CN210722482U - 一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，试验台架包括：二维试验段、三维试验段、上升段、上水箱、流量计、下降段、阀门、下水箱、加热系统、温度检测系统、预热系统和冷却系统；二维试验段或三维试验段的顶端连接上升段的底端，上升段的顶端连接上水箱的一侧，上水箱的底端连接流量计的顶端，流量计的底端连接下降段的顶端，下降段的底端连接阀门，阀门连接下水箱的顶端一侧，下水箱的顶端另一侧连接二维试验段或三维试验段的底端。能得到不同工况下的加热段的内壁温，流道的流体温度，试验段压差，空泡份额等随时间变化参数，可改变常数参数值来研究其对实验结果的影响。
Description
技术领域
本实用新型涉及核电发电实验技术领域，特别是涉及熔融物堆内滞留压力容器外部冷却三维试验段。
背景技术
在核电发展历程中，核安全一直是人们所关心的重点问题。目前世界范围内已经有400多个在役核电站，绝大部分按照二代核电技术建造。虽然核电厂已经采取了一系列的措施来避免严重事故的发生，但是极端条件下仍可能发生超设计基准的严重事故，如三里岛事故，切尔诺贝利事故和福岛事故。一旦严重事故发生，很有可能造成蒸汽爆炸，放射性物质大量释放等严重后果。调查表明，核电厂一旦发生事故，只要保证压力容器和安全壳的完整性，就能大量减少放射性物质的释放。自此之后，国际上逐渐形成了熔融物堆内滞留(In-Vessel Retention,IVR)的压力容器外部冷却(External Reactor Vessel Cooling,ERVC)严重事故缓解策略。即冷却水流过压力容器外壁与保温层之间形成的流道，将通过压力容器下封头壁面导出的熔融物的热量带出，从而防止压力容器下封头表面发生沸腾临界，保证下封头的完整性。目前，IVR-ERVC 已经成为以AP1000系列为代表的第三代先进核电技术中一项核心的严重事故缓解措施。同样，在其他先进核反应堆型中，IVR-ERVC同样具有广阔的应用前景。
Kymalaiinen等针对Loviisa电厂进行了研究，并首次系统提出了 IVR-ERVC严重事故缓解措施及外部冷却有效性的评价方法。试验采用的是一维全高度回路，对流道内流体的流动状况和CHF进行了研究。得出结论，ERVC 能够保证IVR的实现。
最具代表性的试验为美国加利福尼亚州大学开展的ULPU系列实验。旨在测量下封头表面的临界热流密度，优化保温层结构。试验采用的是全尺寸试验回路和切片结构的试验段。ULPU试验项目共包括五个阶段的试验，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ试验针对的是AP600堆型，Ⅳ、Ⅴ针对的是AP1000堆型，对保温层的结构和进出口结构等参数进行了研究试验。ULPU试验还明确给出了压力容器外部冷却CHF的分布，如图1.1所示。图1.2为ULPU典型的实验装置。
另外，韩国也针对其先进堆型APR1400展开了SBLB试验，采用的是缩比方法，但是其是对三维台架的缩比。美国Sandia实验室开展了CYBL试验采用1：1比例的压力容器对外部冷却过程沸腾传热和流动过程进行了实验研究。
可见，国外的研究大部分都是采用1:1比例的模型来模拟下封头，即使是取切片模型也是全尺寸模拟的。这样耗费的时间较多，工程量比较大。
国内方面，上海交通大学也开展了1:1的REPEC实验，针对的是 CPR1000先进大功率堆型，采用的是二维切片结构，全尺寸模拟压力容器的二维切片结构。试验台架如图1.3。还有一些利用软件计算和利用倾斜的加热壁面模仿加热壁面进行实验的项目。
因此希望有一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其在研究核电厂严重事故工况中，试验段分别采用二维和三维切片实验条件下，压力容器下封头内堆芯熔融物外部IVR-ERVC冷却传热及流动特性。通过比例分析搭建缩比试验台架，获得不同工况下二维和三维切片模型的CHF分布情况，建立适用于下封头形状的CHF预测模型，将二维和三维切片的试验结果进行对比，阐明局部加热面流道三维效应以及整体自然循环流道三维效益对IVR措施有效性的影响，为IVR-ERVC试验的可靠性提供理论和试验依据。
