CN117936133A - 一种铅基快堆堆芯热工水力试验段 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铅基快堆堆芯热工水力试验段，包括：流道壳体，流道壳体呈筒状，包括至少两瓣分体件，各分体件沿周向拼接，连接形成筒状的壳体；支撑组件，设置在壳体内，以及电加热棒束组件，包括电加热棒，电加热棒插入流道壳体内并穿过支撑组件进行定位。流道壳体设计为拼接组装结构，可以将支撑组件夹持固定，还可以此满足了铅基快堆堆芯中燃料组件复杂蜂窝状结构加工精度要求，降低安装难度与复杂程度，简化安装过程，提升时效性与便利性。

Description

一种铅基快堆堆芯热工水力试验段

技术领域

本发明涉及核电领域，更具体地说，涉及一种铅基快堆堆芯热工水力试验段。

背景技术

铅基快堆作为第四代核能系统中优选堆型之一，具有固有安全、自然循环能力强、易小型化模块化等显著特点，可作为小型堆满足海水淡化、工业供汽、偏远地区的供电供热、余电制氢等需求，得到世界各国的广泛关注。

对于铅基快堆堆芯热工水力试验段，目前已公开的文献中，国外起步较早，且在搭建的实验台架上已进行了铅铋在电加热棒束组件中的阻力特性、传热实验研究，国内目前仅针对带绕丝燃料组件模拟件的阻力特性开展了相关研究。

为了研究铅基快堆堆芯内燃料组件间的热工水力特性，因空间体积以及经济性的限制在实践中无法直接按照原型进行引用，需要进行一定程度的简化但又不能影响整体的模拟。

对于压水堆以及钠冷快堆燃料组件间热工水力特性试验用的堆芯试验段，目前主要为竖直段外筒体内安装电加热棒束的结构形式，通过法兰盖等作为封头，流道外筒体多为一体式结构，但由于铅基快堆堆芯热工水力试验段的电加热棒束组件长度较长(大于3m)，因此在受力或存在非均匀温度变化的情况下，电加热棒轴线在垂直于轴线方向上产生的线位移较大(即挠度较大)，电加热棒束组件的限位结构加工精度要求高，且流道外筒体采用一体式结构时电加热棒束组件的安装定位工艺复杂较难实现，一体式结构已无法满足需求。

对于铅基快堆堆芯内燃料组件间热工水力特性的测量，目前测量壁温热电偶的安装方式包括通过金属薄片焊接以固定在电加热棒束包壳外壁上，或预埋在电加热棒束包壳内；测量流道热电偶的安装方式主要是固定在格架接口上。热电偶数量庞大时，传统方式存在安装定位复杂，且由于存在固定的辅助结构会占用相当的流道面积与传热面积，造成所模拟的热工水力特性与真实情况存在一定程度上的偏差，辅助结构在电加热棒束组件紧凑式布置中也存在实现困难的问题。因此，有必要针对铅基快堆提供一种安装便利、结构简单、经济好用的堆芯热工水力试验段。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种铅基快堆堆芯热工水力试验段。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种铅基快堆堆芯热工水力试验段，包括：

流道壳体，所述流道壳体呈筒状，包括至少两瓣分体件，各所述分体件沿周向拼接，连接形成筒状的所述流道壳体；

支撑组件，设置在所述壳体内，以及

电加热棒束组件，包括电加热棒，所述电加热棒插入所述流道壳体内并穿过所述支撑组件进行定位。

在一些实施例中，所述支撑组件包括在所述流道壳体内沿轴向由上至下间隔分布的上端塞、中格架、下支撑板，所述定位结构包括在所述上端塞、中格架、下支撑板上设置的定位孔。

在一些实施例中，所述分体件的内壁面上设有分别卡合定位所述上端塞、中格架、下支撑板的定位槽。

在一些实施例中，位于所述上端塞上方的所述流道壳体上设有通气孔。

在一些实施例中，所述试验段还包括设置在所述流道壳体上端的外部壳体；

所述外部壳体包括锥形壳体、上支撑板、连接法兰、连接结构，所述锥形壳体的上端外形大于下端外形，所述上支撑板、连接法兰分别设置在所述锥形壳体上下两端，所述上支撑板、连接法兰上分别设有供电加热棒穿过到所述流道壳体的通过孔，所述连接结构设置在所述锥形壳体的下端与所述流道壳体的上端连接。

