CN118098655A - 一种热管微堆模拟电加热棒及试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种热管微堆模拟电加热棒，包括壳体与加热组件，其中壳体包括钛合金外包壳与不锈钢内包壳；加热组件包括加热丝与芯体，加热丝周向缠绕于芯体并在芯体轴向上成非均匀分布，芯体嵌套在内包壳内并使加热丝抵接在内包壳的内表面。该热管微堆模拟电加热棒能够持续模拟功率在轴向成非均匀分布的热管微堆燃料棒高温发热状态，优化热管微堆的设计与验证工作。本发明还提供一种热管微堆模拟试验装置。
Description
技术领域
本发明属于核电领域，具体涉及一种热管微堆模拟电加热棒及试验装置。
背景技术
热管微堆有别于目前民用核电常用的压水堆，属于一种新型小型反应堆系统，反应堆堆芯不通过液态冷却剂而是通过热管将燃料裂变产生的热量输出。热管微堆通常功率不超过20MWt，具有体积小、能量密度大、功率输出稳定等优点，容易实现分布式快速部署，在国防、海洋开发、灾害救援等领域具有广泛的应用场景。由于热管微堆的结构与传统反应堆具有较大差异，燃料棒的功率分布、服役工况等均与现有压水堆不同，现有压水堆中的燃料棒功率测试结果不能适用于热管微堆，需要针对热管微堆开展专门的系统性试验以对设计方案进行验证。因此，提供一种与热管微堆功率输出特征相一致的模拟电加热棒对于完善热管微堆验证试验方法、优化热管微堆设计方案具有积极意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热管微堆模拟电加热棒，模拟热管微堆燃料棒的功率输出特征。本发明还提供一种热管微堆模拟试验装置。
根据本发明一个方面的实施例，提供一种热管微堆模拟电加热棒，包括壳体与加热组件，其中所述壳体包括内包壳与外包壳，所述内包壳配置为不锈钢包壳，所述外包壳配置为钛合金包壳；所述加热组件包括加热丝与芯体，所述加热丝周向缠绕于所述芯体，并在所述芯体轴向上成非均匀布置；所述芯体嵌套于所述内包壳内并使所述加热丝抵接于所述内包壳的内表面。
由于热管微堆中缺少液态冷却剂，电加热棒在模拟试验过程中无法通过一回路的冷却介质降温，双层壳体结构能够有效提高高温工况下加热棒的使用寿命；不锈钢内包壳具有良好的高温力学性能，钛合金外包壳则具有良好的高温化学稳定性；非均匀布置的加热丝能够准确地模拟热管微堆中燃料棒的实际功率分布，从而提高模拟的准确性。
进一步地，在部分实施例中，所述加热丝采用Cr20Ni80合金制造。Cr20Ni80材料具有良好的高温性能，可靠性高。
进一步地，在部分实施例中，所述芯体配置为陶瓷芯体。
进一步地，在部分实施例中，所述加热组件与所述内包壳之间填充有绝缘材料。绝缘材料能够避免缠绕在芯体上的加热丝短路，提高电加热棒的可靠性。
进一步地，在部分实施例中，所述绝缘材料配置为氧化镁或氧化铝粉末。
进一步地，在部分实施例中，所述热管微堆模拟电加热棒采用单端供电，在供电的一端，所述壳体的端部设置有硅油与硅脂密封。单端供电能够简化线路布置，同时降低壳体的密封需求。
进一步地，在部分实施例中，该热管微堆模拟电加热棒还包括热电偶，所述热电偶配置有至少五个并沿轴向设置与所述外包壳表面。
进一步地，在部分实施例中，所述热管微堆模拟电加热棒的额定功率不低于1300W，额定工作温度不低于750℃。
进一步地，在部分实施例中，所述热管微堆模拟电加热棒稳态干烧下至少72h不发生输出功率变化，干烧耐久测试烧毁前工作时间不少于1000h。
根据本发明另一个方面的实施例，提供一种热管微堆模拟试验装置，该装置包括堆芯试验件，其中所述堆芯试验件包括堆芯基体与模拟电加热棒，所述模拟电加热棒穿设于所述堆芯基体中，其中所述模拟电加热棒采用前述任一实施例中所提供的热管微堆模拟电加热棒。
附图说明
图1为一实施例中热管微堆模拟电加热棒的结构示意图；
图2为一实施例中热管微堆模拟试验装置局部结构示意图。
上述附图的目的在于对本发明作出详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。为了表达简洁，上述附图仅示意性地画出了与本发明技术特征有关的结构，并未严格按照实际比例画出完整结构与全部细节。