实用新型内容
本实用新型公开了一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，三维切片实验中，加热流道壁面表面积随着高度的增加而增加，进而造成气泡成核点在加热表面的数量、分布方式等与二维切片实验有一定区别；流道随着高度方向逐渐变宽，对流体、气泡的流动、浮升过程中的速度、混合效果等有一定的影响，进而可能影响CHF出现的位置与不同位置处CHF值的大小；同时考虑IVR外部大空间中心对称自然循环流道对整体自然循环效果的影响，综合考虑整体与局部三维效应对CHF的影响，与原有二维实验研究结果进行对比。本实用新型针对的是特定堆型，即AP1000堆型。能够为特定堆型的研究提供一定的理论支持。
一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，所述试验台架包括：二维试验段、三维试验段、上升段、上水箱、流量计、下降段、阀门、下水箱、加热系统、温度检测系统、预热系统和冷却系统；所述二维试验段顶端连接所述上升段的底端，所述上升段的顶端连接所述上水箱的一侧，所述上水箱的底端连接所述流量计的顶端，所述流量计的底端连接所述下降段的顶端，所述下降段的底端连接所述阀门，所述阀门连接所述下水箱的顶端一侧，所述下水箱的顶端另一侧连接所述二维试验段的底端；所述三维试验段顶端连接另一个所述上升段的底端，另一个所述上升段的顶端连接所述上水箱的另一侧，所述上水箱的底端连接另一个所述流量计的顶端，另一个所述流量计的底端连接另一个所述下降段的顶端，另一个所述下降段的底端连接另一个所述阀门，另一个所述阀门连接另一个所述下水箱的顶端一侧，另一个所述下水箱的顶端另一侧连接所述三维试验段的底端；所述二维试验段和三维试验段上均设置有加热系统，用于加热所述二维试验段和三维试验段；所述温度检测系统设置在上水箱出口端附近以及所述二维试验段和三维试验段的进口端和出口端附近，以检测相应位置冷却水的温度；所述预热系统和冷却系统连接所述上水箱，用于控制上水箱中的冷却水的温度；通过加热系统控制所述二维试验段和三维试验段的热流密度分布，使其大致模拟严重事故下的热流密度分布，利用温度检测系统测量在此热流密度下的温度以及冷却水的温度，得到传热系数的规律；整体升高加热功率，直至温度出现飞升，此时的热流密度即为临界热流密度；通过分析不同区域的CHF值，得到下二维试验段的下封头二维切片和三维试验段的下封头三维切片曲面加热条件下的CHF分布规律，建立可靠的CHF预测模型。
优选地，所述二维试验段和三维试验段均由U型流道和数块加热铜块组成，所述二维试验段为宽度为18.5CM的弧形切片，所述三维试验段为开角为 15度的球状切片；所述加热系统包括加热棒，用于加热所述二维试验段和三维试验的加热面，为试验台架提供自然循环的能量。
优选地，所述二维试验段和三维试验段各包括9个加热铜块，以形成相应的加热面，每个加热铜块均匀分布有加热棒安装孔，所述加热棒安装孔可用于安装加热棒，通过调节加热棒功率来控制热流密度分布。
优选地，所述上升段的顶端具有多个与所述上水箱连接的进水口，各进水口与其对应的所述二维试验段或所述三维试验段底部的垂直高度分别为3.5M、 4.5M和5.5M。
优选地，所述流量计为超声波流量计，其用于检测冷却水自然循环流量，所述阀门用于控制冷却水的流量。
优选地，所述试验台架设置有6个温度测点，设置在所述上水箱出口端附近的2个水箱出口温度测点，设置在二维试验段的进口端的进水口温度测点，设置在二维试验段的出口端的出水口温度测点；设置在三维试验段的进口端的进水口温度测点，设置在三维试验段的出口端的出水口温度测点。
