CN212873773U - 反应堆模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种反应堆模拟实验装置，包括实验模拟体、加药系统以及电导率测量系统；其中，实验模拟体包括依次设置的入口承压水箱、加药直管段、入口直管段、上腔室模拟体以及连接于上腔室模拟体的热管段，加药直管段设有多个加药直管，加药系统包括多路可独立控制流量及通断的加药单元，各加药单元分别连接至各加药直管；电导率测量系统包括安装于加药直管段的入口电导探针及安装于热管段的出口电导探针。该反应堆模拟实验装置能够在常温常压条件下进行反应堆堆芯出口管热分层现象研究，采用独立、可调节的加药单元，使得还可以开展反应堆上腔室交混特性研究，并且整个实验模拟体的结构简单、布局紧凑、仪表安装方便。

Description

反应堆模拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及核电站反应堆实验领域，尤其涉及一种用于对反应堆上腔室交混特性及热管段出口热分层特性进行模拟研究的实验装置。

背景技术

反应堆内流场的模拟、分析为堆芯安全设计、安全性分析以及运维等提供重要的理论支撑，而模拟实验装置的设计决定了能否尽可能真实的模拟反应堆内流场的分布。

现有的反应堆模拟实验装置都采用了简化设计，例如采用空腔代替上腔室，或者采用锥形筒体或水箱作为入口段。对于前一种设计，其上腔室模型内部不能反映实际堆芯设计的所有细节，致使上腔室交混实验研究过程中，其内部构件的影响被忽略，实验流体流经上腔室空腔进行简单混合后直接从热管段的热管段嘴流出，这种结构不能严格模拟反应堆原型中导向筒及支撑柱布置密集的上腔室内的流场及其交混特性，对上腔室的流场和交混实验结果具有较大影响。对于后一种设计，实验流体直接通过锥形筒体进入上腔室，流经结构复杂的上腔室区域后从热管段嘴流出，这种结构不能严格模拟反应堆原型中上腔室入口的流场，导致上腔室入口流量的不均匀性，也对上腔室的流场和交混实验结果都具有较大影响。

另外，现有的模拟实验装置还具有以下不足：一、交混实验中所需的大量加药管同时置于下腔室中并接入堆芯组件入口或上腔室对应入口，大大增加了实验本体的设计和安装难度；二、上腔室前端无整流段，导致加药流体进入上腔室时浓度不均匀性更大，无法通过示踪法准确获得上腔室的流场分布及交混特性；三、热管段热分层现象测量时需要对所有堆芯组件通道进行分布式加药，但现有系统单次实验只能对堆芯单盒组件通道进行加药，无法对堆芯矩阵进行分布式加药以模拟堆芯温度分布情况，热管段出口温度分层现象只能通过交混因子进行推算，大大增加了热分层实验结果的不确定性。

因此，有必要提供一种能够对上腔室交混特性及热管段出口热分层特性进行准确模拟和研究的模拟实验装置，以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能够对上腔室交混特性及热管段出口热分层特性进行准确模拟和研究的反应堆模拟实验装置。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：提供一种反应堆模拟实验装置，其包括实验模拟体、加药系统以及电导率测量系统；其中，实验模拟体包括依次设置的入口承压水箱、加药直管段、入口直管段以及上腔室模拟体，所述上腔室模拟体连接有热管段，且所述加药直管段设有多个分别连通所述入口承压水箱、所述入口直管段的加药直管；加药系统包括多路可独立控制流量及通断的加药单元，各所述加药单元分别连接至各所述加药直管；电导率测量系统包括安装于所述加药直管段的入口电导探针及安装于所述热管段的出口电导探针。

较佳地，每一所述加药直管均包括沿流体流动方向依次设置的加药接口、节流孔板及第一安装座，所述节流孔板设于所述加药直管的内部，所述加药接口、电导探针分别凸设于加药直管的外侧，所述加药接口用于连接所述加药单元，所述第一安装座用于安装所述入口电导探针；通过在加药直管的上、中、下游依次设置加药接口、节流孔板、第一安装座，既满足了狭小空间结构内仪表安装要求和旁流加药混合需求，又满足了各入口流道结构、流量分配及阻力系数的一致性要求。