在一些实施例中，所述上支撑板的上侧设有法兰盖，所述法兰盖上设有供所述电加热棒电性连接的电气接口，所述电加热棒伸出所述法兰盖的电气接口，所述法兰盖的外侧设有将伸出的所述电加热棒固定的卡套。

在一些实施例中，所述连接结构包括与所述流道壳体的上端锁合连接的锁合孔。

在一些实施例中，所述试验段还包括设置在所述流道壳体下端的入口结构，供冷却剂通过流进所述流道壳体。

在一些实施例中，所述入口结构包括与所述流道壳体的下端连接的支撑环，以及设置在所述支撑环上对进入所述流道壳体的冷却剂过滤的过滤板。

在一些实施例中，所述电加热棒由下至上包括下端塞、加热主体、弯折段及电极，所述加热主体包括发热段和非发热段，所述发热段位于所述下支撑板与中格架之间的位置，所述弯折段位于所述锥形壳体内，向侧面倾斜，以增加相邻电加热棒之间的间距；

所述试验段还包括用于测温的测温组件，所述测温组件包括设置在所述电加热棒上测温的热电偶，所述热电偶包括用于测量所述电加热棒包壳壁面温度的第一测温部和用于测量通道流体温度的第二测温部，且所述第二测温部位于第一测温部的外侧。

实施本发明的一种铅基快堆堆芯热工水力试验段，具有以下有益效果：流道壳体设计为拼接组装结构，可以将支撑组件夹持固定，还可以此满足了铅基快堆堆芯中燃料组件复杂蜂窝状结构加工精度要求，降低安装难度与复杂程度，简化安装过程，提升时效性与便利性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中的堆芯热工水力试验段的立体结构示意图；

图2是图1中堆芯热工水力试验段插入电加热棒束组件时的剖面结构示意图；

图3是电加热棒束组件的俯视排布示意图；

图4是流道壳体的俯视方向剖面图；

图5是下支撑板与流道壳体的俯视组装示意图；

图6是外部壳体的剖面示意图；

图7是电加热棒的结构示意图；

图8是过滤板与流道壳体的组装示意图；

图9是测温组件安装在电加热棒上时的局部剖面示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明一个优选实施例中的堆芯热工水力试验段包括流道壳体1、支撑组件2、外部壳体3、入口结构4、电加热棒束组件5以及测温组件6，流道壳体1呈筒状，支撑组件2设置在流道壳体1内，外部壳体3设置在流道壳体1上端，入口结构4设置在流道壳体1下端，电加热棒束组件5由上至下插入外部壳体3到流道壳体1内，电加热棒束组件5穿过支撑组件2得到定位，冷却剂由下端的入口结构4流进流道壳体1内，测温组件6对电加热棒束组件5上的温度进行测量。

如图3所示，电加热棒束组件5的外边界为多边形，电加热棒束组件5的各电加热棒51棒束间距均匀，且间隙很小，布置十分紧凑。在本实施例中，可以对电加热棒束组件5的各电加热棒51进行分组控制，通过设计加热棒数量及表面热负荷，采用直流电源供电的方式，使总功率达到MW量级。通常，每根电加热棒51设计具有相同的电阻，可以通过施加不同的电流电压值从而获得不同的加热功率，以实现模拟实际堆芯中燃料组件不同的功率分布情况。

电加热棒51通过棒径、棒间距设计，控制冷却剂介质纵掠棒束流速、温升及棒束流动阻力，满足整体传热、强迫对流、自然对流相似准则数，实现对原型的良好模拟化。

在本实施例中，电加热棒束组件5以最内侧电加热棒51的轴心为中心，呈正多边形排布。电加热棒束组件5除最内侧电加热棒51外，还包括在外围设置的至少两层电加热棒51，且每层电加热棒51的数量由靠近中心侧向外侧逐层递增，以此来模拟从低功率至高功率不同条件下堆芯内燃料组件的热工水力特性。电加热棒束组件5通过相似原理来设计棒间距得到合适的流通面积以此获得与全堆芯内流体介质相同的流速，电加热棒51的直径也通过设计来减小表面热负荷，以此提高电加热棒束组件5可靠性。

优选地，结合图4所示，流道壳体1呈筒状，包括两瓣分体件11，各分体件11的断面呈弧形，各分体件11沿周向拼接，连接形成筒状的流道壳体1，当然，流道壳体1也可由两个以上的分体件拼接组装形成筒状结构。为满足复杂蜂窝状结构的加工精度要求，流道壳体1内侧的流道采用铣磨结合的加工工艺，流道壳体1设计为两瓣式结构。进一步地，流道壳体1设计为两瓣式结构，通过两瓣式结构拼接成型，可以将支撑组件2夹持固定，还可以此满足了铅基快堆堆芯中燃料组件复杂蜂窝状结构加工精度要求，降低安装难度与复杂程度，简化安装过程，提升时效性与便利性。