优选地，所述预热器包括多个加热器，所述上水箱设置有3个预热器口，每个预热器口设置一个50KW的加热器。
优选地，进行3.5M高度实验时启动1个加热器；进行4.5M高度实验时启动2个加热器；进行5.5M高度实验时启动3个加热器。
优选地，所述冷却系统包括板式换热器，所述上水箱设置2个冷却系统进出水口，通过板式换热器进行换热对冷却水降温，保持上水箱中冷却水的温度恒定。
本实用新型的熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架的有益效果是，本试验台架能够得到不同工况下的加热段的内壁温，流道的流体温度，试验段压差，和空泡份额等一系列随时间变化参数，同时可以改变常数参数的值来研究其对实验结果的影响，比如改变加热功率和水箱高度研究其对结果的影响程度。这对核电厂严重事故的机理研究具有重要意义。
附图说明
图1.1是现有技术ULPU试验测得的下封头CHF分布图。
图1.2是现有技术ULPU试验装置示意图。
图1.3是现有技术REPEC试验回路图。
图2是本实用新型的熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架的示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，所述试验台架包括：二维试验段、三维试验段、上升段、上水箱、流量计、下降段、阀门、下水箱、加热系统、温度检测系统、预热系统和冷却系统；所述二维试验段顶端连接所述上升段的底端，所述上升段的顶端连接所述上水箱的一侧，所述上水箱的底端连接所述流量计的顶端，所述流量计的底端连接所述下降段的顶端，所述下降段的底端连接所述阀门，所述阀门连接所述下水箱的顶端一侧，所述下水箱的顶端另一侧连接所述二维试验段的底端；所述三维试验段顶端连接另一个所述上升段的底端，另一个所述上升段的顶端连接所述上水箱的另一侧，所述上水箱的底端连接另一个所述流量计的顶端，另一个所述流量计的底端连接另一个所述下降段的顶端，另一个所述下降段的底端连接另一个所述阀门，另一个所述阀门连接另一个所述下水箱的顶端一侧，另一个所述下水箱的顶端另一侧连接所述三维试验段的底端；所述二维试验段和三维试验段上均设置有加热系统，用于加热所述二维试验段和三维试验段；所述温度检测系统设置在上水箱出口端附近以及所述二维试验段和三维试验段的进口端和出口端附近，以检测相应位置冷却水的温度；所述预热系统和冷却系统连接所述上水箱，用于控制上水箱中的冷却水的温度；通过加热系统控制所述二维试验段和三维试验段的热流密度分布，使其大致模拟严重事故下的热流密度分布，利用温度检测系统测量在此热流密度下的温度以及冷却水的温度，得到传热系数的规律；整体升高加热功率，直至温度出现飞升，此时的热流密度即为临界热流密度；通过分析不同区域的CHF值，得到下二维试验段的下封头二维切片和三维试验段的下封头三维切片曲面加热条件下的CHF分布规律，建立可靠的CHF预测模型。
优选地，所述二维试验段和三维试验段均由U型流道和数块加热铜块组成，所述二维试验段为宽度为18.5CM的弧形切片，所述三维试验段为开角为 15度的球状切片；所述加热系统包括加热棒，用于加热所述二维试验段和三维试验的加热面，为试验台架提供自然循环的能量。
优选地，所述二维试验段和三维试验段各包括9个加热铜块，以形成相应的加热面，每个加热铜块均匀分布有加热棒安装孔，所述加热棒安装孔可用于安装加热棒，通过调节加热棒功率来控制热流密度分布。
优选地，所述上升段的顶端具有多个与所述上水箱连接的进水口，各进水口与其对应的所述二维试验段或所述三维试验段底部的垂直高度分别为3.5M、 4.5M和5.5M。
优选地，所述流量计为超声波流量计，其用于检测冷却水自然循环流量，所述阀门用于控制冷却水的流量。
优选地，所述试验台架设置有6个温度测点，设置在所述上水箱出口端附近的2个水箱出口温度测点，设置在二维试验段的进口端的进水口温度测点，设置在二维试验段的出口端的出水口温度测点；设置在三维试验段的进口端的进水口温度测点，设置在三维试验段的出口端的出水口温度测点。
