CN116864172B - 一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法，属于核反应堆堆芯热工水力技术领域。解决了现有堆芯传热研究不能在非核环境下进行以及通过将外界气体注入到实验装置内部的方式来模拟堆芯的辐照环境产生的气泡尺寸较大，影响实验结果的问题。它包括以下步骤：步骤1：通过预热器向实验装置内部加入电解液，步骤2：开启实验装置内的加热器，观察采集系统中的热电偶读数，步骤3：根据实验所需产气量，通过气体质量流量计读数，步骤4：将冷却水通过泵输送到实验装置内的换热盘管中，通过铠装热电偶测量换热盘管内的温度；步骤5：通过激光测振仪测量换热盘管的振动频率和振动幅度。它主要用于堆芯水力特性实验。

Description

一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法

技术领域

本发明属于核反应堆堆芯热工水力技术领域，特别是涉及一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法。

背景技术

伴随着核能的发展，核反应堆功率的大幅度提升，核反应堆的安全问题越发引人关注，堆芯作为核反应堆的重要组成部分，其安全传热问题事关反应堆能否安全运行，国内外学者针对堆芯传热问题进行了大量而细致的研究，针对反应堆堆芯辐照裂解气泡对堆芯传热影响的研究就是其中的重要组成部分，但是由于带核环境的高危险性，由此产生的研究成本往往较高，且研究人员的人身安全性会大大降低，目前针对上述问题的研究方式主要通过将外界气体注入到实验装置内部的方式来模拟堆芯的辐照环境，但是这种方法产生的气泡尺寸较大，引起注气位置的空泡份额相较于其他部位较大，得到的实验结果往往缺乏准确性，因此，需要探索在非核环境下研究堆芯辐照裂解气泡影响传热的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法,以解决现有堆芯传热研究不能在非核环境下进行以及通过将外界气体注入到实验装置内部的方式来模拟堆芯的辐照环境产生的气泡尺寸较大，影响实验结果的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法，它包括以下步骤：

步骤1：开启预热器，待温度达到实验工况规定温度后，通过预热器向实验装置内部加入电解液，观察实验装置内部的液位，达到实验工况所需后，关闭预热器，不再向实验装置内部进水；

步骤2：开启实验装置内的加热器，观察采集系统中的热电偶读数，了解装置内的温度，适时调节加热器的功率；

步骤3：开启直流电源，根据实验所需产气量，通过气体质量流量计读数，实时调整直流电源的电压或电流，来获得稳定的气体流量；

步骤4：开启冷水机，待温度达到稳定后，将冷却水通过泵输送到实验装置内的换热盘管中，通过铠装热电偶测量换热盘管内的温度，根据实验需求增加振动、气泡和流场分布的测量；

步骤5：通过激光测振仪测量换热盘管的振动频率和振动幅度；

步骤6：通过PIV装置记录实验装置内的气泡和流场分布的数据。

更进一步的，步骤3中采用电解水的方式产生气泡。

更进一步的，步骤1中的实验装置还包括箱体、底板、顶盖、以及电极，所述顶盖以及底板分别安装在箱体的上下两端，所述换热盘管安装在箱体内，所述换热盘管的盘管端安装在顶盖上，所述电极位于箱体内液位下方，所述电极的阳极穿过底板设置在箱体的中部，所述电极的阴极穿过底板设置在箱体内，所述加热器安装在箱体的内侧，所述换热盘管的进口处与出口处皆设有铠装热电偶，所述顶盖的底部设有向箱体内部伸入的铠装热电偶，所述换热盘管的表面设有铠装热电偶。

