，描述氩气温度分布的微分方程组为：
Figure GDA0004026999930000172
Figure GDA0004026999930000173
Figure GDA0004026999930000174
式中：r下角标-半径方向，r-半径；
z下角标-高度方向，z-高度；
l-特征长度，对于圆形管道，指圆柱体体积除以表面积；
u-流体速度；
g-重力加速度；
α-气体体积膨胀系数；
T-气体控制体温度；
v-气体运动粘度；
θ-过余温度；
自然对流时，主要考虑高度方向的温度分布(即高度z)，根据Π定理可以得到相似准则数：
Figure GDA0004026999930000181
Figure GDA0004026999930000182
Figure GDA0004026999930000183
动量方程的无量纲特征数格拉晓夫数Gr：
Figure GDA0004026999930000184
能量方程的无量纲特征数瑞利数Ra：
Figure GDA0004026999930000185
要保证氩气空间温度场相似，需试验装置与原型的瑞利数相等，即：
Figure GDA0004026999930000186
式中：下角标m-代表试验系统model；
下角标p-代表原型prototype；
Pr-湍流普朗特数；
大空间内的氩气流动引起的对流换热，利用相似原理，通过增高压力改变其粘度，由此控制其瑞利数Ra相等，达到对流换热热流密度相等的目标，保证温度场相似；
在本实施例中，试验模型与原型的几何尺寸缩比为1∶L，则试验模型与原型的温度场关系为：
Figure GDA0004026999930000187
式中，重力加速度g为常数，体积膨胀系数α与氩气温度有关，当试验系统与原型的氩气温度分布相同时，
Figure GDA0004026999930000188
氩气的普朗特数在反应堆运行工况内基本保持不变，即
Figure GDA0004026999930000189
因此可知，试验模型与原型的温度场与几何尺寸三次方成反比，与运动粘度的二次方成正比，即：
Figure GDA0004026999930000191
由此可见，可通过改变试验系统与原型的氩气粘度比来补偿几何尺寸缩比对温度场的影响，以保证温度场相似性。经分析，若几何尺寸缩比为1∶L，则当试验系统的压力为原型的L3/2倍时，氩气粘度减小为原型的L-3/2，此时：
Figure GDA0004026999930000192
满足温度场的相似性要求。
对于氩气空间的自然对流传热，试验系统与原型都可采用下式计算努塞尔数Nu：
Nu＝0.061(GrPr)1/3
Figure GDA0004026999930000193
由此可知，自然对流换热的表面传热系数hc与几何尺寸无关，即hcm＝hcp，也称为湍流自然对流的自模化现象。在温度场相似的基础上，
q＝hc(tAr-tw)
式中：hc-自然对流表面传热系数；
q-对流换热热流密度；
tAr-氩气温度；
tw-固体表面温度；
即几何尺寸缩比为1∶L，则当试验系统的压力为原型的L3/2倍时，试验系统与原型的自然对流热流密度相同。
6.对于环形气隙处的对流换热，利用相似原理，通过调节间隙尺寸，使间隙尺寸与大空间气腔等比例缩比，控制格拉晓夫数Gr相等，达到对流换热热流密度相等的目标，保证温度场相似；在各个环形气隙处发生对流换热。
这一间隙需按几何缩比比例(1∶L)进行缩比，结合5中氩气空间压力的缩比，可保证旋塞气隙的格拉晓夫数Gr与原型相同。各个贯穿件与接管之间的间隙、旋塞保护套与旋塞支承颈之间的间隙等可按相同的方法进行分析和选取。由此方法可以保持在狭窄的环形气体缝隙处，试验系统的对流换热系数仍然可以与原型保持相同。
7、液态金属钠液面与锥形顶盖等结构可以视为一个封闭系统，根据传热学经验，辐射传热量(气体的透射率接近于1，可忽略氩气对辐射的吸收与反射)可由下式计算：
Figure GDA0004026999930000201
式中：Qrad-辐射换热量；
σ-玻尔兹曼常数；σ＝5.67×10-8W/(m2·K4)
TNa-液态金属钠自由液面的温度；
Tw-锥形顶盖内壁面的表面温度；
