CN203931518U - 一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件 - Google Patents

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Abstract

一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件，包括密封绝缘件、陶瓷内衬管、加热管三个主要部件，通过给加热管通电发热来模拟燃料元件的裂变热，进行相关的热工-水力特性研究；密封绝缘件由顶部高压密封法兰、密封绝缘垫片、中部不锈钢外管、底部高压密封法兰构成，不锈钢管与法兰焊接；陶瓷内衬管的形状为外圆内方，内部方形结构存在四个圆角；加热管中部由四根不锈钢管组成，顶部和底部分别是不锈钢电极和铜电极，与交流变压器相连通以交流电对加热管加热；加热管插入到陶瓷内衬管中，两部分的间隙为流通通道，流体在该通道内流动将加热管的发热量带走；密封绝缘件设置在陶瓷管外层，充当压力边界，实现在高温高压条件下的密封和电绝缘作用。

Description

一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件
技术领域
本实用新型涉及反应堆热工水力领域，具体涉及一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件。
背景技术
超临界水冷堆是第四代核能系统国际论坛所选定的六种第四代新型核反应堆之一，具有热效率高、安全性好、系统结构简单及燃料利用率高等优点，是未来发展前景非常光明的堆型之一。在反应堆热工水力方面，超临界水冷堆堆芯结构异常复杂，堆芯流道狭小，燃料棒承受兆瓦级高热流密度及强烈的热核耦合，使得超临界水冷堆堆芯热工水力特性的试验研究异常困难。传统试验研究的对象多是圆管、内螺纹管等锅炉常用管型，属于管内流动范畴；在反应堆堆芯，热量是由燃料元件棒产生并传递给周围流动的冷却剂，属于管外流动的范畴，与传统的管内流动和传热特性有显著区别。此外，管外流动与传热试验研究的最大困难在于设计合理的试验件结构，包括超高温高压条件下的密封和电绝缘问题，高热流密度下加热管的轴向热膨胀，加热管端部电极材料和结构设计，高压法兰的有效冷却以及流体流动形式和方向等等。受限于以上原因，高温高压条件下流体在堆芯典型通道中的管外流动特性研究异常困难。
发明内容
为了解决上述试验研究中存在的困难，本实用新型的目的在于提供一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件，在超临界水冷堆的额定运行工况下研究堆芯内的热工-水力特性。
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件，包括顶部不锈钢电极1，在顶部不锈钢电极1底部依次连接有加热管2、紫铜过渡件3、柔性铜线4和底部铜电极5，所述加热管2一端穿入顶部不锈钢电极1内的圆孔中，并与不锈钢电极1焊接为一体，所述加热管2的另一端与紫铜过渡件3焊接为一体，所述柔性铜线4与紫铜过渡件3及底部铜电极5通过物理压接的方法连接，所述顶部不锈钢电极1、加热管2、紫铜过渡件3、柔性铜线4和底部铜电极5构成了内部加热结构；在顶部不锈钢电极1和加热管2焊接端的外部、底部铜电极5和柔性铜线4物理压接端的外部分别设置有外法兰7，在两个外法兰7的内部分别通过螺栓连接有内法兰8，所述外法兰7和内法兰8间设有密封绝缘垫片9，所述外法兰7、内法兰8和密封绝缘垫片9构成了外部密封绝缘结构；在两个内法兰8间焊接有位于加热管2外部的不锈钢外管13，在所述不锈钢外管13的内壁插入陶瓷内衬管6，所述内部加热结构与陶瓷内衬管6间的空隙为流通通道，在柔性铜线4与不锈钢外管13之间加装有避免柔性铜线4与不锈钢外管13接触的绝缘陶瓷18，所述不锈钢外管13的底部和顶部分别开有孔径不等的圆孔作为流体进出口及取压口，底部的流体进出口及取压口分别与入口混合环室14和入口取压环室16焊接，顶部的流体进出口及取压口分别与出口混合环室15、出口取压环室17焊接。
所述外法兰7的外侧开有带螺纹的圆形槽，该圆形槽内填装有石墨填料10，通过黄铜压盖11旋转压紧石墨填料10，起到径向密封的作用。
所述外法兰7和内法兰8一侧均设有冷却水流通槽19，用以降低法兰温度，改善密封绝缘条件。
所述加热管2由四根等间距围合而成。
所述陶瓷内衬管6内孔截面形状为带圆角的正方形，圆角与四根加热管2保持相同的距离。
所述密封绝缘垫片9由三层组成，中间层为金属齿形垫片，上下各有一薄层绝缘材料。
所述加热管2和不锈钢电极1用氩弧焊焊接为一体，所述加热管2和紫铜过渡件3用银钎焊焊接。
所述内法兰8与不锈钢外管13用氩弧焊焊接。
所述外法兰7与内法兰8由六个高压螺栓通过法兰螺栓孔12压紧。
本实用新型和现有技术相比，具有如下优点：
1、本实用新型结构合理，加工方便，通过交流电加热可使加热管外壁面热流密度达到1MW/m2，达到超临界水冷堆燃料元件的设计热流密度。