优选地，所述预热器包括多个加热器，所述上水箱设置有3个预热器口，每个预热器口设置一个50KW的加热器。
优选地，进行3.5M高度实验时启动1个加热器；进行4.5M高度实验时启动2个加热器；进行5.5M高度实验时启动3个加热器。
优选地，所述冷却系统包括板式换热器，所述上水箱设置2个冷却系统进出水口，通过板式换热器进行换热对冷却水降温，保持上水箱中冷却水的温度恒定。
如图2所示，本实验系统包括试验段和系统回路以及一些辅助系统。试验段分为二维试验段和三维试验段，模拟先进大功率压水堆AP1000压力容器下封头的一部分。加热铜块与U型流道组成了流道系统，使得流体在加热铜块外壁流过。加热U型流道与上升段为法兰连接。系统回路包括下水箱，试验段，上升段，上水箱和下降段。水箱上不封口，侧面开有进、出水口用于冷却系统为上水箱换热。水箱与冷却系统通过管道连接，使水箱中的水温保持在较低的状态。辅助系统主要包括信号采集系统，冷却系统等。
实验过程中形成一个自然循环回路。在充满冷却水的状态下，U型流道内的流体被加热，受热后沿上升段进入到上部水箱，水箱中的低温冷却水通过下降段和下水箱又重新补充进U型流道，下降段设有流量计，随时监控流量。下降段阀门可以调节流量的大小。
采用功率-体积比例分析方法确定试验台架的尺寸，保证缩比模型与反应堆原型的重要无量纲准则数相似。对压力容器下封头，按1：2缩比，取下封头的二维切片及三维切片进行分析。采用加热铜块中插入加热棒的方式对下封头模型的外壁面进行加热。为模拟堆芯熔融物在下封头内的分层导致的热流密度分布不均，将加热面沿倾角方向划分为9个区域，每个区域的加热功率和热流密度互不相同，加热功率独立控制且可调。采用高位的上水箱作为自然循环的驱动压头，下封头外壁面的冷却水沸腾后，通过壁面与U型流道之间的空间向上流入上水箱上部，上水箱下部的温度相对较低的冷却水沿下降流道进入下水箱，再回到试验段入口处，形成自然循环。
对下封头冷却水的两相沸腾传热特性进行实验研究，重点关注下封头外壁面的CHF分布规律。分别调整试验段各部分加热板的热流密度，使其大致模拟严重事故下下封头的热流密度分布，测量在此热流密度下加热面壁面的温度以及流道的冷却水温度，得到传热系数的规律。整体升高加热功率，直至某一点壁面温度出现飞升，此时的热流密度即为临界热流密度。通过分析加热面上不同区域的CHF值，得到下封头二维切片及三维切片曲面加热条件下的CHF 分布规律，建立可靠的CHF预测模型。
在非能动自然循环流动特性方面，建立稳定的自然循环是IVR-ERVC有效性的前提。自然循环冷却水流量也是决定CHF的关键因素之一。实验拟测量不同加热功率和过冷度下的循环冷却水流量，获得自然循环建立初期的最小流量，作为IVR-ERVC设计的保守值，另外，在试验台架的建造过程中也考虑了上水箱高度的变化，通过各段管道之间的法兰连接可实现3.5m、4.5m和 5.5m的循环高度变化。
试验台架分为加热系统，流道系统，温度检测系统，预热系统和冷却系统。
加热系统为整个台架提供自然循环的能量。将加热棒插入加热铜块中，通过调节加热棒的功率，以调节加热铜块的热通量。试验段分为三维加热段与二维加热段，三维加热段为开角15°球状切片，二维加热段为宽度18.5cm的弧形切片。
冷却水在台架内通过流道系统流通，冷却水的运行轨迹为下水箱——试验段——上升段——上水箱——下降段——下水箱。试验段的头部和尾部通过法兰连接与管道相连。上升段与上水箱相连的三个进水口，分别与试验段底部的垂直高度差为3.5M，4.5M，5.5M。下降段上分布有超声波流量计与阀门，用于检测自然循环流量与控制流量。
温度检测系统，台架设有六个温度测点，分别位于试验段的进出口和水箱出口。试验段进出口水温的测点最为重要，用于保证过冷度满足实验要求。水箱出口处的测点用于及时调整水箱中的冷却系统的运行功率，保证出水口温度满足实验要求。