εNa-液态金属钠的辐射发射率；
εw-锥形顶盖内壁面的辐射发射率；
ANa-试验工质自由液面的辐射发射面积；
Aw-锥形顶盖内壁面的辐射接收面积；
XNa，w-辐射传热的角系数；
锥形顶盖的辐射热流密度为：
Figure GDA0004026999930000202
由式(17)可知，锥形顶盖内壁金属层表面的辐射热流密度只与封闭两表面的面积比
Figure GDA0004026999930000203
有关，由于试验系统与原型满足几何相似，
Figure GDA0004026999930000204
一致，因此试验装置与原型具有相同的辐射热流密度，与试验系统的几何相似比例无关。结合前述自然对流传热热流密度分析，辐射与对流传热量的比例在试验系统中也能得到保持。
8、锥形顶盖及金属层处的热传导，可近似看作垂直于壁厚方向的一维导热问题，根据传热学常识，通过改变金属层与保温材料的厚度，控制其热阻相等，以使得锥形顶盖固体域的内外壁面温度与原型反应堆保持一致；
在锥形顶盖处的导热，可以根据实际需要调整锥形顶盖的金属层厚度。
在锥形顶盖的金属层材料与其外附着的保温材料层材料处，热传导是主要的传热方式。三维直角坐标系下，描述锥形顶盖内部温度分布的导热微分方程为：
Figure GDA0004026999930000205
式中：ρ-热传导介质(锥形顶盖金属层、保温材料)的密度；
c-比热容；
xyz-三维直角坐标系；
假设热量主要沿厚度方向传递，上可简化成一维、稳态、无内热源的导热问题。此时，热量由金属层内壁面以导热的形式传递到金属层外壁面，再通过导热传递到保温材料层外壁面(忽略金属层与保温材料层之间的接触热阻)。则垂直壁面方向上的锥形顶盖金属层与保温材料层的热传导，满足：
Figure GDA0004026999930000211
式中：δ1-原型金属层的厚度；
λ1-原型金属层导热系数；
δ2-原型保温材料的厚度；
λ2-原型保温材料导热系数；
上角标′-试验系统的各项物性参数。
由于试验系统采用和原型同种材料，因此导热系数相同，即λ1＝λ′1，λ2＝λ′2。
设试验系统的金属层按照1∶L′进行缩比，即δ′＝L′δ，则试验系统的保温材料厚度为：
Figure GDA0004026999930000212
9.在主容器外的通风装置，与环形气体缝隙的对流换热机理一致，处理方法相同；
堆顶通风为冷端边界条件，通过控制风量、风速保证通风对流换热的相似性。具体实施步骤如下：
首先，应保证通风温度T0及换热系数h0与原型一致。贯穿件的通风可看作环形空间的强制对流换热问题，若保证h0相似，由于间隙尺寸按1∶L缩比，试验装置的Nu数为原型的
Figure GDA0004026999930000213
根据强迫对流传热的相关研究可知，Nu数与Re数和Pr数相关，即：
Figure GDA0004026999930000214
由于试验系统与原型通风的普朗克数Pr数相同，可得：
Figure GDA0004026999930000215
根据雷诺数Re的定义
Figure GDA0004026999930000216
式中：u-风速；
d2-d1-通风有效直径(风道直径-贯穿设备直径)；
v-运动粘度；
可知，等效堆内通风风速应为原型的L-0.25倍，通风量为原型的L-2.25倍。通过控制风速风量即可以保证冷端边界条件按照相似原理进行等效缩比。
本发明通过改变压强来改变黏度，进而控制湍流的瑞利数，以使对流换热系数保持不变。通过控制物体的材质与表面粗糙度保持一致来控制辐射发射率与原型一致，通过等面积缩比控制角系数与原型一致，进而控制辐射换热系数与原型一致。通过改变锥形顶盖的金属层和保温材料层的厚度维持垂直壁面方向上一维导热的热阻不变。能控制试验系统与原型的温度场一致，各主要传热过程的热阻相等。
实施例2
试验装置包括顶部开口的壳体、设于壳体的开口处的顶盖以及气腔供气压力可调的惰性气体加载器，壳体与顶盖构成的内部空间分为试验工质容置空间以及位于试验工质容置空间上方的气腔(惰性气体容置空间)；顶盖的顶部设有开口，在顶盖的顶部的开口处设有旋转屏蔽塞以及套设于旋转屏蔽塞外壁的旋塞保护套，旋转屏蔽塞与旋塞保护套之间具有气体间隙；包括两个贯穿支承件，顶盖与贯穿支承件固定连接以及套设于贯穿支承件外壁的保温件。