在一些实施例中，各分体件11采用榫槽面拼接方式，为避免焊接变形，有利于整体的组装及拆卸，组装过程中在接缝处点焊，同时流道壳体1两端的螺栓分别与外部壳体3和下部入口结构4连接，也能提供相应的紧固及支撑。完成组装后，在两道拼接接缝处进行激光焊接再次紧固。

具体地，再如图2所示，支撑组件2包括在流道壳体1内沿轴向由上至下间隔分布的上端塞21、中格架22、下支撑板23，支撑组件2上设有供电加热棒51穿过并定位的定位结构，定位结构包括在上端塞21、中格架22、下支撑板23上设置的定位孔A，在组装两分体件11时，可以将上端塞21、中格架22、下支撑板23夹持，再将两分体件11锁合固定，即可将上端塞21、中格架22、下支撑板23夹持定位。

在一些实施例中，为了让上端塞21、中格架22、下支撑板23能预定位，在分体件11的内壁面上设有分别卡合定位上端塞21、中格架22、下支撑板23的定位槽111，分别将上端塞21、中格架22、下支撑板23的外边卡入到定位槽111，再合拢两分体件11锁合。

上端塞21用于流体导流，将流经电加热棒束组件5的流体从竖直向上流动后水平向外流出流道壳体1折向水平的热管段，避免流体直接冲入堆容器上部空间，造成的流体泄露或者凝固。上端塞21为封闭式结构，预留出与电加热棒束组件5对应的定位孔A以允许电加热棒束组件5通过，并起到径向限位的作用。优选地，上端塞21的外径不小于流道壳体1的内径，在流道壳体1内设置相应的定位槽111进行限位固定。上端塞21上方的流道壳体1上设有通气孔，具体地，在本实施例中，流道壳体1与外部壳体3连接后，上端塞21与连接法兰33之间的结构是通气孔，通气孔与氩气空间联通平衡流道壳体1的内外压力。

如图5所示，下支撑板23上设置圆形的定位孔A对相应的电加热棒51进行支撑限位以及类多边形或圆形的过流孔B使流体过流，所有的电加热棒51均落在下支撑板23上。下支撑板23的定位孔A与电加热棒51底部下端塞511通过弹性连接，允许电加热棒51在加热后有一定的伸长空间，使得电加热棒51的变形尽可能不影响冷流体流道内流体的流通特性。下支撑板23的外径同样也不小于流道壳体1的内径，在流道壳体1内设置相应的定位槽111进行限位固定。

结合图2和图6所示，外部壳体3包括锥形壳体31、上支撑板32、连接法兰33、连接结构34，锥形壳体31的断面呈锥形，且上端外形大于下端外形，上支撑板32、连接法兰33分别设置在锥形壳体31上下两端，上支撑板32、连接法兰33上分别设有供电加热棒51穿过到流道壳体1的通过孔C，连接结构34设置在锥形壳体31的下端与流道壳体1的上端连接。

为使电加热棒51拆卸方便，锥形壳体31与上支撑板32间通过法兰进行连接；锥形壳体31侧壁设置一个热电偶线缆接口(未图示)，电加热棒束组件5的所有热电偶线缆均从此引出及密封。整个实验装置插入堆容器实验装置围筒安装时，可以通过堆容器实验装置围筒连接到连接法兰33进行支撑及密封。

在一些实施例中，连接结构34包括与流道壳体1的上端锁合连接的锁合孔，螺栓或螺钉穿过锁合孔，与流道壳体1连接，让外部壳体3通过连接结构34与流道壳体1通过螺栓连接，螺栓位于锥形壳体31内部，具体的规格尺寸需要根据实际承重确定。

上支撑板32的上侧设有法兰盖35，法兰盖35上设有供电加热棒51电性连接的电气接口351，电加热棒51伸出法兰盖35的电气接口351，法兰盖35的外侧设有将伸出的电加热棒51固定的卡套352。