预热系统用于在实验开始前，将台架中的冷却水加热至预定温度，此实验台架设计了三个预热器口，每个预热器口中均放置了一个50KW的加热器。在做3.5M高度实验时，只启用最下面的加热器，预热功率共50KW；在做4.5M 高度实验时，启用下面两个加热器，预热功率共100KW；在做5.5M高度实验时，启用全部加热器，预热功率共150KW。在试验台架中冷却水温满足实验要求后，关闭加热器，开始实验。
冷却系统在实验中实时为上水箱中的冷却水降温，因在实验中，试验段加热铜块一直在给冷却水加热，而实验要求试验段进口水温稳定，所以需在上水箱中加入冷却系统，为冷却水降温。上水箱的热的冷却水通过冷却系统出水口进入板式换热器进行换热，降温后通过冷却系统进水口进入上水箱，将上水箱中的冷却水降温，通过水箱出口温度测点实时观测温度，改变换热功率，以实现冷却水温恒定。
具体实验步骤如下：
回路中充满冷却水，确保回路密封性良好；
打开电源，调整加热段功率基本符合给出的CHF分布规律图，在此热流密度下得到一个自然循环下的最小流量。
将流量设置为第2步中得到的最小流量，加热功率同第2步相同，先将加热段入口冷却水的过冷度保持在一个较低值；
开启NI数据采集系统，系统分别连接了加热板上的238个壁温热电偶(测加热段壁温)以及两个流道内进水口和出水口的四个铠装热电偶(测流道内冷却水温)，观察各测点的温度变化，同时记录压差传感器上的数值，观察试验段压差的变化情况。
增大冷却水的过冷度，观察数据变化。若观察到试验过程中壁温在某时刻突然增大，立即关闭电源，停止加热，防止烧毁加热段，此时出现壁温阶跃点时刻的热流密度即为此点的临界热流密度值。
根据情况分别改变加热面各段的热流密度，保持其他条件不变，分别得到个加热段的热流密度，得到不同入口过冷度情况下的CHF分布规律。
在功率与流量恒定的情况下改变自然循环高度，同改变过冷度的情况相似，记录不同循环高度下的水温、试验段压差等参数的变化，同时可以使用高速摄像机观察气液两相流的变化，并得到不同循环高度下下封头外壁面的CHF分布规律。
实验完成后，及时关闭电源，待加热段温度冷却到某一较低温度时，将回路中的冷却水排出。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其特征在于所述试验台架包括：二维试验段、三维试验段、上升段、上水箱、流量计、下降段、阀门、下水箱、加热系统、温度检测系统、预热系统和冷却系统；所述二维试验段顶端连接所述上升段的底端，所述上升段的顶端连接所述上水箱的一侧，所述上水箱的底端连接所述流量计的顶端，所述流量计的底端连接所述下降段的顶端，所述下降段的底端连接所述阀门，所述阀门连接所述下水箱的顶端一侧，所述下水箱的顶端另一侧连接所述二维试验段的底端；所述三维试验段顶端连接另一个所述上升段的底端，另一个所述上升段的顶端连接所述上水箱的另一侧，所述上水箱的底端连接另一个所述流量计的顶端，另一个所述流量计的底端连接另一个所述下降段的顶端，另一个所述下降段的底端连接另一个所述阀门，另一个所述阀门连接另一个所述下水箱的顶端一侧，另一个所述下水箱的顶端另一侧连接所述三维试验段的底端；所述二维试验段和三维试验段上均设置有加热系统，用于加热所述二维试验段和三维试验段；所述温度检测系统设置在上水箱出口端附近以及所述二维试验段和三维试验段的进口端和出口端附近，以检测相应位置冷却水的温度；所述预热系统和冷却系统连接所述上水箱，用于控制上水箱中的冷却水的温度；通过加热系统控制所述二维试验段和三维试验段的热流密度分布，使其大致模拟严重事故下的热流密度分布，利用温度检测系统测量在此热流密度下的温度以及冷却水的温度，得到传热系数的规律；整体升高加热功率，直至温度出现飞升，此时的热流密度即为临界热流密度；通过分析不同区域的CHF值，得到下二维试验段的下封头二维切片和三维试验段的下封头三维切片曲面加热条件下的CHF分布规律，建立可靠的CHF预测模型。