2、本实用新型最高能够承受压力28MPa、温度500℃条件下的密封和电绝缘性能，满足大部分热工-水力试验要求。
3、本实用新型采用柔性铜线结构，该结构与加热管通过银钎焊连接，与铜电极采用物理压接，在导通电流的情况下吸收加热管的轴向热膨胀，避免加热管发生弯曲。
附图说明
图1为本实用新型主视图。
图2为图1沿A-A向的剖视图。
图3为图1沿B-B向的剖视图。
图4为密封绝缘垫片9的示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本实用新型作进一步的详细描述。
图1为本实用新型的主视图，该棒束试验件由内部加热结构、陶瓷内衬管6以及外部承压密封结构三个主要部分构成。顶部不锈钢电极1、四根加热管2、紫铜过渡件3、柔性铜线结构4和底部铜电极5组成了内部加热结构，其中加热管2一端与不锈钢电极1用氩弧焊连接，另一端与紫铜过渡件3用银钎焊连接。柔性铜线4与紫铜过渡件3和铜电极5均采用物理压接的方法连接。内部加热结构各部件的作用如下：不锈钢电极1和铜电极5与交流变压器相连，将交流电加载到加热管2上；加热管2在交流电的作用下，依靠自身的电阻发热产生热量，模拟反应堆燃料元件的裂变热；柔性铜线4可以起到导通大电流交流电的作用，还可以依靠自身形变吸收加热管2的热膨胀，避免加热管2弯曲；紫铜过渡件3起到连接加热管2和柔性铜线4的作用。
外部承压密封结构由外法兰7、内法兰8、密封绝缘垫片9、石墨填料10、黄铜压盖11及不锈钢外管13构成。内法兰8与不锈钢外管13采用氩弧焊连接的方式连接，起到承压作用；内法兰8、外法兰7及密封绝缘垫片9是主要的密封绝缘部件，保证高温高压条件下法兰的径向密封要求；法兰之间采用六个高压螺栓通过螺栓孔12连接，同时可以起到定位内外法兰的作用；试验件的轴向密封由石墨填料10及黄铜压盖11来实现，黄铜压盖11带有螺纹结构，通过旋转压紧石墨填料保证密封要求；不锈钢外管13底部和顶部开有圆孔，分别与入口混合环室14和出口混合环室15焊接,作为流体进出试验件的通道；两个混合环室内侧分别设有入口取压环室16和出口取压环室17，用以测量试验件的压力降。
图1中陶瓷内衬管6布置在内部加热结构和外部加热结构之间，起到两个重要作用：其一是与加热管2配合组成模拟反应堆堆芯流道的特殊几何结构；其二是防止通电加热管2与不锈钢外管13接触，从而发生放电打火现象。不锈钢外管13的内壁上可以全部布置陶瓷内衬管6，但入口混合环室14和出口混合环室15、入口取压环室16和出口取压环室17所在处的陶瓷内衬管6要开孔，当然，不锈钢外管13底部和顶部分别开有流体进出口及取压口的位置也可以不布置陶瓷内衬管6，即将陶瓷内衬管6只布置在不锈钢外管13中间段的内壁上。陶瓷内衬管6的外径与不锈钢外管13的内径相同，靠正负公差配合实现两根管子的紧密接触。图1中其他的辅助结构和部件包括法兰冷却水槽19和绝缘陶瓷管18，前者内通有常压冷却自来水，用以带走高温法兰的发热量；后者的作用是隔绝柔性铜线4和不锈钢外管13，保证二者不发生电接触。
图2所示为顶部不锈钢电极1和加热管2的横截面示意图。不锈钢电极1外径为28毫米，采用线切割的方法将不锈钢棒料切出四个直径为8毫米的圆孔，孔间距9.44毫米；四根加热管2从四个圆孔内穿出，在顶部用氩弧焊与不锈钢电极1焊接为一体。
图3所示为加热管2、陶瓷内衬管6和不锈钢外管13的横截面结构图。最外侧为不锈钢管13，起到承压作用；中间为陶瓷内衬管6，内部形状为带有圆角的正方形，边距为20.32毫米，圆角半径5.44毫米；最里侧为四根加热管2，相邻加热管间距为1.44毫米，加热管与陶瓷内衬圆角的距离同样为1.44毫米，加热管与陶瓷内衬管6之间的空白即为流体流通通道。
图4所示为法兰密封绝缘垫片9的结构图。如图所示，该结构由三层组成，中间为金属齿形垫片，上下各有一薄层绝缘材料。在试验件组装时，外法兰7和内法兰8通过高压螺栓紧固，将上下层的绝缘材料压入金属齿形垫片中，这种结构能够保证在高压密封的同时起到良好的电绝缘作用。
本实用新型的工作原理为：顶部不锈钢电极1和底部铜电极5与交流变压器连接，将大电流交流电引入到加热管2，使其在自身电阻的作用下发热，来模拟核反应堆堆芯中燃料元件的裂变热；超临界水由入口混合环室14进入到流道，吸收加热管2的发热量，使之得到有效冷却后由出口混合环室15流出试验件；试验件的主要测量参数为加热管2的内壁面温度，得出在不同壁面热流密度、进口水温、水流量及系统压力下的传热及阻力特性。
本实用新型在西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室的高温高压气液两相流试验台上进行了实验验证。实验验证的工作参数为：系统压力23-28MPa，加热管通电电流800-3500A，加热管热流密度200-1000kW/m2，流体温度200-500℃，流体质量流量为230-690kg/h。实验过程中，试验件工作性能良好，未观察到异常变化，可以作为高温、高压条件下核反应堆堆芯燃料元件的模拟试验件。

Claims (9)

1.一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件，其特征在于：包括顶部不锈钢电极(1)，在顶部不锈钢电极(1)底部依次连接有加热管(2)、紫铜过渡件(3)、柔性铜线(4)和底部铜电极(5)，所述加热管(2)一端穿入顶部不锈钢电极(1)内的圆孔中，并与不锈钢电极(1)焊接为一体，所述加热管(2)的另一端与紫铜过渡件(3)焊接为一体，所述柔性铜线(4)与紫铜过渡件(3)及底部铜电极(5)通过物理压接的方法连接，所述顶部不锈钢电极(1)、加热管(2)、紫铜过渡件(3)、柔性铜线(4)和底部铜电极(5)构成了内部加热结构；在顶部不锈钢电极(1)和加热管(2)焊接端的外部、底部铜电极(5)和柔性铜线(4)物理压接端的外部分别设置有外法兰(7)，在两个外法兰(7)的内部分别通过螺栓连接有内法兰(8)，所述外法兰(7)和内法兰(8)间设有密封绝缘垫片(9)，所述外法兰(7)、内法兰(8)和密封绝缘垫片(9)构成了外部密封绝缘结构；在两个内法兰(8)间焊接有位于加热管(2)外部的不锈钢外管(13)，在所述不锈钢外管(13)的内壁插入陶瓷内衬管(6)，所述内部加热结构与陶瓷内衬管(6)间的空隙为流通通道，在柔性铜线(4)与不锈钢外管(13)之间加装有避免柔性铜线(4)与不锈钢外管(13)接触的绝缘陶瓷(18)，所述不锈钢外管(13)的底部和顶部分别开有孔径不等的圆孔作为流体进出口及取压口，底部的流体进出口及取压口分别与入口混合环室(14)和入口取压环室(16)焊接，顶部的流体进出口及取压口分别与出口混合环室(15)、出口取压环室(17)焊接。
2.根据权利要求1所述的一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件，其特征在于：所述外法兰(7)的外侧开有带螺纹的圆形槽，该圆形槽内填装有石墨填料(10)，通过黄铜压盖(11)旋转压紧石墨填料(10)，起到径向密封的作用。
3.根据权利要求1所述的一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件，其特征在于：所述外法兰(7)和内法兰(8)一侧均设有冷却水流通槽(19)。
4.根据权利要求1所述的一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件，其特征在于：所述加热管(2)由四根等间距围合而成。
5.根据权利要求4所述的一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件，其特征在于：所述陶瓷内衬管(6)内孔截面形状为带圆角的正方形，圆角与四根加热管(2)保持相同的距离。
6.根据权利要求1所述的一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件，其特征在于：所述密封绝缘垫片(9)由三层组成，中间层为金属齿形垫片，上下各有一薄层绝缘材料。
7.根据权利要求1所述的一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件，其特征在于：所述加热管(2)和不锈钢电极(1)用氩弧焊焊接为一体，所述加热管(2)和紫铜过渡件(3)用银钎焊焊接。
8.根据权利要求1所述的一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件，其特征在于：所述内法兰(8)与不锈钢外管(13)用氩弧焊焊接。
9.根据权利要求1所述的一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件，其特征在于：所述外法兰(7)与内法兰(8)由六个高压螺栓通过法兰螺栓孔(12)压紧。
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