电加热棒束组件5需从上支撑板32、与连接法兰33向下插入，电加热棒51的基本型式均为单头管状形式，电极514均从一端引出。为保证电气连接的便利性，将电气接口351布置在法兰盖35上。具体地，法兰盖35上开设有电加热棒束组件5相应的电气接口351，电加热棒束组件5固定于电气接口351内并伸出法兰盖35外，电加热棒束组件5伸出法兰盖35的一端通过安装卡套352进行固定，将电加热棒51与上支撑板32连接，电极514接线连接在防爆接线盒或就地接线箱。再次参看图2，电加热棒束组件5需贯穿数层径向限位及支撑组件2，因此电加热棒51外表面设计为光滑表面，满足相应的粗糙度要求。

如图7所示，电加热棒51由下至上包括下端塞511、加热主体512、弯折段513及电极514，加热主体512包括发热段5121和非发热段5122，优选地，发热段5121位于下支撑板23与中格架22之间的位置，这样可以使电加热棒51释放热量的位置在流道壳体1中更贴近堆芯工作时燃料组件在堆容器中的位置，从而达到准确模拟燃料组件的释热情况，以方便对铅基快堆堆芯的热工水力特性开展实验研究。

由于在流道壳体1内，电加热棒51间距较小，弯折段513位于锥形壳体31内，向侧面倾斜，以增加相邻电加热棒51之间的间距，可以为卡套352连接和电气接头连接留出足够空间。弯折角度需小于电加热棒51制造工艺所允许的最大弯折角度，处于不同空间位置的电加热棒51弯折角度不同以实现弯折后电加热棒束组件5之间的间距仍保持均匀。

在一些实施例中，结合图2和图8所示，入口结构4包括与流道壳体1的下端连接的支撑环41，以及设置在支撑环41上对进入流道壳体1的冷却剂过滤的过滤板42。过滤板42的滤孔设计为圆形，按照正三角形排列，主要起到过滤作用，防止流体本身的杂质以及运行过程中产生的杂质进入流道，造成电加热棒51之间狭小间隙的堵塞。过滤板42通过支撑环41内侧设置的凹槽进行卡合固定并限位，方便过滤板42在检修过程中进行更换。

结合图9所示，测温组件6包括设置在电加热棒51上测温的热电偶，热电偶包括用于测量电加热棒51包壳壁面温度的第一测温部61和用于测量子通道流体温度的第二测温部62，均埋设在电加热棒51包壳内，优选地，第二测温部62位于第一测温部61的外侧，并随电加热棒51引出至堆容器外，热电偶线缆在锥形壳体31上通过开孔引出，通过铅封管实现密封。

固连在电加热棒51束上的第二测温部62用于测量子通道流体温度的端头部分，最终需要从电加热棒51包壳所开槽内竖起，并且测量子通道流体温度的热电偶在电加热棒51包壳上开槽需相比其端头延伸一段，保证在穿过数层径向限位支撑前其表面不超出电加热棒51包壳的外侧轮廓。

用于测量子通道流体温度的第二测温部62的布置位置考虑在不同功率的电加热棒51束相邻子通道内设置；用于测量包壳壁面温度的第一测温部61的布置位置从不同功率电加热棒51束相邻位置以及工作环境较恶劣的电加热棒51两方面考虑。

本发明中除包壳壁面测温热电偶采用预埋在电加热棒51束包壳内的方式外，子通道流体测温热电偶线缆也采用预埋在电加热棒51束包壳内的方式，不需要单独设置格架等辅助结构，降低热电偶数量较多时的安装定位难度，提升所模拟热工水力特性与真实情况的相似性。

本发明所提供的一种铅基快堆堆芯热工水力试验段加工装配流程主要分为：

1、电加热棒束组件5中各个电加热棒51按照所处空间位置单独进行设计加工，并完成固连在电加热棒51上的热电偶的布置；

2、加工工装固定电加热棒51间支撑组件2中的上端塞21、中格架22、下支撑板23，使其相对距离与实际安装一致；

3、按照从中心至外围的顺序依次将电加热棒51穿过支撑组件2，电加热棒51的下端塞511到达下支撑板23上预留出的定位孔A；

4、每根电加热棒51安装到位后，需确保周向角度准确，并将测量子通道流体温度的第二测温部62从电加热棒51的包壳表面竖起；

5、电加热棒束组件5全部安装到位后，外部壳体3从下至上套过电加热棒束组件5，将锥形壳体31与上支撑板32通过法兰进行连接；

6、热电偶线缆全部从外部壳体3的开孔引出并通过铅封管实现密封；

7、将两瓣式流道壳体1的分体件11与电加热棒束组件5进行拼接并实现紧密接触，两瓣式流道壳体1的分体件11的两道接缝处通过激光焊接固定；

8、将流道壳体1与外部壳体3通过螺栓进行连接。

9、将装配完成的堆芯热工水力试验段通过吊装安装到堆容器中预留的位置，由与堆容器连接法兰33进行堆芯热工水力试验段的限位紧固。

可以理解地，上述各技术特征可以任意组合使用而不受限制。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种铅基快堆堆芯热工水力试验段，其特征在于，包括：