具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图对本发明作出进一步的详细说明。
本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。
本文的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，可以是活动连接，也可以是固定连接或成一体。对本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
本文的描述中，“上”、“下”、“左”、“右”、“横向”、“纵向”、“高度”、“长度”、“宽度”等指示方位或位置关系的术语目的在于准确描述实施例和简化描述，而非限定所涉及的零件或结构必须具有特定的方位、以特定方位安装或操作，不能理解为对本文中实施例的限制。
本文的描述中，“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同对象，而不能理解为指示相对重要性或限定所描述技术特征的数量、特定顺序或主次关系。本文的描述中，“多个”的含义是至少两个。
热管微堆利用热管相变传热原理，将反应堆堆芯中的裂变放热通过非能动的形式导出发电，由于堆芯采用静态传热，没有传统的容纳有高压液态冷却剂的一回路，因此有效实现了设备结构简化，使反应堆具有更好的固有安全性。热管微堆的传热路径与传统核反应堆差异很大，燃料棒产热后传导至金属基体，并进一步传导至高温热管蒸发端，通过钠蒸汽传热至热管冷凝端，最后由开式布雷顿循环的空气移出至大气环境中。燃料组件、金属基体格栅的传热特性、机械特性及热变形等参数，对于热管微堆的设计与验证十分重要。与传统反应堆相比，热管微堆的运行温度更高，模拟燃料棒的加热装置也需要具有更好的高温力学性能和可靠性。
本发明一个方面的实施例提供一种热管微堆模拟电加热棒，能够准确模拟热管微堆中燃料棒的功率分布，从而提高热管微堆模拟试验的精度。
在一个实施例中，如图1所示，模拟电加热棒1包括壳体与加热组件，其中壳体包括外包壳11与内包壳12，外包壳11与内包壳12相互嵌套并紧密连接，以避免外包壳11与内包壳12之间存在间隙影响传热；加热组件包括芯体13和缠绕在芯体13上的加热丝14，芯体13嵌套于内包壳12内，使缠绕在13上的加热丝14抵接在内包壳12的内表面，提高传热效率。为了使模拟电加热棒1的轴向功率分布与实际热管微堆中燃料棒的功率分布特征相一致，加热丝14在芯体13表面成非均匀布置，具体地靠近芯体13端部区域的加热丝14缠绕的密度较低，而芯体13中部区域的加热丝14缠绕的密度较高。
外包壳11采用钛合金制造，内包壳12采用316不锈钢无缝热轧管制造，在长期高温服役条件下，钛合金制造的外包区11有良好的高温化学稳定性，抗氧化性能较高；而316不锈钢制造的内包壳12具有良好的高温力学性能与抗蠕变性能，使包壳整体具有良好的结构强度。
在优选实施例中，加热丝14采用Cr20Ni80合金制造，从而具有良好的持续发热性能与可靠性。芯体13则配置为陶瓷芯体，通常陶瓷热膨胀系数低于金属，芯体13能够在长期高温服役条件下为加热丝14提供支撑并避免包壳承受过高的热应力。在优选实施例中，芯体13与内包壳12之间的间隙17中填充有绝缘材料以避免加热丝14工作过程中发生短路。在进一步的优选实施例中，绝缘材料采用耐热的氧化镁或氧化铝粉末。
模拟电加热棒1的一端配置为全封闭的端塞15，端塞15采用用外包壳11相同的钛合金制造，以确保高温抗氧化性能。在一些实施例中端塞15与外包壳11焊接连接，在另一些实施例中则可以采用与外包壳11一体成型的方式制造。模拟电加热棒1的另一端则设置有正电极18与负电极19，采用单端供电的方式为加热丝14供电。这一端的端塞16上设置有通孔以容许正电极18和负电极19穿过，通孔的孔壁与正电极18、负电极19之间则填充有轻质硅油和硅脂进行绝缘密封。
在优选实施例中，结构如图1所示的模拟电加热棒1的有效发热长度为1200mm，外径为19mm，外包壳11厚度为0.8mm，内包壳12厚度为0.9mm，直线度为0.2/1000，表面粗糙度0.63。在常压工况下，模拟电加热棒设计功率1378W，额定工作温度800℃。
沿模拟电加热棒1的轴向，在外包壳表面焊接设置有五个K型热电偶3，用于测定电加热棒1表面温度进而实时监测模拟点加热棒1的输出功率。K型热电偶3的标定温度为200℃-900℃，所有标定点达到I级精度。以模拟电加热棒1的端盖16为测量起点，五个K型热电偶的安装距离分别为250mm、500mm、750mm、1000mm和1250mm。
模拟电加热棒1具有良好的高温性能，在干烧耐久测试中，模拟电加热棒1在干烧烧毁前至少能够工作1000h。在模拟电加热棒1制造完成后，正式使用之前进行稳态干烧测试，经过72h干烧模拟电加热棒1的输出功率不发生变化，功能不受影响。
根据本发明另一个方面的实施例，提供一种热管微堆模拟试验装置，其局部结构如图2所示，包括堆芯基体2与模拟电加热棒1，模拟电加热棒1插入在整体呈六边形的堆芯基体2中，模拟燃料棒向技术基体的传热过程。其中，模拟电加热棒1采用前述任一实施例中所提供的模拟电加热棒。在不同实施例中，根据试验设计要求与试验条件，热管微堆模拟试验装置可以采用单个结构如图2所示的一个模拟电加热棒1与堆芯基体2组成的试验单体形式，也可以将多组试验单体组合起来共同进行试验。在不同实施例中，多个试验单体中的堆芯基体2可以采用如图2所示的独立结构，将多个独立的堆芯基体2以密铺方式组合在一起；也可以将多个堆芯基体2铸造或焊接为整体开展试验。
利用该试验装置，能够对热管微堆堆芯中，在燃料棒轴向功率不均匀分布的情况下，燃料棒包壳、堆芯的金属基体、热管等结构的高温力学性能、耐久性能以及事故工况下的可靠性，从而有效指导热管微堆的结构设计、方案验证及可靠性预测。
上述实施例的目的在于结合附图对本发明作出进一步的详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思。在本发明公开的范围内，对所涉及的零件结构进行优化或等效替换，以及在不发生结构与原理冲突的前提下对不同实施例中的实施方式进行结合，均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种热管微堆模拟电加热棒，包括壳体与加热组件，其特征在于，
所述壳体包括内包壳与外包壳，所述内包壳配置为不锈钢包壳，所述外包壳配置为钛合金包壳；
所述加热组件包括加热丝与芯体，所述加热丝周向缠绕于所述芯体，并在所述芯体轴向上成非均匀布置；所述芯体嵌套于所述内包壳内并使所述加热丝抵接于所述内包壳的内表面。
2.根据权利要求1所述的热管微堆模拟电加热棒，其特征在于，所述加热丝采用Cr20Ni80合金制造。
3.根据权利要求1或2所述的热管微堆模拟电加热棒，其特征在于，所述芯体配置为陶瓷芯体。
4.根据权利要求1或2所述的热管微堆模拟电加热棒，其特征在于，所述加热组件与所述内包壳之间填充有绝缘材料。
5.根据权利要求4所述的热管微堆模拟电加热棒，其特征在于，所述绝缘材料配置为氧化镁或氧化铝粉末。
6.根据权利要求1或2所述的热管微堆模拟电加热棒，其特征在于，所述热管微堆模拟电加热棒采用单端供电，在供电的一端，所述壳体的端部设置有硅油与硅脂密封。
7.根据权利要求1或2所述的热管微堆模拟电加热棒，其特征在于，还包括热电偶，所述热电偶配置有至少五个并沿轴向设置与所述外包壳表面。
8.根据权利要求1或2所述的热管微堆模拟电加热棒，其特征在于，所述热管微堆模拟电加热棒的额定功率不低于1300W，额定工作温度不低于750℃。
9.根据权利要求1或2所述的热管微堆模拟电加热棒，其特征在于，所述热管微堆模拟电加热棒稳态干烧下至少72h不发生输出功率变化，干烧耐久测试烧毁前工作时间不少于1000h。
10.一种热管微堆模拟试验装置，包括堆芯单体试验件，其特征在于，所述堆芯单体试验件包括堆芯基体与模拟电加热棒，所述模拟电加热棒穿设于所述堆芯基体中，其中所述模拟电加热棒采用权利要求1至9中任一所述的热管微堆模拟电加热棒。
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