更进一步的，所述阴极采用镍网拉伸制成，镍网的对角线上焊接有镍棒。

更进一步的，所述阳极的外侧套接有阳极套管，所述阳极套管安装在顶盖上开设的凹槽内。

更进一步的，所述进口外接冷水机，所述出口外接排水管。

更进一步的，所述箱体内部设有液位计，所述箱体的侧壁上设有视窗，所述视窗外设有激光测振仪。

更进一步的，所述箱体与底板之间设有硅胶垫片。

更进一步的，所述箱体的表面涂有绝缘层。

更进一步的，所述顶盖上设有排气管路。

更进一步的，一种反应堆堆芯水力特性的实验装置的实验方法，它包括以下步骤：

步骤1：向实验装置内加入电解液，待达到稳定液位后，开启加热器用于维持实验装置内的温度；

步骤2：将阳极和阴极接入直流电源，开启直流电源，装置内部开始产生气泡；

步骤3：向换热盘管内注入冷却水，在顶盖上设有排气管路，经产生的氢气和氧气排出；

步骤4：待冷却水温度稳定以及加热器功率稳定，电源功率设定完毕后，打开数据采集系统，采集稳定状态下换热盘管的温度。

步骤5：通过视窗外的激光测振仪测量换热盘管的振动频率以及振动幅度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明在非核的类辐照环境下研究堆芯换热盘管的热工水力特性的方法，能够较为真实地模拟堆芯受辐照裂解气泡的尺寸、分布和气泡动力学特性，从而降低实验成本，降低研究人员的危险性。

2、本发明产生的气泡与反应堆堆芯冷却水或者燃料溶液受到辐照后裂解产生的气泡尺寸相近、分布相似、气泡行为特性相类似的状态。

3、本发明设有的加热器能够维持整个实验装置的温度。

4、本发明设有的铠装热电偶可以用来测量每个位置的温度。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的所述的的实验装置结构简图；

图2是本发明的所述的的实验装置的侧视图；

图3是本发明的所述的实验装置的底部布局图；

图4是本发明的所述的的阴极示意图图；

图5是本发明的所述的实验装置的内部构件布置图；

图6是本发明的所述的换热盘管温度测点布置图；

1-箱体，2-底板，3-换热盘管，4-顶盖，5-电极，6-阳极套管，7-加热器，8-视窗，9-铠装热电偶，10-液位计，51-阴极，511-镍网，512-镍棒，52-阳极，31-出口，32-进口。

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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

具体实施方式一：参见图1-6说明本实施方式，一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法，它包括以下步骤：

步骤1：开启预热器，待温度达到实验工况规定温度后，通过预热器向实验装置内部加入电解液，观察实验装置内部的液位，达到实验工况所需后，关闭预热器，不再向实验装置内部进水；

步骤2：开启实验装置内的加热器7，观察采集系统中的热电偶读数，了解装置内的温度，适时调节加热器的功率；

步骤3：开启直流电源，根据实验所需产气量，通过气体质量流量计读数，实时调整直流电源的电压或电流，来获得稳定的气体流量；

步骤4：开启冷水机，待温度达到稳定后，将冷却水通过泵输送到实验装置内的换热盘管3中，通过铠装热电偶9测量换热盘管3内的温度，根据实验需求增加振动、气泡和流场分布的测量；

步骤5：通过激光测振仪测量换热盘管3的振动频率和振动幅度；

步骤6：通过PIV装置记录实验装置内的气泡和流场分布的数据。

进一步的，步骤3中采用电解水的方式产生气泡，溶液堆堆芯辐照裂解气泡成核尺寸为纳米量级，采用电解水气泡成核尺寸为微纳米量级，步骤1中的实验装置还包括箱体1、底板2、顶盖4、以及电极5，所述顶盖4以及底板2分别安装在箱体1的上下两端，所述换热盘管3安装在箱体1内，所述换热盘管3的盘管端安装在顶盖4上，所述电极5位于箱体1内液位下方，所述电极5的阳极52穿过底板2设置在箱体1的中部，所述电极5的阴极51穿过底板2设置在箱体1内，所述加热器7安装在箱体1的内侧，所述换热盘管3的进口32处与出口31处皆设有铠装热电偶9，所述顶盖4的底部设有向箱体1内部伸入的铠装热电偶9，所述换热盘管3的表面设有铠装热电偶9，溶液堆堆芯气泡在靠近堆芯中心的部分产气量大，远离堆芯中心部分的产气量少，通过设计板状阴极51搭配柱状阳极52的形式，在阴极51上方呈现产气量的变化梯度；例如：将阳极52布置在中心，阴极51板上方呈现出从中心向四周产气量递减的状态，气泡在阴极51表面的众多成核点上成核，脱离后形成雾状气泡，并迅速通过装置内部的自然循环充满整个实验装置，与溶液堆气泡充满整个堆芯，并且分布受到堆芯自然循环的影响相类似，通过该装置产生的气泡能够达到与溶液堆堆芯受辐照裂解产生的气泡尺寸相近、分布相似以及气泡行为特性相类似的特点。

向实验装置内加入电解液，待达到稳定液位后，开启加热器7用于维持实验装置内的温度，将阳极52和阴极51接入直流电源，开启直流电源，装置内部开始产生气泡，该装置在非核的类辐照环境下研究堆芯换热盘管3的热工水力特性的方法，能够较为真实地模拟堆芯受辐照裂解气泡的尺寸、分布和气泡动力学特性，从而降低实验成本，降低研究人员的危险性，该装置的产气方法为使用电解水方法产生气泡，使气泡达到与反应堆堆芯受辐照裂解产生的气泡尺寸相近、分布相似以及气泡行为特性相类似的特点，其中，通过使用不同种类的电极5和控制电解电源的电压大小，来获得不同尺寸的气泡，通过控制电解电源的功率水平来获得不同的产气速率，通过电极5的布置位置的不同，来控制不同区域的产气量的不同，利用阴极51和阳极52的不同间距获得产气量递减或者递增的效果，在向换热盘管3内注入冷却水，在顶盖4上设有排气管路，经产生的氢气和氧气排出，将产生的氢气和氧气排出，待冷却水温度稳定以及加热器7功率稳定，电源功率设定完毕后，打开数据采集系统，采集稳定状态下换热盘管3的温度，通过视窗8外的激光测振仪测量换热盘管3的振动频率以及振动幅度。

进一步的，本实施例根据实验的实际工况采用不同的控制方式进行气泡大小、产气速率以及气泡分布的调整，其中：气泡大小控制方式为通过使用不同种类的电极5材料和控制电解电源的电压大小，获得不同尺寸的气泡，产气速率通过控制电解电源的功率水平获得不同的产气速率，气泡分布的控制通过电极5布置位置的不同获控制不同区域的产气量的不同；利用阴阳极间距的不同获得产气量递减或者递增的效果，所述的递减效果为由堆芯功率较强处向外产气量递减，所述递增效果为堆芯功率较弱处向内递增.

进一步的，加热器7为耐腐蚀材料，包括但不限于304不锈钢、304L不锈钢、316不锈钢、316L不锈钢、钛合金、钛、铁氟龙、硅橡胶等，并且可以根据堆芯的功率分布布置不同位置、形状和功率的加热器7，用于模拟堆芯功率分布的情况。

进一步的，加热器7布置在装置的底部，其通过螺纹紧固的方式固定在箱体1侧面，共布置两只，每只加热功率为2 kW，加热器7的种类为电加热器，供电方式为三相供电加热管接线时可不考虑相位的缺失，任选两相接入即可。在本实施例中加热器7为钛金属加热管，具有耐腐蚀、化学性质稳定的优点，除此之外也可选用耐高温涂层材料保护加热器7的表面，提高加热器7的使用寿命，另外，所述加热器7可根据研究对象的实际功率分布设计不同的布置方式和不同的形状，用于在不同区域获得不同的功率分布和维持装置内部的温度。

进一步的，电极5使用电缆防水接头通过螺纹镶嵌在底板2上，其中所述的电缆防水接头包括：螺纹卡扣、夹紧爪硅胶材质、密封圈硅胶材质、主体、垫圈、螺帽，所述底板2材质为聚碳酸酯，在60-80℃范围内具有较强的机械强度和绝缘性能，由于底板2不做可视化要求，除使用聚碳酸酯外，也可使用其他不透明的耐高温绝缘材料。

进一步的，在本实施例中，阴极51使用厚度为2 mm、孔尺寸为3×6 mm的正方形拉伸镍网511，在对角线上焊接镍棒512，用于支撑镍网511和向镍网导电，阳极52为柱状，使用铱钽涂层钛电极，用于降低阳极析氧电位，通过电缆防水接头穿过底板2，并且达到密封的效果。

进一步的，所述阳极52材料包括但不限于金属及其合金、金属氧化物涂层材料如钌、铱、钽等钛涂层材料等、各种具有实现电解水析氧功能的、以及能够降低析氧电位的材料，形状可为棒状、网状以及其他适用于实际场景的形状，所述阴极可为Pt、Pd及其合金，镍及其合金Raney镍型、镍基过度元素合金等等其他具有电解水析氢功能的、以及能够降低析氢电位的材料。

进一步的，底板2与箱体1之间使用法兰面通过螺丝紧固连接，箱体1与底板2之间夹有耐高温硅胶垫片，用于防水密封，底板2上面开有螺纹孔，使得电极5能够通过底板2伸出实验装置。

具体实施方式二：参见图1-6说明本实施方式，所述阳极52的外侧套接有阳极套管6，所述阳极套管6安装在顶盖4上开设的凹槽内，阳极套管6用于隔绝阴极51和阳极52，使得阴极51和阳极52所产生的气体隔绝开，避免发生氢气与氧气的大规模混合。

具体实施方式三：参见图1-6说明本实施方式，所述换热盘管3的进口32处与出口31处皆设有铠装热电偶9，所述顶盖4的底部设有向箱体1内部伸入的铠装热电偶9，所述换热盘管3的表面设有铠装热电偶9，换热盘管3与顶盖4通过电缆防水接头固定在顶盖上，便于拆卸更换，亦可使用电焊将其与顶盖焊接固定，在换热盘管3进出口皆设置有铠装热电偶9测量换热盘管3的进出口主流温度，在换热盘管3进口32处设置铠装热电偶9用于测量来流温度，在出口31处设置测温铠装热电偶9，在顶盖4上焊接热电偶卡座，向实验装置内部伸入铠装热电偶9，测量实验装置内部的温度，在换热盘管3外表面焊接铠装热电偶9用于测量是换热盘管3的表面温度。

具体实施方式四：参见图1-6说明本实施方式，所述进口32外接冷水机，所述出口31外接排水管，换热盘管3的进口32外接冷水机，冷水机能够持续为盘管提供恒温冷却水，其误差为±1℃。出口31外接排水管，在本实施例中，冷却水直接排出至下水道，也可通过循环回路，将冷却水返回至冷水机中二次利用，本实施例中使用的冷却水为自来水，倘若使用循环回路，也可使用去离子水，较少管路内部的杂质沉积，冷却水管路上设置涡轮流量计用于采集和观察冷水流量。

具体实施方式五：参见图1-6说明本实施方式，所述箱体1内部设有液位计10，所述箱体1的侧壁上设有视窗8，所述视窗8外设有激光测振仪，在本实施例中，在视窗之外设置激光测振仪，在换热盘管3上设置激光测振仪测量点，通过非接触的方式测量盘管的振动频率、振动幅度位移量，也可使用激光位移传感器进行非接触的方式进行振动位移的测量，在条件允许的情况下，也可以使用防水耐温性能良好的电涡流传感器固定在换热盘管3表面的测点上直接测量换热盘管3的振动位移量，此外，在视窗8外通过高速摄影机记录气泡行为特性影像资料，通过解算影像可以测量出气泡直径、速度等统计量，作为参考，可大致推测出部分区域的空泡份额。

具体实施方式六：参见图1-6说明本实施方式，所述箱体1的表面涂有绝缘层，避免当箱体1中的电压过大是引起不锈钢与电极5之间的导通，绝缘层为透明氟碳涂层面漆配合透明环氧锌黄底漆，在干结后可以达到防水、绝缘、耐温指的是满足60-80℃的温度要求、耐酸碱腐蚀和高吸附性的效果，除本实施例使用的涂层外，还可以选用耐高温陶瓷绝缘涂料，其高电阻特性和优良的耐温特性，能够获得更为优异防腐蚀、耐温、绝缘的效果。

具体实施方式七：参见图1-6说明本实施方式，所述顶盖4上设有排气管路，在顶盖4上设置排气管路，将产生的氢气排出至远离实验装置的、安全的、无明火的区域，对于产生的氧气则直接排放至空气中，排气管路上设置气体质流量计用于采集和记录实验装置的产气量，在本实施例中，对于阳极52产生的氧气不做测定和处理，也可仿照氢气的处理方式，设置排气管路。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (9)

1.一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1：开启预热器，待温度达到实验工况规定温度后，通过预热器向实验装置内部加入电解液，观察实验装置内部的液位，达到实验工况所需后，关闭预热器，不再向实验装置内部进水；

步骤2：开启实验装置内的加热器（7），观察采集系统中的热电偶读数，了解装置内的温度，适时调节加热器的功率；

步骤3：开启直流电源，根据实验所需产气量，通过气体质量流量计读数，实时调整直流电源的电压或电流，来获得稳定的气体流量；

步骤4：开启冷水机，待温度达到稳定后，将冷却水通过泵输送到实验装置内的换热盘管（3）中，通过铠装热电偶（9）测量换热盘管（3）内的温度，根据实验需求增加振动、气泡和流场分布的测量；

步骤5：通过激光测振仪测量换热盘管（3）的振动频率和振动幅度；

步骤6：通过PIV装置记录实验装置内的气泡和流场分布的数据。

步骤1中的实验装置还包括箱体（1）、底板（2）、顶盖（4）、以及电极（5），所述顶盖（4）以及底板（2）分别安装在箱体（1）的上下两端，所述换热盘管（3）安装在箱体（1）内，所述换热盘管（3）的盘管端安装在顶盖（4）上，所述电极（5）位于箱体（1）内液位下方，所述电极（5）的阳极（52）穿过底板（2）设置在箱体（1）的中部，所述电极（5）的阴极（51）穿过底板（2）设置在箱体（1）内，所述加热器（7）安装在箱体（1）的内侧，所述换热盘管（3）的进口（32）处与出口（31）处皆设有铠装热电偶（9），所述顶盖（4）的底部设有向箱体（1）内部伸入的铠装热电偶（9），所述换热盘管（3）的表面设有铠装热电偶（9）。

2.根据权利要求1所述的一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法，其特征在于：步骤3中采用电解水的方式产生气泡。

3.根据权利要求1所述的一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法，其特征在于：所述阴极（51）采用镍网（511）拉伸制成，镍网（511）的对角线上焊接有镍棒（512）。

4.根据权利要求1所述的一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法，其特征在于：所述阳极（52）的外侧套接有阳极套管（6），所述阳极套管（6）安装在顶盖（4）上开设的凹槽内。

5.根据权利要求1所述的一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法，其特征在于：所述进口（32）外接冷水机，所述出口（31）外接排水管。

6.根据权利要求1所述的一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法，其特征在于：所述箱体（1）内部设有液位计（10），所述箱体（1）的侧壁上设有视窗（8），所述视窗（8）外设有激光测振仪。

7.根据权利要求1所述的一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法，其特征在于：所述箱体（1）与底板（2）之间设有硅胶垫片。

8.根据权利要求1所述的一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法，其特征在于：所述箱体（1）的表面涂有绝缘层。

9.根据权利要求1所述的一种类辐照环境下溶液池热工水力特性的实验方法，其特征在于：所述顶盖（4）上设有排气管路。