CN117423486A - 一种高温热管管束失效实验装置 - Google Patents

一种高温热管管束失效实验装置 Download PDF

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CN117423486A CN202311386700.4A CN202311386700A CN117423486A CN 117423486 A CN117423486 A CN 117423486A CN 202311386700 A CN202311386700 A CN 202311386700A CN 117423486 A CN117423486 A CN 117423486A
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王成龙
李潘潇
王锦源
田文喜
张大林
苏光辉
秋穗正
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Abstract

本发明公开了一种高温热管管束失效实验装置,涉及反应堆试验技术领域,包括保护壳;堆芯模拟基体,设置在保护壳内,堆芯模拟基体上设置有多个热管圆孔和多个加热棒圆孔,热管圆孔用于插设碱金属高温热管,加热棒圆孔用于插设加热棒,热管圆孔、堆芯模拟基体以及部分加热棒圆孔的内壁上均设有热电偶,部分碱金属高温热管上设置有阀门,通过阀门控制碱金属高温热管失效;冷却套管,设置在保护壳的顶部,且设在碱金属高温热管上,冷却套管与冷水机连通,冷却水管路的进口与出口处也分别设置有热电偶,冷却水管路上设有流量计;数据采集系统,分别与热电偶和流量计连接。本发明用于开展热管管束失效实验,验证多用途热管堆核动力技术可行性。

Description

一种高温热管管束失效实验装置
技术领域
本发明涉及反应堆试验技术领域,更具体的说是涉及一种高温热管管束失效实验装置。
背景技术
热功率在兆瓦至百兆瓦级别的微小型与小型核能系统具有体积小、重量轻、供能品质高、能源输出时间长等特点,能够作为空天飞行器、水面舰艇、列车车辆等移动运输工具的可靠动力来源。近年来,热管冷却式固态反应堆凭借其结构简单、可靠性高、功率密度大的特点,成为了微小型核能系统的研究热点。得益于其不再依赖泵向堆芯传送冷却剂的特性,因而非常适合应用于需要移动部署的场景。
然而热管反应堆属于新技术,其技术可行性有待进一步验证。单管失效、冷端故障等事故工况下固态热管反应堆的安全性能是固态热管反应堆技术研究的关键问题,需要重点分析考虑。然而对于单管失效、冷端故障等事故特性的研究仍停留在简单的数值模拟之上,绝大多数的数值模拟采用直接将失效热管处的对流换热系数h设置为0,这与实际情况差别巨大,国内外缺少对于高温热管管束出现单管失效、冷端故障等事故的实验研究,缺少相关实验数据用于验证数值模拟方法的准确性。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种高温热管管束失效实验装置,旨在解决上述背景技术中的问题,用于开展热管管束失效实验,实现出现单管失效、冷端故障等事故工况时堆芯基体及热管管束的运行特性的测量,验证多用途热管堆核动力技术可行性,为热管反应堆热管事故工况数值模拟提供实验依据。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明提供一种高温热管管束失效实验装置,包括:
保护壳;
堆芯模拟基体,设置在所述保护壳内,所述堆芯模拟基体上设置有多个热管圆孔和多个加热棒圆孔,所述热管圆孔用于插设碱金属高温热管,所述加热棒圆孔用于插设加热棒,每个所述加热棒圆孔内的所述加热棒均与程控电源连接,所述热管圆孔的内壁上、堆芯模拟基体上以及部分所述加热棒圆孔的内壁上均设置有热电偶,部分所述碱金属高温热管上设置有阀门,通过阀门的开启能够控制阀门所在的碱金属高温热管失效;
冷却套管,设置在所述保护壳的顶部,且所述冷却套管套设在所述碱金属高温热管上,所述冷却套管通过两个冷却水管路与冷水机循环连通,用于给所述碱金属高温热管提供冷阱,所述冷却水管路的进口与出口处也分别设置有热电偶,所述冷却水管路上设置有流量计;
数据采集系统,分别与所述热电偶和流量计连接。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,所述保护壳包括从下至上依次连接的底座、壳体和顶盖,所述堆芯模拟基体设于所述壳体的内部,所述冷却套管连接在所述顶盖上。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,所述壳体内填充有保温材料。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,所述壳体的侧壁上设置有穿线孔。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,所述冷却套管包括外套管以及穿设在外套管上的内套管,所述内套管的两端均延伸出所述外套管的两端,所述内套管的数量与所述碱金属高温热管的数量相等,且所述内套管套设在碱金属高温热管上,每个所述内套管的侧壁内设置有气腔,所述气腔与气源通过气源管路连通,所述外套管与所述内套管的外壁之间形成水腔,所述水腔通过所述冷却水管路与冷水机循环连通。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,所述碱金属高温热管内烧结有丝网吸液芯。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,所述热管圆孔的内壁上具有用于设置所述热电偶的凹槽,所述堆芯模拟基体上具有用于设置所述热电偶的安置孔,以及设置有热电偶的所述加热棒圆孔的内壁上也设置有用于设置热电偶的凹槽。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,还包括移动架,所述保护壳设置在所述移动架上。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,所述程控电源能够输出不同电压,用于给不同的所述加热棒提供不同的加热功率。
经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本发明公开提供了一种高温热管管束失效实验装置,堆芯模拟基体模拟热管堆固态堆芯单个栅元,在堆芯模拟基体上布置多个加热棒模拟单个固态热管反应堆栅元内燃料棒分布,通过调节加热棒功率可模拟堆芯的功率变化。利用在堆芯模拟基体上布置的多个碱金属高温热管组成管束,其中部分碱金属高温热管带有阀门用于模拟热管失效情况,利用冷却套管及冷却水管路模拟不同的冷却条件,通过数据采集系统实现堆芯模拟基体温度分布、热管运行性能、冷却水进出口温度、冷却水流量的关键实验参数测量。该实验装置用于开展热管管束失效实验,实现出现单管失效、冷端故障等事故工况时堆芯基体及热管管束的运行特性的测量,验证多用途热管堆核动力技术可行性,为热管反应堆热管事故工况数值模拟提供实验依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的高温热管管束失效实验装置的结构示意图;
图2为本发明提供的程控电源、保护壳、加热棒、堆芯模拟基体、碱金属高温热管和冷却套管的连接结构示意图;
图3为本发明提供的堆芯模拟基体的结构示意图;
图4为本发明提供的冷却套管的结构示意图。
图中:1为程控电源;2为保护壳;21为底座;22为壳体;23为顶盖;3为加热棒;4为堆芯模拟基体;5为碱金属高温热管;6为冷却套管;61为外套管;62为内套管;7为冷却水管路;8为流量计;9为冷水机;10为数据采集系统;11为移动架;12为热电偶;13为气腔;14为水腔;15为气源管路;16为热管圆孔;17为加热棒圆孔。
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,所描述的实施例仅仅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。
参见图1-3,本发明实施例公开了一种高温热管管束失效实验装置,包括:保护壳2、堆芯模拟基体4、冷却套管6和数据采集系统10。
堆芯模拟基体4设置在保护壳2内,堆芯模拟基体4上设置有多个热管圆孔16和多个加热棒圆孔17,热管圆孔16用于插设碱金属高温热管5,加热棒圆孔17用于插设加热棒3,每个加热棒圆孔17内的加热棒3均与程控电源1连接,热管圆孔16的内壁上、堆芯模拟基体4上以及部分加热棒圆孔17的内壁上均设置有热电偶12,部分碱金属高温热管5上设置有阀门,通过阀门的开启能够控制阀门所在的碱金属高温热管5失效;
冷却套管6设置在保护壳2的顶部,且冷却套管6套设在碱金属高温热管5上,冷却套管6通过两个冷却水管路7与冷水机9循环连通,用于给碱金属高温热管5提供冷阱,冷却水管路7的进口与出口处也分别设置有热电偶12,冷却水管路7上设置有流量计8;
数据采集系统10分别与热电偶12和流量计8连接。
在本实施例中,优选地,堆芯模拟基体4为正六边形结构,具体参见图3(图3中黑点表示热电偶12的分布位置),堆芯模拟基体4的高度为30cm,其中,图3中,同一点表示分布两个热电偶12,分别分布在堆芯模拟基体4高度的1/3和2/3处,堆芯模拟基体4的材料为410马氏体不锈钢,堆芯模拟基体4上有7个热管圆孔16和30个加热棒圆孔17,加热棒圆孔17的直径为17.5mm,利用7个碱金属高温热管5组成管束,其中,堆芯模拟基体4最外层一圈为18个加热棒圆孔17,次外层为6个热管圆孔16和6个加热棒圆孔17交替布置的结构,堆芯模拟基体4中心位置设置有一个热管圆孔16,在中心位置的热管圆孔16与次外层之间设置有6个加热棒圆孔17,以此形成最外层为18个加热棒圆孔17,最外层的内部设置有12个加热棒圆孔17,利用30根加热棒3模拟单个固态热管反应堆栅元内燃料棒分布,具体地,最外层的18个加热棒圆孔17内的加热棒3的加热功率是内部12个加热棒圆孔17内的加热棒3的加热功率的1/2,通过调节加热棒3功率从而模拟热管堆基本栅元的实际功率情况。
参见图3,优选地,在堆芯模拟基体4中心位置处的热管圆孔16,以及图3中的中心位置上侧的热管圆孔16的直径相较于其它的热管圆孔16的直径大于0.5mm,也只在这两个热管圆孔16内的碱金属高温热管5上设置有阀门,将这两处的热管圆孔16设置成大于其它热管圆孔16的目的在于,在碱金属高温热管5和热管圆孔16内填充石墨粉,使得碱金属高温热管5高温工作受热膨胀变形时依旧可以从堆芯模拟基体4内拔出,在其中两个碱金属高温热管5上设置有阀门,可通过打开阀门,破坏碱金属高温热管5内真空环境,使得碱金属高温热管5发生失效,通过热电偶12的测量,进行堆芯模拟基体4温度分布的测量,在本实施例中,热电偶12采用K型热电偶。
需要说明的是,本发明利用堆芯模拟基体4模拟热管堆固态堆芯单个栅元,在堆芯模拟基体4上布置30个加热棒3模拟单个固态热管反应堆栅元内燃料棒分布,通过调节加热棒3功率可模拟堆芯的功率变化,利用在堆芯模拟基体4上布置的7个碱金属高温热管5组成管束,碱金属高温热管5以高纯钠为工质,其中两个碱金属高温热管5带有阀门用于模拟热管失效情况,利用冷却套管6及冷却水管路7模拟不同的冷却条件,通过数据采集系统10实现堆芯模拟基体4温度分布、热管运行性能、冷却水进出口温度、冷却水流量的关键实验参数测量。该实验装置用于开展热管管束失效实验,实现出现单管失效、冷端故障等事故工况时堆芯基体及热管管束的运行特性的测量,验证多用途热管堆核动力技术可行性,为热管反应堆热管事故工况数值模拟提供实验依据。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,保护壳2包括从下至上依次连接的底座21、壳体22和顶盖23,堆芯模拟基体4设于壳体22的内部,冷却套管6连接在顶盖23上。具体地,底座21和顶盖23分别通过法兰盘与壳体22连接,堆芯模拟基体4固定在壳体22内。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,壳体22内填充有保温材料。保温材料采用纳米保温材料,用于装置的隔热保温。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,壳体22的侧壁上设置有穿线孔。传输线孔的设置用于将热电偶12的线引出壳体22,便于将热电偶12的线与壳体22外的数据采集系统10连接。
参见图4,根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,冷却套管6包括外套管61以及穿设在外套管61上的内套管62,内套管62的两端均延伸出外套管61的两端,内套管62的数量与碱金属高温热管5的数量相等,且内套管62套设在碱金属高温热管5上,每个内套管62的侧壁内设置有气腔13,气腔13与气源通过气源管路15连通,外套管61与内套管62的外壁之间形成水腔14,水腔14通过冷却水管路7与冷水机9循环连通。使用时在气腔13内充有保压的保护气体,用于避免碱金属高温热管5由于冷凝段冷却能力过强导致难以启动,外套管61与冷却水管路7连接,通过冷却水源源不断地带走碱金属高温热管5传递的热量。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,碱金属高温热管5内烧结有丝网吸液芯。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,热管圆孔16的内壁上具有用于设置热电偶12的凹槽,堆芯模拟基体4上具有用于设置热电偶12的安置孔,以及设置有热电偶12的加热棒3圆孔的内壁上也设置有用于设置热电偶12的凹槽。通过凹槽和安置孔的设置,便于热电偶12的布置。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,还包括移动架11,保护壳2设置在移动架11上。移动架11的设置便于实验装置的移动。
根据本发明提供的高温热管管束失效实验装置,程控电源1能够输出不同电压,用于给不同的加热棒3提供不同的加热功率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种高温热管管束失效实验装置,其特征在于,包括:
保护壳;
堆芯模拟基体,设置在所述保护壳内,所述堆芯模拟基体上设置有多个热管圆孔和多个加热棒圆孔,所述热管圆孔用于插设碱金属高温热管,所述加热棒圆孔用于插设加热棒,每个所述加热棒圆孔内的所述加热棒均与程控电源连接,所述热管圆孔的内壁上、堆芯模拟基体上以及部分所述加热棒圆孔的内壁上均设置有热电偶,部分所述碱金属高温热管上设置有阀门,通过阀门的开启能够控制阀门所在的碱金属高温热管失效;
冷却套管,设置在所述保护壳的顶部,且所述冷却套管套设在所述碱金属高温热管上,所述冷却套管通过两个冷却水管路与冷水机循环连通,用于给所述碱金属高温热管提供冷阱,所述冷却水管路的进口与出口处也分别设置有热电偶,所述冷却水管路上设置有流量计;
数据采集系统,分别与所述热电偶和流量计连接。
2.根据权利要求1所述的高温热管管束失效实验装置,其特征在于,所述保护壳包括从下至上依次连接的底座、壳体和顶盖,所述堆芯模拟基体设于所述壳体的内部,所述冷却套管连接在所述顶盖上。
3.根据权利要求2所述的高温热管管束失效实验装置,其特征在于,所述壳体内填充有保温材料。
4.根据权利要求2所述的高温热管管束失效实验装置,其特征在于,所述壳体的侧壁上设置有穿线孔。
5.根据权利要求1所述的高温热管管束失效实验装置,其特征在于,所述冷却套管包括外套管以及穿设在外套管上的内套管,所述内套管的两端均延伸出所述外套管的两端,所述内套管的数量与所述碱金属高温热管的数量相等,且所述内套管套设在碱金属高温热管上,每个所述内套管的侧壁内设置有气腔,所述气腔与气源通过气源管路连通,所述外套管与所述内套管的外壁之间形成水腔,所述水腔通过所述冷却水管路与冷水机循环连通。
6.根据权利要求1所述的高温热管管束失效实验装置,其特征在于,所述碱金属高温热管内烧结有丝网吸液芯。
7.根据权利要求1所述的高温热管管束失效实验装置,其特征在于,所述热管圆孔的内壁上具有用于设置所述热电偶的凹槽,所述堆芯模拟基体上具有用于设置所述热电偶的安置孔,以及设置有热电偶的所述加热棒圆孔的内壁上也设置有用于设置热电偶的凹槽。
8.根据权利要求1所述的高温热管管束失效实验装置,其特征在于,还包括移动架,所述保护壳设置在所述移动架上。
9.根据权利要求1所述的高温热管管束失效实验装置,其特征在于,所述程控电源能够输出不同电压,用于给不同的所述加热棒提供不同的加热功率。
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