CN114698164A - 一种间接均匀电加热棒 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种间接均匀电加热棒,包括包壳,包壳的上部设置有上封头,下部设置有下封头,包壳内填充有陶瓷填充物,陶瓷填充物内部设置有电阻丝和温度传感器,电阻丝的正极和负极分别与对应导电棒的一端电连接,导电棒的另一端从上封头的顶部穿出,温度传感器对称置于陶瓷填充物的轴向不同位置。能够用于研究核电大破口冷却剂丧失事故工况下,高温再淹没时反应堆燃料组件的热工水力特性模拟,内部设置的温度传感器能够获得高温棒束被再淹没时的温度特征。
Description
技术领域
本发明属于反应堆热工水力学实验技术领域,具体涉及一种间接均匀电加热棒。
背景技术
大破口冷却剂丧失事故(LOCA)作为反应堆设计基准事故之一,在核反应堆安全分析中占据着非常重要的地位。在LOCA事故中由于冷却剂的大量丧失使得喷放后裸露的燃料元件得不到充分的冷却,同时衰变热使得燃料元件的温度进一步升高,如果不能及时导出堆芯余热,燃料元件有发生形变、氧化甚至是熔化的危险,此时需要足够的冷却剂淹没堆芯,使其得到充分的冷却,因此再淹没阶段是导出堆芯余热,确保堆芯安全的重要阶段。
针对再淹没阶段开展流动换热实验,以确定在该阶段反应堆棒束通道内的流动换热特性,对于反应堆的安全系统设计和安全分析程序开发及验证均具有非常重要的意义。在再淹没实验中,与反应堆燃料棒具有相同直径(9.5mm)的电加热棒模拟体最为关键和重要。该电加热棒需要具有如下特征,其电加热功率应该达到反应堆燃料棒额定最大线功率密度的3.5%,该电加热棒可以被加热至900℃,该电加热棒可以在900℃下经历骤冷过程,电加热棒内部需要内置温度传感器,用以监测加热棒温度变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种间接均匀电加热棒,内部设置两个温度传感器,直径为9.5mm,轴向功率分布均匀,有效模拟燃料棒在衰变热条件下,高温棒束被不同工况条件下冷却剂再淹没的实验过程。
本发明采用以下技术方案:
一种间接均匀电加热棒,包括包壳,包壳的上部设置有上封头,下部设置有下封头,包壳内填充有陶瓷填充物,陶瓷填充物内部设置有电阻丝和温度传感器,电阻丝的正极和负极分别与对应导电棒的一端电连接,导电棒的另一端从上封头的顶部穿出,温度传感器对称置于陶瓷填充物的轴向不同位置。
具体的,电阻丝在陶瓷填充物内呈U型分布。
具体的,电阻丝为螺旋状结构,电阻丝的螺距相同。
具体的,导电棒的电阻小于电阻丝电阻的1/1000。
具体的,温度传感器对称置于包壳的内部两侧。
进一步的,温度传感器与包壳的径向距离为1±0.05mm。
具体的,陶瓷填充物为氧化镁陶瓷粉末。
具体的,上封头的内部填充有绝缘胶,上封头的顶部设置有顶部瓷头,顶部瓷头上开有用于安装导电棒的通孔,上封头的外表面沿周向设置有连接螺纹。
具体的,下封头的外径与包壳的外径相同。
具体的,包壳与上封头和下封头之间采用焊接方式连接。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明一种间接均匀电加热棒,包壳及上下封头起到绝缘和密封作用,防止电加热棒短路和内部陶瓷填充物的脱落;氧化镁陶瓷填充物具有很好的导热性能,致密的陶瓷填充物在固定加热丝和温度传感器的同时也可以将电阻丝产生的热量均匀导出,防止电加热棒出现局部过热而损坏;陶瓷填充物内设置电阻丝和温度传感器,电阻丝的正极和负极分别与对应导电棒的一端电连接,可按需求加相应的电压达到调节功率的目的,温度传感器对称置于陶瓷填充物的轴向不同位置可在试验过程中检测加热棒内部温度,获得试验数据的同时防止加热棒内部温度过高而损坏。
进一步的,阻丝在陶瓷填充物内呈U型螺旋分布,一方面由于实验段的设计电源正负极均需要在电加热棒顶部接入;另一方面,U型螺旋分布可以增加电加热丝长度,有利于电加热棒可以选用更细的加热丝,在相同加热功率的情况下降低加热丝表面热负荷。
进一步的,电阻丝为螺旋状镍铬合金丝,用于将通过的电能转化为热能,电阻丝的螺距相同,轴向分布疏密度相同,使得加热棒轴向功率分布均匀,在满足加热棒表面热负荷的情况下电加热功率达到反应堆燃料棒额定线功率密度的35%,即1.5kW/m。
进一步的,导电棒的电阻小于电阻丝电阻的1/1000,即小于0.002Ω。这是因为导电棒与电加热丝串联,为了在相同电源电压的情况下增大加热棒的发热效率,需要减小导电棒的电阻;如果导电棒电阻过高,实验过程中导电棒发热有可能导致绝缘胶融化,削弱上封头的绝缘效果。
进一步的,两个温度传感器置于陶瓷填充物的轴向不同位置,对称置于包壳内部两侧,通过检测电加热棒不同轴向高度上的壁面温度,以建立轴向温度梯度数据。
进一步的,由于温度传感的安全需要及测量准确性的要求不能带电,温度传感器与电阻丝不接触;为了更准确地表征加热棒壁面温度,温度传感器贴近电加热棒的壁面设置。