上述池式液态金属反应堆的传热试验系统以实物池式液态金属反应堆为基准进行缩比，L为10。
上述池式液态金属反应堆的传热试验系统还包括设于试验工质容置空间1内的试验工质液面处的液面温度热流密度测量仪，设于试验工质容置空间内的试验工质液面处的液面温度热流密度测量仪；设于顶盖的内表面的对流热流密度测量仪、设于顶盖的内部的辐射热流密度测量仪和/或设于气腔内部的气体热流密度测量仪。
为了能够对壳体和锥形顶盖5之间的支撑，上述池式液态金属反应堆的传热试验系统还包括两个贯穿支承件3，锥形顶盖5通过接管结构7与贯穿支承件3固定连接。为了能够对贯穿支承件3进行冷却，上述池式液态金属反应堆的传热试验系统还包括设于贯穿支承件3顶端的冷却风管8。
上述池式液态金属反应堆的传热试验系统还包括设于冷却风管8处的冷却风热流密度测量仪。其中，冷却风管8作为冷端传热，通过实时监测冷却风管8处的热流密度，使得两者接近于实物池式液态金属反应堆的热流密度，保证传热过程(热端至冷端)的边界条件一致，从而能够使上述传热试验设备内的热传递接近于实物池式液态反应堆内的热传递，保证冷端边界条件一致，提高上述传热试验设备的模拟真实性。
接管结构7与贯穿支承件3之间具有气体间隙，气体间隙内填充有气体。贯穿支承件3外壁套设有保温件4，通过保温件4能够将贯穿支承件3与锥形顶盖5内部空间隔绝开，减少贯穿支承件3对壳体和锥形顶盖5内的空间造成影响。上述锥形顶盖5的顶部设有开口，在锥形顶盖5的顶部的开口处设有旋转屏蔽塞9以及套设于旋转屏蔽塞9外壁的旋塞保护套10，旋转屏蔽塞9与旋塞保护套10之间具有气体间隙，气体间隙内填充有气体。为了减少锥形顶盖5外表面的散热，上述锥形顶盖5的外表面设有保温材料层6，保温材料层6采用保温材料制成。
为了保证试验装置的温度场与反应堆原型的温度场的一致性，保证试验系统的温度场与反应堆原型的温度场处处一致，从而能够准确反映反应堆内的实际工况，锥形顶盖的内径和氩气空间的高度缩比为1∶10，试验工质与反应堆原型相同，均为液态金属钠，二者的温度、辐射发射率、导热系数、热膨胀系数和密度均相同。锥形顶盖、贯穿支承件的材料与反应堆原型相同，二者的表面粗糙度、导热系数、热膨胀系数和角系数等物性参数均相同，贯穿设备支承、锥形顶盖金属层内壁面的角系数均相同。
气隙尺寸与气腔空间等比例缩比，均为1∶10。
通风风速为反应堆原型的通风风速的L-0.25倍，通风量为反应堆原型的通风量的L-2.25倍。
原型金属层的厚度为50mm，原型保温材料的厚度为100mm，试验装置的金属层的厚度为5mm，试验装置的保温材料的厚度为113mm；原型系统的压强为0.1MPa，试验系统的压强为3.162MPa。
试验中，通过对流热流密度测量仪、辐射热流密度测量仪和/或气体热流密度测量仪的设实时监测惰性气体与顶盖之间的热流密度、试验工质液面与顶盖之间的热流密度以及顶盖的内部的热流密度，发现三者接近于反应堆原型设备内的热传递，基于上述设计方法得到的试验装置能够准确反映反应堆内的实际工况，结果可行度高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种池式液态金属反应堆试验系统设计方法，其特征在于，所述设计方法包括:
基于几何相似条件和热端边界条件一致，确定试验系统气腔空间尺寸和结构材料物性参数；
在几何相似的基础上，确定气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，保证各传热过程的热流密度和热阻相等，得到与反应堆原型一致的温度场；
其中，所述在几何相似的基础上，确定气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，保证传热过程的热流密度和热阻相等，保证得到与反应堆原型一致的温度场中：
控制气腔空间氩气压强以改变氩气粘度，通过氩气粘度补偿几何尺寸缩比对温度场的影响，保证温度场一致性；所述试验系统的氩气粘度与反应堆原型的氩气粘度关系满足：
Figure FDA0004066123160000011
式中：L-缩比值；
vm-试验系统的气体运动粘度；
vp-反应堆原型的气体运动粘度；
所述在几何相似的基础上，确定气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，保证传热过程的热流密度和热阻相等，保证得到与反应堆原型一致的温度场中：
所述气隙包括贯穿设备支承与接管之间的间隙、旋塞保护套与旋塞支撑颈之间的间隙，所述气隙尺寸与气腔空间等比例缩比，保证温度场一致性。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述基于几何相似条件和热端边界条件相似，确定试验装置气腔空间尺寸和结构材料物性参数中：
基于几何相似条件，以气腔空间的尺寸为基准进行1：L的缩比，其中L为大于1的任意数；
所述气腔空间的尺寸为锥形顶盖的内径和气腔空间的高度。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述基于几何相似条件和热端边界条件相似，确定试验装置气腔空间尺寸和结构材料物性参数中：
所述热端为试验工质，所述试验工质为液态金属钠；
采用与反应堆原型物性参数相同的试验工质，保证热端边界条件一致；
所述原型物性参数包括温度、辐射发射率、导热系数、热膨胀系数和密度。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述基于几何相似条件和热端边界条件相似，确定试验装置气腔空间尺寸和结构材料物性参数中：
所述结构材料包括锥形顶盖、贯穿支承件的材料；所述物性参数包括表面粗糙度、导热系数、热膨胀系数和角系数；
所述角系数包括贯穿设备支承、锥形顶盖金属层内壁面的角系数；
保证气腔空间内的辐射传热热流密度一致，由辐射换热引起的温升与原型一致。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述在几何相似的基础上，确定气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，保证传热过程的热流密度和热阻相等，保证得到与反应堆原型一致的温度场中：
试验装置的保温材料层与原型的保温材料层关系满足：
Figure FDA0004066123160000031
式中：δ1-原型顶盖的金属层的厚度；
λ1-原型顶盖的金属层导热系数；
δ2-原型顶盖外覆保温材料的厚度；
λ2-原型顶盖外覆保温材料导热系数；
L′-原型顶盖金属层与试验系统金属层的缩比；
δ′2-试验系统顶盖外覆保温材料的厚度；
上角标′-试验系统的各项物性参数。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述在几何相似的基础上，确定气腔空间氩气压强，气隙尺寸、保温材料厚度和堆顶通风参数，保证传热过程的热流密度和热阻相等，保证得到与反应堆原型一致的温度场中：
所述堆顶通风参数满足：所述试验系统的通风风速为反应堆原型的通风风速的L-0.25倍，所述试验系统的通风量为反应堆原型的通风量的L-2.25倍。
7.一种池式液态金属反应堆试验装置，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的设计方法得到，包括：
顶部开口的壳体、设于壳体的开口处的顶盖以及气腔供气压力可调的惰性气体加载器，所述壳体与顶盖构成的内部空间分为试验工质容置空间以及位于试验工质容置空间上方的气腔；顶盖的顶部设有开口，在顶盖的顶部的开口处设有旋转屏蔽塞以及套设于旋转屏蔽塞外壁的旋塞保护套，旋转屏蔽塞与旋塞保护套之间具有气体间隙；
至少两个贯穿支承件，所述顶盖与贯穿支承件固定连接；
以及套设于贯穿支承件外壁的保温件。
8.根据权利要求7所述的试验装置，其特征在于，还包括：
设于试验工质容置空间内的试验工质液面处的液面温度热流密度测量仪；
设于顶盖的内表面的对流热流密度测量仪、设于顶盖的内部的辐射热流密度测量仪和/或设于气腔内部的气体热流密度测量仪。
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