流道壳体(1)，所述流道壳体(1)呈筒状，包括至少两瓣分体件(11)，各所述分体件(11)沿周向拼接，连接形成筒状的所述流道壳体(1)；

支撑组件(2)，设置在所述壳体内，以及

电加热棒束组件(5)，包括电加热棒(51)，所述电加热棒(51)插入所述流道壳体(1)内并穿过所述支撑组件(2)进行定位。

2.根据权利要求1所述的铅基快堆堆芯热工水力试验段，其特征在于，所述支撑组件(2)包括在所述流道壳体(1)内沿轴向由上至下间隔分布的上端塞(21)、中格架(22)、下支撑板(23)，所述定位结构包括在所述上端塞(21)、中格架(22)、下支撑板(23)上设置的定位孔(A)。

3.根据权利要求2所述的铅基快堆堆芯热工水力试验段，其特征在于，所述分体件(11)的内壁面上设有分别卡合定位所述上端塞(21)、中格架(22)、下支撑板(23)的定位槽(111)。

4.根据权利要求2所述的铅基快堆堆芯热工水力试验段，其特征在于，位于所述上端塞(21)上方的所述流道壳体(1)上设有通气孔。

5.根据权利要求1所述的铅基快堆堆芯热工水力试验段，其特征在于，所述试验段还包括设置在所述流道壳体(1)上端的外部壳体(3)；

所述外部壳体(3)包括锥形壳体(31)、上支撑板(32)、连接法兰(33)、连接结构(34)，所述锥形壳体(31)的上端外形大于下端外形，所述上支撑板(32)、连接法兰(33)分别设置在所述锥形壳体(31)上下两端，所述上支撑板(32)、连接法兰(33)上分别设有供电加热棒(51)穿过到所述流道壳体(1)的通过孔(C)，所述连接结构(34)设置在所述锥形壳体(31)的下端与所述流道壳体(1)的上端连接。

6.根据权利要求5所述的铅基快堆堆芯热工水力试验段，其特征在于，所述上支撑板(32)的上侧设有法兰盖(35)，所述法兰盖(35)上设有供所述电加热棒(51)电性连接的电气接口(351)，所述电加热棒(51)伸出所述法兰盖(35)的电气接口(351)，所述法兰盖(35)的外侧设有将伸出的所述电加热棒(51)固定的卡套(352)。

7.根据权利要求5所述的铅基快堆堆芯热工水力试验段，其特征在于，所述连接结构(34)包括与所述流道壳体(1)的上端锁合连接的锁合孔。

8.根据权利要求1所述的铅基快堆堆芯热工水力试验段，其特征在于，所述试验段还包括设置在所述流道壳体(1)下端的入口结构(4)，供冷却剂通过流进所述流道壳体(1)。

9.根据权利要求8所述的铅基快堆堆芯热工水力试验段，其特征在于，所述入口结构(4)包括与所述流道壳体(1)的下端连接的支撑环(41)，以及设置在所述支撑环(41)上对进入所述流道壳体(1)的冷却剂过滤的过滤板(42)。

10.根据权利要求2至9任一项所述的铅基快堆堆芯热工水力试验段，其特征在于，所述电加热棒(51)由下至上包括下端塞(511)、加热主体(512)、弯折段(513)及电极(514)，所述加热主体(512)包括发热段(5121)和非发热段(5122)，所述发热段(5121)位于所述下支撑板(23)与中格架(22)之间的位置，所述弯折段(513)位于所述锥形壳体(31)内，向侧面倾斜，以增加相邻电加热棒(51)之间的间距；

所述试验段还包括用于测温的测温组件(6)，所述测温组件(6)包括设置在所述电加热棒(51)上测温的热电偶，所述热电偶包括用于测量所述电加热棒(51)包壳壁面温度的第一测温部(61)和用于测量通道流体温度的第二测温部(62)，且所述第二测温部(62)位于第一测温部(61)的外侧。