进一步的,采用氧化镁陶瓷粉末,具有良好绝缘特性和导热特性,还具有耐高温稳定性的特点,高温到1700℃时分子结构不起任何变化。
进一步的,顶部瓷头开有两孔用于穿导电棒;为避免短路和保持绝缘,导电棒的正负极在上封头内相互不接触,且不与上封头的内表面接触;上封头内填充绝缘胶以保证两个导电棒之间的绝缘;上封头的外表面设置有用于搭配实验腔上顶盖的M10×1螺纹,实现与实验段上腔室顶盖连接。
进一步的,下封头用于密封和电加热棒的辅助安装,下封头的外径与包壳的外径相同,能够避免局部阻力。
进一步的,包壳与上封头和下封头之间采用焊接方式连接,焊接能保证电加热棒在高温试验环境中的完整性。
综上所述,本发明针对再淹没换热实验平台设计,其中上下封头的设计使本发明与实验段可以很好的连接;电阻丝可根据试验需求加不同的电压以调节加热功率;内部陶瓷填充物是很好的导热材料,也对电加热丝和温度传感器起到固定作用,本发明可在高温实验环境中保持稳定的加热条件和获得实验数据。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明高温再淹没电加热棒装置剖视图;
图2为本发明高温再淹没电加热棒装置氧化镁陶瓷骨架截面图;
图3为本发明高温再淹没电加热棒装置氧化镁陶瓷骨架剖视图;
图4为本发明实验数据与反应堆大破口事故中包壳温度变化对比,其中,(a)为试验中热电偶温度数据,(b)为反应堆大破口(LOCA)事故中包壳温度变化。
其中:1.电阻丝;2.导电棒;3.温度传感器;4.陶瓷填充物;5.上封头;6.下封头;7.包壳。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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的限制。此外,在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解,当在本说明书和所附权利要求书中使用时,术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在,但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解,在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样,除非上下文清楚地指明其它情况,否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解,在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合,并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的,其中为了清楚表达的目的,放大了某些细节,并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的,实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差,并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种间接均匀电加热棒,在陶瓷填充物内埋入电阻丝,用于将交流电电能转换为热能;两条导电棒用于引出电阻丝,便于交流电连接;导电棒顶部从上封头顶部穿出,上封头螺纹用于连接试验段腔体,下封头内六角套管用于辅助安装,两个温度传感器对称分布,紧贴加热棒金属内壁;可用于研究核电大破口冷却剂丧失事故工况下,高温再淹没时反应堆燃料组件的热工水力特性模拟。内部温度传感器可获得高温棒束被再淹没时的温度特征。
请参阅图1,本发明一种间接均匀电加热棒,包括电阻丝1、导电棒2、温度传感器3、陶瓷填充物4、上封头5、下封头6和包壳7。
陶瓷填充物4设置在包壳7内,上封头5设置在包壳7的上端,下封头6设置在包壳7的下端,电阻丝1呈U形结构设置在陶瓷填充物4内,电阻丝1的正极和负极分别与对应导电棒2的一端电连接,导电棒2的另一端从上封头5的顶部穿出;温度传感器3包括两个,两个温度传感器3置于陶瓷填充物4的轴向不同位置,检测电加热棒不同轴向高度上的壁面温度,用于建立轴向温度梯度数据。
电阻丝1为螺旋状镍铬合金丝,用于将通过的电能转化为热能,电阻丝1的螺距相同,轴向分布疏密度相同,使得加热棒轴向功率分布均匀,在满足加热棒表面热负荷的情况下电加热功率达到反应堆燃料棒额定线功率密度的35%,即1.5kW/m;由于实验腔底部需要密封,为搭配实验腔设计要求,电阻丝1的正负级均在上封头5内与导电棒2连接,故电阻丝1在陶瓷填充物4内呈U型分布。
导电棒2为圆柱形铜棒,用于电阻丝1和电源间的电气连接,为保证电阻丝1的加热功率要求,导电棒2的电阻小于电阻丝1电阻的1/1000,导电棒2的顶部从上封头5的顶部穿出。
温度传感器3为两根铠装N型热电偶,N型热电偶在较宽的温度范围0~1000℃,具有良好温度敏感性和线性度。
两个温度传感器3置于陶瓷填充物4的轴向不同位置,对称置于包壳内部两侧,通过检测电加热棒不同轴向高度上的壁面温度,以建立轴向温度梯度数据。
由于温度传感3的安全需要及测量准确性的要求不能带电,温度传感器3与电阻丝1不接触;为了更准确地表征加热棒壁面温度,温度传感器3贴近电加热棒的壁面设置,温度传感器3与包壳7的径向距离为1±0.05mm。
请参阅图2和图3,陶瓷填充物4使用氧化镁陶瓷粉末,原因在于氧化镁陶瓷是一种具有良好绝缘特性和导热特性的材料,还具有耐高温稳定性的特点,高温到1700℃时分子结构不起任何变化,如图2所示,图中大孔用于放置电阻丝1,小孔用于放置温度传感器3;且氧化镁陶瓷块做成的骨架对U型分布的电阻丝1和热电偶起到固定作用;通过缩管工艺将氧化镁陶瓷块压碎为氧化镁粉末,一方面将陶瓷填充物缩管为要求尺寸,另一方面,去除氧化镁陶瓷中的水分和空隙,避免电加热棒出现局部发热不均的现象。
上封头5包含顶部瓷头、内部绝缘胶和外表面的固定连接螺纹,采用不锈钢材料制成,用于密封和绝缘,顶部瓷头开有两孔,用于穿导电棒2;为避免短路和保持绝缘,导电棒2的正负极在上封头5内相互不接触,且不与上封头5的内表面接触;上封头5内填充绝缘胶以保证两个导电棒2之间的绝缘;上封头5的外表面设置有用于搭配实验腔上顶盖的M10×1螺纹,实现与实验段上腔室顶盖连接。
下封头6为内六角套筒,用于密封和电加热棒的辅助安装,为避免局部阻力,要求内六角套筒的外径与包壳7的外径相同,为Ф9.5mm,内六角孔径M6;
包壳7为不锈钢圆管,材质为310S不锈钢,用于密封和传导热,为模拟反应堆内燃料棒,经过缩管工艺后长为1900mm,外径Ф9.5mm,厚度为0.8mm,其尺寸对照反应堆内燃料棒设计,一般压水堆燃料棒长约3600mm,外径Ф9.5mm,本发明与反应堆燃料棒直径相同,电加热棒长度受实验段和实验场地限制,设计为一般压水堆燃料棒长度的一半左右,由于本发明为轴向均匀加热功率设计,因此1900mm满足模拟燃料棒的需求,上封头5、下封头6和包壳7之间采用焊接方式连接。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图4,为再淹没试验数据与反应堆大破口事故中包壳温度变化对比,由图4可知实验数据与反应堆大破口事故中再淹没阶段包壳温度变化趋势相同,故本发明可以很好的模拟再淹没阶段中的升温阶段、先驱冷却阶段和骤冷阶段,同时可以获得相应的试验数据,可为后续的机理研究和预测模型开发提供数据基础。
综上所述,本发明一种间接均匀电加热棒,能够设置成电加热棒束进行模拟,为反应堆热工领域的试验提供一种参考和技术支持。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种间接均匀电加热棒,其特征在于,包括包壳(7),包壳(7)的上部设置有上封头(5),下部设置有下封头(6),包壳(7)内填充有陶瓷填充物(4),陶瓷填充物(4)内部设置有电阻丝(1)和温度传感器(3),电阻丝(1)的正极和负极分别与对应导电棒(2)的一端电连接,导电棒(2)的另一端从上封头(5)的顶部穿出,温度传感器(3)对称置于陶瓷填充物(4)的轴向不同位置。
2.根据权利要求1所述的间接均匀电加热棒,其特征在于,电阻丝(1)在陶瓷填充物(4)内呈U型分布。
3.根据权利要求1所述的间接均匀电加热棒,其特征在于,电阻丝(1)为螺旋状结构,电阻丝(1)的螺距相同。
4.根据权利要求1所述的间接均匀电加热棒,其特征在于,导电棒(2)的电阻小于电阻丝(1)电阻的1/1000。
5.根据权利要求1所述的间接均匀电加热棒,其特征在于,温度传感器(3)对称置于包壳(7)的内部两侧。
6.根据权利要求5所述的间接均匀电加热棒,其特征在于,温度传感器(3)与包壳(7)的径向距离为1±0.05mm。
7.根据权利要求1所述的间接均匀电加热棒,其特征在于,陶瓷填充物(4)为氧化镁陶瓷粉末。
8.根据权利要求1所述的间接均匀电加热棒,其特征在于,上封头(5)的内部填充有绝缘胶,上封头(5)的顶部设置有顶部瓷头,顶部瓷头上开有用于安装导电棒(2)的通孔,上封头(5)的外表面沿周向设置有连接螺纹。
9.根据权利要求1所述的间接均匀电加热棒,其特征在于,下封头(6)的外径与包壳(7)的外径相同。
10.根据权利要求1所述的间接均匀电加热棒,其特征在于,包壳(7)与上封头(5)和下封头(6)之间采用焊接方式连接。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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