2.根据权利要求1所述熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其特征在于：所述二维试验段和三维试验段均由U型流道和数块加热铜块组成，所述二维试验段为宽度为18.5CM的弧形切片，所述三维试验段为开角为15 度的球状切片；所述加热系统包括加热棒，用于加热所述二维试验段和三维试验的加热面，为试验台架提供自然循环的能量。
3.根据权利要求2所述熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其特征在于：所述二维试验段和三维试验段各包括9个加热铜块，以形成相应的加热面，每个加热铜块均匀分布有加热棒安装孔，所述加热棒安装孔可用于安装加热棒，通过调节加热棒功率来控制热流密度分布。
4.根据权利要求3所述熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其特征在于：所述上升段的顶端具有多个与所述上水箱连接的进水口，各进水口与其对应的所述二维试验段或所述三维试验段底部的垂直高度分别为3.5M、4.5M和5.5M。
5.根据权利要求4所述熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其特征在于：所述流量计为超声波流量计，其用于检测冷却水自然循环流量，所述阀门用于控制冷却水的流量。
6.根据权利要求5所述熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其特征在于：所述试验台架设置有6个温度测点，设置在所述上水箱出口端附近的2个水箱出口温度测点，设置在二维试验段的进口端的进水口温度测点，设置在二维试验段的出口端的出水口温度测点；设置在三维试验段的进口端的进水口温度测点，设置在三维试验段的出口端的出水口温度测点。
7.根据权利要求6所述熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其特征在于：所述上水箱设置有3个预热器口，每个预热器口设置一个50KW的加热器。
8.根据权利要求7所述熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其特征在于：进行3.5M高度实验时启动1个加热器；进行4.5M高度实验时启动2个加热器；进行5.5M高度实验时启动3个加热器。
9.根据权利要求8所述熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架，其特征在于：所述冷却系统包括板式换热器，所述上水箱设置2个冷却系统进出水口，通过板式换热器进行换热对冷却水降温，保持上水箱中冷却水的温度恒定。
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|---|---|---|---|---|
| CN110223790A (zh) * | 2019-07-02 | 2019-09-10 | 华北电力大学 | 一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架 |
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2019
- 2019-07-02 CN CN201921023384.3U patent/CN210722482U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110223790A (zh) * | 2019-07-02 | 2019-09-10 | 华北电力大学 | 一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却试验台架 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |