CN115274154A - 小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统及方法，包括：气源系统、加压与稳压系统、回热装置、温度调节装置、堆芯流道模拟装置、降压装置、冷却装置以及数据采集系统，本发明用于进行基于氦氙混合气体的堆芯流动换热特性实验、回热器传热传质特性实验以及布雷顿循环特性实验，在研究氦氙混合气体传热特性的同时，实现氦氙混合气体以及热量的多功能、高效利用。

Description

小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种小型反应堆领域的技术，具体是一种小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统及方法。

背景技术

小型移动式核反应堆电源具有运行续航时间久、选址灵活、不依赖光照、风力和氧气、高安全、高可靠的优点，可为陆地偏远地区、海洋以及空间领域的探索任务提供大功率的稳定电能。氦氙混合气体气动载荷小、传热性能好且化学性质稳定，使用氦氙混合气体作为循环工质有助于实现反应堆系统的小型化和轻量化。氦氙混合气体作为一种低普朗特数流体，其流动换热特性与常规气体差异较大，需要通过实验对其流动换热特性进行研究。

发明内容

本发明针对现有流体流动传热性能测试技术无法适用于氦氙混合气体实验的回路系统及无法测试氦氙混合气体环境下的堆芯流道传热特性、印刷电路板式换热器换热特性以及布雷顿循环特性的不足，提出一种小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统及方法，用于进行基于氦氙混合气体的堆芯流动换热特性实验、回热器传热传质特性实验以及布雷顿循环特性实验，在研究氦氙混合气体传热特性的同时，实现氦氙混合气体以及热量的多功能、高效利用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统，包括：气源系统、加压与稳压系统、回热装置、温度调节装置、堆芯流道模拟装置、降压装置、冷却装置以及数据采集系统，其中：气源系统通过加压与稳压系统与回热装置的冷侧相连；回热装置的冷侧通过温度调节装置与堆芯流道模拟装置相连；堆芯流道模拟装置通过降压装置与回热装置的热侧相连；回热装置的热侧通过冷却装置与加压与稳压系统相连；数据采集系统分别与气源系统、加压与稳压系统、回热装置、温度调节装置、堆芯流道模拟装置、降压装置、冷却装置相连，气源系统内储存的氦氙混合气体通过管线首先进入加压与稳压系统进行加压，加压后的氦氙混合气体流入回热装置的冷侧，吸收来自回热装置热侧的热量后，流入温度调节装置进行精细的温度调节以满足堆芯流道模拟装置的入口温度需求，自温度调节装置流出的氦氙混合气体随即流入堆芯流道模拟装置，在近似堆芯流道的环境下吸收热量，随后流入降压装置进行减压，减压后的氦氙混合气体流入回热装置的热侧，将部分热量传递给回热装置冷侧的氦氙混合气体，从回热装置的热侧流出的氦氙混合气体流入冷却装置中进行冷却，冷却后的氦氙混合气体再次流入加压与稳压系统，完成一次循环。回路运行期间，数据采集系统实时采集、处理回路的气体浓度、流量、压力、温度数据。

本发明涉及一种基于上述装置的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验方法，包括以下步骤：

步骤1、数据标定，包括：回路密封性测试、气体浓度检验、气体流量及压力标定以及堆芯流道模拟装置功率标定。

步骤2、实验测试，包括：气体浓度检验和换热参数、回热器的换热参数以及整体布雷顿循环的运行参数的采集。

技术效果

本发明使用耐高温金属圆管作为加热管，用于模拟堆芯流道，加热管外侧使用绝缘陶瓷套管进行包覆，最外层包裹钢质加固套管；加热管两端使用夹持与固定装置进行固定，该夹持装置与低电压、高电流电源连接。加热管通过特制的水冷法兰与上、下游管道相连接，试验时，冷却水将在法兰内部的螺旋流道内流动；通过绝缘陶瓷将加热管与不锈钢套管隔开，保证电流仅流经加热管，并起到隔温作用。实验时，电流将通过夹持装置流至加热管，使管壁发热，模拟反应堆堆芯内的裂变热和衰变热；冷却水将在水冷法兰内的冷却水流道中循环流动，以带走由加热管传导至其上、下游管线的大部分热量，这种设计使得加热管的最高温度较同类型装置有大幅提升。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为堆芯流道模拟装置结构示意图；

图中：储气罐1、第一截止阀2、真空泵3、第二截止阀4、气体分析取样口5、第三截止阀6、第一缓冲罐7、泄压阀8、第一压力表9、第一过滤器10、第一调节阀11、压缩机12、第二过滤器13、第二压力表14、第二缓冲罐15、减压阀16、第一流量计17、第二流量计18、第一热电耦19、第三压力表20、第一压差表21、回热器22、第二热电耦23、第二调节阀24、第三调节阀25、第三热电耦26、预热器27、第四压力表28、第四热电耦29、堆芯流道模拟装置30、热电耦阵列31、第二压差表32、第五热电耦33、降压装置34、第六热电耦35、第五压力表36、第三压差表37、第七热电耦38、冷却装置39、第八热电耦40、监测模块41、法兰冷却水入口42、水冷法兰43、夹持与固定装置44、绝缘陶瓷套管45、加热管46、冷却水流道47、钢制套管48、热电偶孔道49、法兰冷却水出口50。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统，包括：气源系统、加压与稳压系统、回热装置、温度调节装置、堆芯流道模拟装置、降压装置、冷却装置以及数据采集系统，其中：气源系统通过加压与稳压系统与回热装置的冷侧相连；回热装置的冷侧通过温度调节装置与堆芯流道模拟装置相连；堆芯流道模拟装置通过降压装置与回热装置的热侧相连；回热装置的热侧通过冷却装置与加压与稳压系统相连；数据采集系统分别与气源系统、加压与稳压系统、回热装置、温度调节装置、堆芯流道模拟装置、降压装置、冷却装置相连，气源系统内储存的氦氙混合气体通过管线首先进入加压与稳压系统进行加压，加压后的氦氙混合气体流入回热装置的冷侧，吸收来自回热装置热侧的热量后，流入温度调节装置进行精细的温度调节以满足堆芯流道模拟装置的入口温度需求，自温度调节装置流出的氦氙混合气体随即流入堆芯流道模拟装置，在近似堆芯流道的环境下吸收热量，随后流入降压装置进行减压，减压后的氦氙混合气体流入回热装置的热侧，将部分热量传递给回热装置冷侧的氦氙混合气体，从回热装置的热侧流出的氦氙混合气体流入冷却装置中进行冷却，冷却后的氦氙混合气体再次流入加压与稳压系统，完成一次循环。回路运行期间，数据采集系统实时采集、处理回路的气体浓度、流量、压力、温度数据。

所述的气源系统包括：用于储存氦氙混合气体的储气罐1、用于限制储气罐中氦氙混合气体向回路的释放以及维持回路整体压力的第一截止阀2、用于抽去回路中的空气的真空泵3、第二截止阀4和第一缓冲罐7，其中：储气罐通过第一截止阀与第一缓冲罐连通；真空泵通过第二截止阀与第一缓冲罐连通，当第一截止阀开启时，储气罐内的高纯度氦氙混合气体被释放至回路中；第二截止阀用于维持回路整体压力，将回路内气体与外界隔绝；第一缓冲罐用于降低回路压力波动。

所述的加压与稳压系统包括：泄压阀8、用于辅助加压的第一和第二过滤器10、13、第一调节阀11、用于对回路内气体进行加压的压缩机12、第二缓冲罐15、减压阀16，其中：泄压阀与第一缓冲罐相连；第一过滤器的前侧与第一缓冲罐的后侧相连；第一过滤器的后侧通过压缩机与第二过滤器相连；第二过滤器通过第二缓冲罐与减压阀相连；第一调节阀的两端分别连接于第一过滤器的前侧以及第二过滤器的后侧。

所述的回热装置包括：回热器22和第二调节阀24，其中：回热器其冷侧的前侧与减压阀的后侧相连，冷侧的后侧与温度调节装置相连；回热器其热侧的前侧与降压装置相连；热侧的后侧与冷却装置相连；第二调节阀的两端分别连接于回热器的冷侧的前侧以及冷侧的后侧，当第二调节阀完全关闭时，回热器正常使用，当第二调节阀完全开启时，由于冷侧没有气体流过，回热器无法进行热交换。回热器用于对其冷热两侧的流体进行热量交换，回热器的具体类型可根据实验需要进行选择。

所述的温度调节装置包括：第三调节阀25和用于对氦氙混合气体的温度进行精细调节的预热器27，其中：第三调节阀的前侧与回热系统冷侧的后侧相连，第三调节阀的后侧与预热器的前侧相连。

所述的堆芯流道模拟装置30的前侧与预热器的后侧相连；堆芯流道模拟装置的后侧与降压装置相连，用于模拟氦氙混合气体在反应堆堆芯流道内的极端环境下的流动与传热，该堆芯流道模拟装置上设有热电耦阵列，用于测量氦氙混合气体温度。

如图2所示，所述的堆芯流道模拟装置30包括：法兰冷却水入口42、水冷法兰43、金属夹持装置44、绝缘陶瓷套管45、加热管46、冷却水流道47、钢制套管48、热电偶孔道49、法兰冷却水出口50，其中：水冷法兰43分别分别将加热管进、出口与堆芯流道模拟装置30上、下游管线相连通，在保证氦氙气体顺利流入加热管46的同时，防止加热管热量传导至上、下游管线，具体方法是：冷却水从冷却水入口42流入水冷法兰43内部的冷却水流道47，吸收热量后自冷却水出口50流出，从而带走自加热管46传导至上、下游管线的大部分热量。装置中使用镍基合金圆管作为加热管46，用于模拟堆芯流道，加热管46外侧使用绝缘陶瓷套管45进行包覆，最外层包裹一层钢质加固套管48，为收集数据，钢制加固套管48以及绝缘陶瓷套管45上开有热电偶孔道49。所述加热管两端使用夹持与固定装置44进行固定，运行时，电流将通过夹持与固定装置44流至加热管46，从而使得加热管46发热。

所述的降压装置34的前侧与堆芯流道模拟装置30相连；降压装置34的后侧与回热器22热侧的前侧相连。

所述的冷却装置39的前侧与回热器22热侧的后侧相连；冷却装置39的后侧与第一缓冲罐7的前侧相连，用于排出回路内多余的热量，使气体温度降至室温，其冷却能力可根据需要进行调节。

所述的数据采集系统包括：若干截止阀、若干压力表、若干流量计、若干热电耦、若干压差表、设置于堆芯流道模拟装置30上的热电耦阵列31以及监测模块41，其中：气体分析取样口通过第三截止阀与第一缓冲罐相连；第一压力表设置于第一缓冲罐与第一过滤器之间；第二压力表设置于第二过滤器与第二缓冲罐之间；第一流量计位于减压阀的后侧；第二流量计设置于第一流量计与回热器之间，该位置同时也是第二调节阀与回热器之间；第三压力表和第一热电耦设置于第二流量计与回热器之间；压差一表与回热器冷侧并联；第二热电耦设置于第一压差表与第二调节阀之间，该位置同时仪式第一压差表与第三调节阀之间；第三热电耦设置于第三调节阀与预热器之间；第四热电耦以及第四压力表均设置于堆芯流道模拟装置与预热器之间；第二压差表与堆芯流道模拟装置并联；热电耦阵列布置于堆芯流道模拟装置上；第五热电耦设置于堆芯流道模拟装置与降压装置之间；第六热电耦以及第五压力表设置于降压装置与回热器热侧之间；第三压差表与回热器热侧并联；第七热电耦设置于回热器热段与冷却装置之间；第八热电耦设置于冷却装置与第一缓冲罐之间；上述所有压力表、压差表、热电耦、流量计均使用数据线与监测模块相连。数据采集系统用于采集回路运行数据，并对回路系统的运行情况进行监测，采集的数据传输至监测模块进行处理和存储。

所述的数据采集系统中，气体分析取样口用于采集回路内气体样本，分析气体浓度；第三截止阀用于限值回路内气体向外界释放，维持回路整体压力；第一压力表用于测量第一缓冲罐后侧的气压，为气体压力的调节提供参考；第二压力表用于测量第二过滤器后侧的气压，与第一压力表一同为压缩机的工作提供参考；第一流量计用于指示回路的整体流量；第二流量计用于指示流经回热器热侧的流量，与第一流量计一同可判断流过第二调节阀的流量；第三压力表用于测量回热器冷侧前侧的压力；第一热电耦用于测量回热器冷侧前侧的温度，第一压差表用于显示回热器冷侧的前、后侧的压差，与第三压力表一同可判断回热器冷侧后侧的压力；第二热电耦用于测量回热器冷侧后侧的温度，与第一热电耦一同指示回热器冷侧的后、前侧的温差；第三热电耦用于测量预热器前侧的温度；第四热电耦用于测量堆芯流道模拟装置前侧的温度，预热器需根据第四热电耦的示数调整功率，保证堆芯流道模拟装置的入口温度满足实验需求；第四压力表用于测量堆芯流道模拟装置前端的压力，第三调节阀需根据第四压力表的示数调节开关程度；热电耦阵列用于对堆芯流道模拟装置内的气体温度分布进行精细测量；第五热电耦用于测量堆芯流道模拟装置的出口温度；第六热电耦用于测量回热器热侧前侧的温度；第五压力表用于测量回热器热侧前侧的压力；第三压差表用于测量回热器热侧前、后侧的压差，与第五压力表一同指示回热器热侧后侧的压力；第七热电耦用于测量回热器热侧后侧的温度，与第六热电耦一同指示回热器热侧的前、后侧的压差；第八热电耦用于测量冷却装置出口处温度，为冷却装置的功率调节提供参考；监测模块用于通过数据传输线接收来自所有监测装置的数据信息并进行数据的储存和处理工作。

本实施例涉及一种基于上述装置的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验方法，包括以下步骤：

步骤1、数据标定：为保证数据的准确性，需要进行回路密封性测试、气体浓度检验、气体流量及压力标定以及堆芯流道模拟装置功率标定。

1.1)回路密封性测试：维持第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀以及减压阀处于完全开启状态，泄压阀处于完全关闭状态，在向全回路范围内填充压力不低于实验压力上限的高压空气后，关闭第一截止阀、第二截止阀以及第三截止阀，监测回路各压力表示数，单位时间内回路压力降低的量低于限值即认为回路密封条件满足实验要求；

1.2)气体浓度检验：通过真空泵将回路内空气抽去后填充氦氙混合气体，从气体采样分析口对气体进行采样，测得气体中非氦氙成分低于限值即认为气体浓度满足实验要求；

1.3)气体流量及压力标定：将第一调节阀、第二调节阀关闭，第一截止阀、第二截止阀以及第三截止阀关闭，将第三调节阀完全打开，开启压缩机，同时开启数据采集系统进行数据采集，流量稳定后，对气体流量以及压力进行记录。改变回路流量重复上述过程，对气体流量以及压力进行标定。

1.4)堆芯流道模拟装置功率标定：流量稳定后，开启堆芯流道模拟装置对回路内气体进行加热，同时开启冷却装置吸收气体内热量，使气体温度降至室温；使用数据采集系统采集堆芯流道模拟装置内氦氙混合气体的温度变化以及堆芯流道模拟装置前后的热电耦示数，示数稳定后计算氦氙混合气体在堆芯流道模拟装置内吸收的热量。在不同的功率条件下重复上述过程，对堆芯流道模拟装置的功率进行标定。标定完成后，关闭堆芯流道模拟装置，待冷却装置将全回路范围内气体均冷却至接近室温后，关闭冷却装置，随后关闭压缩机，气体停止循环。

步骤2、实验测试：在数据标定完成的基础上进行实验测试。

2.1)气体浓度检验：通过真空泵将回路内空气抽去后填充氦氙混合气体，从气体采样分析口对气体进行采样，测得气体中非氦氙成分低于限值即认为气体浓度满足实验要求；

2.2)将第一调节阀、第二调节阀关闭，第一截止阀、第二截止阀以及第三截止阀关闭，将第三调节阀完全打开，开启压缩机，同时开启数据采集系统，流量稳定后开启堆芯流道模拟装置以及冷却装置，回路整体运行参数稳定后，即可通过采集的数据计算氦氙混合气体在堆芯流道模拟装置内的换热参数、回热器的换热参数以及整体布雷顿循环的运行参数。改变流动参数以及功率参数，重复上述过程，即可获得不同条件下堆芯流道模拟装置内的换热参数、回热器的换热参数以及整体布雷顿循环的运行参数。运行过程中，必要时可开启第一截止阀补充氦氙混合气体。

根据实验需求进行尾气处理，可供选择的尾气处理方式有开路以及闭路循环两种。

使用计算流体力学方法结合一维模拟程序对该系统进行建模并进行稳态工况的模拟实验，在室温为300K，环境压力为标准大气压的具体环境设置下，进行加热管发热功率为4130W的稳态实验，系统运行参数如表1所示。

表1.小型氦氙冷却反应堆综合实验系统4130W稳态实验参数设置

以上述参数运行该系统，得到布雷顿循环整体运行参数、加热管外壁轴向温度分布以及加热管内壁的轴向对流换热系数和努塞尔数分布等参数，布雷顿循环整体运行参数如表2所示：

表2.4130W稳态实验布雷顿循环整体运行参数

参数	值	单位
			预热器出口温度	822	K
试验段出口温度	1123.15	K
			压气机效率	89％	--
回热器效率	90％	--
			冷却装置效率	93％	--
布雷顿循环效率	40％	--

加热管外壁轴向温度分布如表3所示：

表3.4130W稳态实验加热管外壁轴向温度分布

编号	入口下游距离	单位	温度	单位
					1	25	mm	940.70	K
2	50	mm	959.13	K
					3	75	mm	973.48	K
4	100	mm	985.35	K
					5	170	mm	1012.11	K
6	240	mm	1034.65	K
					7	310	mm	1055.63	K
8	500	mm	1110.67	K
					9	690	mm	1165.45	K
10	880	mm	1220.32	K

基于以上数据，通过理论推导可得到加热管内壁的对流换热系数与努塞尔数(无量纲)的轴向分布如表4所示：

表4.4130W稳态实验加热管外壁轴向温度分布

编号	入口下游距离	单位	对流换热系数	单位	努塞尔数
						1	25	mm	1372.3	W/(m<sup>2</sup>·K)	50.9
2	50	mm	1192.4	W/(m<sup>2</sup>·K)	44.2
						3	75	mm	1091.9	W/(m<sup>2</sup>·K)	40.4
4	100	mm	1034.0	W/(m<sup>2</sup>·K)	38.1
						5	170	mm	963.2	W/(m<sup>2</sup>·K)	35.1
6	240	mm	942.8	W/(m<sup>2</sup>·K)	33.9
						7	310	mm	939.2	W/(m<sup>2</sup>·K)	33.1
8	500	mm	950.7	W/(m<sup>2</sup>·K)	32.1
						9	690	mm	964.8	W/(m<sup>2</sup>·K)	31.2
10	880	mm	978.3	W/(m<sup>2</sup>·K)	30.5

相关数据可为小型氦氙冷却反应堆的设计和运行提供指导，具体为小型氦氙冷却反应堆布雷顿循环能量转换系统及其相关部件。

与现有技术相比，本装置技术效果包括：

1)使用水冷法兰技术将堆芯流道模拟装置与其上下游管线相连接，使得装置的温度范围进一步扩展，从而实现对小型氦氙冷却反应堆堆芯流道内流动换热现象的全温全压模拟研究；

2)通过合理的设备布局，实现小型氦氙冷却反应堆能量转换系统闭式布雷顿循环的模拟研究；

3)实现小型氦氙冷却反应堆回热器传热传质现象的模拟研究；

4)实现氦氙混合气体以及热量的多功能、高效率利用。

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)

1.一种小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统，其特征在于，包括：气源系统、加压与稳压系统、回热装置、温度调节装置、堆芯流道模拟装置、降压装置、冷却装置以及数据采集系统，其中：气源系统通过加压与稳压系统与回热装置的冷侧相连；回热装置的冷侧通过温度调节装置与堆芯流道模拟装置相连；堆芯流道模拟装置通过降压装置与回热装置的热侧相连；回热装置的热侧通过冷却装置与加压与稳压系统相连；数据采集系统分别与气源系统、加压与稳压系统、回热装置、温度调节装置、堆芯流道模拟装置、降压装置、冷却装置相连，降压装置的前侧与堆芯流道模拟装置相连；降压装置的后侧与回热器热侧的前侧相连，冷却装置的前侧与回热器热侧的后侧相连；冷却装置的后侧与第一缓冲罐的前侧相连，气源系统内储存的氦氙混合气体通过管线首先进入加压与稳压系统进行加压，加压后的氦氙混合气体流入回热装置的冷侧，吸收来自回热装置热侧的热量后，流入温度调节装置进行精细的温度调节以满足堆芯流道模拟装置的入口温度需求，自温度调节装置流出的氦氙混合气体随即流入堆芯流道模拟装置，在近似堆芯流道的环境下吸收热量，随后流入降压装置进行减压，减压后的氦氙混合气体流入回热装置的热侧，将部分热量传递给回热装置冷侧的氦氙混合气体，从回热装置的热侧流出的氦氙混合气体流入冷却装置中进行冷却，冷却后的氦氙混合气体再次流入加压与稳压系统，完成一次循环；回路运行期间，数据采集系统实时采集、处理回路的气体浓度、流量、压力、温度数据。

2.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统，其特征是，所述的气源系统包括：用于储存氦氙混合气体的储气罐、用于限制储气罐中氦氙混合气体向回路的释放以及维持回路整体压力的第一截止阀、用于抽去回路中的空气的真空泵、第二截止阀和第一缓冲罐，其中：储气罐通过第一截止阀与第一缓冲罐连通；真空泵通过第二截止阀与第一缓冲罐连通，当第一截止阀开启时，储气罐内的高纯度氦氙混合气体被释放至回路中；第二截止阀用于维持回路整体压力，将回路内气体与外界隔绝；第一缓冲罐用于降低回路压力波动。

3.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统，其特征是，所述的加压与稳压系统包括：泄压阀、用于辅助加压的第一和第二过滤器、、第一调节阀、用于对回路内气体进行加压的压缩机、第二缓冲罐、减压阀，其中：泄压阀与第一缓冲罐相连；第一过滤器的前侧与第一缓冲罐的后侧相连；第一过滤器的后侧通过压缩机与第二过滤器相连；第二过滤器通过第二缓冲罐与减压阀相连；第一调节阀的两端分别连接于第一过滤器的前侧以及第二过滤器的后侧。

4.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统，其特征是，所述的回热装置包括：回热器和第二调节阀，其中：回热器其冷侧的前侧与减压阀的后侧相连，冷侧的后侧与温度调节装置相连；回热器其热侧的前侧与降压装置相连；热侧的后侧与冷却装置相连；第二调节阀的两端分别连接于回热器的冷侧的前侧以及冷侧的后侧，当第二调节阀完全关闭时，回热器正常使用，当第二调节阀完全开启时，由于冷侧没有气体流过，回热器无法进行热交换；回热器用于对其冷热两侧的流体进行热量交换，回热器的具体类型可根据实验需要进行选择。

5.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统，其特征是，所述的温度调节装置包括：第三调节阀和用于对氦氙混合气体的温度进行精细调节的预热器，其中：第三调节阀的前侧与回热系统冷侧的后侧相连，第三调节阀的后侧与预热器的前侧相连。

6.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统，其特征是，所述的堆芯流道模拟装置的前侧与预热器的后侧相连；堆芯流道模拟装置的后侧与降压装置相连，用于模拟氦氙混合气体在反应堆堆芯流道内的极端环境下的流动与传热，该堆芯流道模拟装置上设有热电耦阵列，用于测量氦氙混合气体温度。

7.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统，其特征是，所述的堆芯流道模拟装置包括：法兰冷却水入口、水冷法兰、金属夹持装置、绝缘陶瓷套管、加热管、冷却水流道、钢制套管、热电偶孔道、法兰冷却水出口，其中：水冷法兰分别分别将加热管进、出口与堆芯流道模拟装置上、下游管线相连通，在保证氦氙气体顺利流入加热管的同时，防止加热管热量传导至上、下游管线，具体方法是：冷却水从冷却水入口流入水冷法兰内部的冷却水流道，吸收热量后自冷却水出口流出，从而带走自加热管传导至上、下游管线的大部分热量；装置中使用镍基合金圆管作为加热管，用于模拟堆芯流道，加热管外侧使用绝缘陶瓷套管进行包覆，最外层包裹一层钢质加固套管，为收集数据，钢制加固套管以及绝缘陶瓷套管上开有热电偶孔道；所述加热管两端使用夹持与固定装置进行固定，运行时，电流将通过夹持与固定装置流至加热管，从而使得加热管发热。

8.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统，其特征是，所述的数据采集系统包括：若干截止阀、若干压力表、若干流量计、若干热电耦、若干压差表、设置于堆芯流道模拟装置上的热电耦阵列以及监测模块，其中：气体分析取样口通过第三截止阀与第一缓冲罐相连；第一压力表设置于第一缓冲罐与第一过滤器之间；第二压力表设置于第二过滤器与第二缓冲罐之间；第一流量计位于减压阀的后侧；第二流量计设置于第一流量计与回热器之间，该位置同时也是第二调节阀与回热器之间；第三压力表和第一热电耦设置于第二流量计与回热器之间；压差一表与回热器冷侧并联；第二热电耦设置于第一压差表与第二调节阀之间，该位置同时仪式第一压差表与第三调节阀之间；第三热电耦设置于第三调节阀与预热器之间；第四热电耦以及第四压力表均设置于堆芯流道模拟装置与预热器之间；第二压差表与堆芯流道模拟装置并联；热电耦阵列布置于堆芯流道模拟装置上；第五热电耦设置于堆芯流道模拟装置与降压装置之间；第六热电耦以及第五压力表设置于降压装置与回热器热侧之间；第三压差表与回热器热侧并联；第七热电耦设置于回热器热段与冷却装置之间；第八热电耦设置于冷却装置与第一缓冲罐之间；上述所有压力表、压差表、热电耦、流量计均使用数据线与监测模块相连；数据采集系统用于采集回路运行数据，并对回路系统的运行情况进行监测，采集的数据传输至监测模块进行处理和存储。

9.根据权利要求8所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统，其特征是，所述的数据采集系统中，气体分析取样口用于采集回路内气体样本，分析气体浓度；第三截止阀用于限值回路内气体向外界释放，维持回路整体压力；第一压力表用于测量第一缓冲罐后侧的气压，为气体压力的调节提供参考；第二压力表用于测量第二过滤器后侧的气压，与第一压力表一同为压缩机的工作提供参考；第一流量计用于指示回路的整体流量；第二流量计用于指示流经回热器热侧的流量，与第一流量计一同可判断流过第二调节阀的流量；第三压力表用于测量回热器冷侧前侧的压力；第一热电耦用于测量回热器冷侧前侧的温度，第一压差表用于显示回热器冷侧的前、后侧的压差，与第三压力表一同可判断回热器冷侧后侧的压力；第二热电耦用于测量回热器冷侧后侧的温度，与第一热电耦一同指示回热器冷侧的后、前侧的温差；第三热电耦用于测量预热器前侧的温度；第四热电耦用于测量堆芯流道模拟装置前侧的温度，预热器需根据第四热电耦的示数调整功率，保证堆芯流道模拟装置的入口温度满足实验需求；第四压力表用于测量堆芯流道模拟装置前端的压力，第三调节阀需根据第四压力表的示数调节开关程度；热电耦阵列用于对堆芯流道模拟装置内的气体温度分布进行精细测量；第五热电耦用于测量堆芯流道模拟装置的出口温度；第六热电耦用于测量回热器热侧前侧的温度；第五压力表用于测量回热器热侧前侧的压力；第三压差表用于测量回热器热侧前、后侧的压差，与第五压力表一同指示回热器热侧后侧的压力；第七热电耦用于测量回热器热侧后侧的温度，与第六热电耦一同指示回热器热侧的前、后侧的压差；第八热电耦用于测量冷却装置出口处温度，为冷却装置的功率调节提供参考；监测模块用于通过数据传输线接收来自所有监测装置的数据信息并进行数据的储存和处理工作。

10.一种基于权利要求1～9中任一所述小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、数据标定：为保证数据的准确性，需要进行回路密封性测试、气体浓度检验、气体流量及压力标定以及堆芯流道模拟装置功率标定；

1.1)回路密封性测试：维持第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀以及减压阀处于完全开启状态，泄压阀处于完全关闭状态，在向全回路范围内填充压力不低于实验压力上限的高压空气后，关闭第一截止阀、第二截止阀以及第三截止阀，监测回路各压力表示数，单位时间内回路压力降低的量低于限值即认为回路密封条件满足实验要求；

1.2)气体浓度检验：通过真空泵将回路内空气抽去后填充氦氙混合气体，从气体采样分析口对气体进行采样，测得气体中非氦氙成分低于限值即认为气体浓度满足实验要求；

1.3)气体流量及压力标定：将第一调节阀、第二调节阀关闭，第一截止阀、第二截止阀以及第三截止阀关闭，将第三调节阀完全打开，开启压缩机，同时开启数据采集系统进行数据采集，流量稳定后，对气体流量以及压力进行记录；改变回路流量重复上述过程，对气体流量以及压力进行标定；

1.4)堆芯流道模拟装置功率标定：流量稳定后，开启堆芯流道模拟装置对回路内气体进行加热，同时开启冷却装置吸收气体内热量，使气体温度降至室温；使用数据采集系统采集堆芯流道模拟装置内氦氙混合气体的温度变化以及堆芯流道模拟装置前后的热电耦示数，示数稳定后计算氦氙混合气体在堆芯流道模拟装置内吸收的热量；在不同的功率条件下重复上述过程，对堆芯流道模拟装置的功率进行标定；标定完成后，关闭堆芯流道模拟装置，待冷却装置将全回路范围内气体均冷却至接近室温后，关闭冷却装置，随后关闭压缩机，气体停止循环；

步骤2、实验测试：在数据标定完成的基础上进行实验测试；

2.1)气体浓度检验：通过真空泵将回路内空气抽去后填充氦氙混合气体，从气体采样分析口对气体进行采样，测得气体中非氦氙成分低于限值即认为气体浓度满足实验要求；

2.2)将第一调节阀、第二调节阀关闭，第一截止阀、第二截止阀以及第三截止阀关闭，将第三调节阀完全打开，开启压缩机，同时开启数据采集系统，流量稳定后开启堆芯流道模拟装置以及冷却装置，回路整体运行参数稳定后，即可通过采集的数据计算氦氙混合气体在堆芯流道模拟装置内的换热参数、回热器的换热参数以及整体布雷顿循环的运行参数；改变流动参数以及功率参数，重复上述过程，即可获得不同条件下堆芯流道模拟装置内的换热参数、回热器的换热参数以及整体布雷顿循环的运行参数；运行过程中，必要时可开启第一截止阀补充氦氙混合气体。

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