较佳地，所述加药接口与所述节流孔板之间的间距大于等于五倍所述加药直管的管径，所述节流孔板与所述第一安装座之间的间距大于等于十倍所述加药直管的管径，这样，保证了加药流体的充分混合，又实现对堆芯各组件通道内盐溶液混合浓度的精确调节，还可实现对上腔室入口流量分配的监测。

较佳地，每一所述加药直管的两端分别插接于所述入口承压水箱、所述入口直管段并与之密封连接。

较佳地，每一所述加药直管的两端分别设有第一法兰及第二法兰，所述第一法兰、所述第二法兰内分别嵌设有密封件，所述加药直管的两端分别插接于所述入口承压水箱、所述入口直管段后，所述第一法兰、所述第二法兰分别抵接于所述入口承压水箱、所述入口直管段并挤压所述密封件；本实用新型所采用的上下平板夹紧密封件的快速插接式加药直管结构，安装过程简单、入口电导探针和加药单元的出线方便、密封性能良好，该结构可在回路带压运行中实现自紧密封，并且不需要设置压力容器筒体。

较佳地，所述入口承压水箱的顶部盖设有一上盖板，所述上盖板开设有多个通孔，各所述加药直管分别对应插接于各所述通孔内并与所述上盖板密封连接。

较佳地，各所述加药单元均包括连接管及依次安装于所述连接管上的电磁流量计、调节阀及截止阀，所述连接管的一端连接所述加药直管，通过调节阀、截止阀分别实现流量调节及通断控制，使各加药单元可实现对任一组件的单独加药，以获得各组件的交混特性。

较佳地，所述加药系统还包括一缓冲罐，所述缓冲罐与各所述加药单元的所述连接管相连。

较佳地，所述电磁流量计与所述缓冲罐、所述调节阀之间的长度均大于十倍所述电磁流量计的圆管流道内径，保证流量计测量数据的准确性。

较佳地，所述加药系统还包括柱塞泵，所述缓冲罐通过所述柱塞泵连接至加药水箱。

较佳地，所述入口直管段的长度为其流通通道直径的十倍，以保证加药混合流体在进入上腔室前已充分混合。

较佳地，所述入口直管段包括相连接的压力容器本体及堆芯上板，所述压力容器本体上设有与所述加药直管的数量相对应的入口直管。

较佳地，所述热管段的不同位置分别凸设有第二安装座，各所述出口电导探针分别安装于各所述第二安装座内，以测量热管段截面内不同位置处的混合流体电导率，以获得反应堆冷却剂在出口热管段内流动的浓度分层特征。

较佳地，所述上腔室模拟体包括上腔室以及设于所述上腔室内的多组导向筒组件、支撑柱组件，所述热管段安装于所述上腔室。

与现有技术相比，由于本实用新型的反应堆模拟实验装置，首先，通过入口直管段的设置保证上腔室入口流场稳定；其次，其加药直管段设有多个分别连通入口承压水箱、入口直管段的加药直管，采用上下直通式加药直管替代实验装置的堆芯组件，保证了各通道几何结构相似，既满足了狭小空间结构内仪表安装要求和旁流加药混合需求，又满足了各入口流道结构、流量分配及阻力系数的一致性要求，使整个实验模拟体的设计具有结构简单、布局紧凑、仪表安装方便等特点；再者，通过独立可控的多路加药单元，实现堆芯全组件的分布式加药，不仅可以满足热管段出口热分层现象的研究，还可以开展反应堆单一组件及区域组件的上腔室交混特性的实验研究；最后，利用本反应堆模拟实验装置，可以利用质量传递过程模拟热量传递过程，使得实验能够在常温常压条件下开展，不仅有效降低了实验测量系统及仪表的设计难度，同时极大的降低了模拟体强度要求、密封技术要求及实验成本，增加了模拟实验装置的系统可靠性。

附图说明

图1是本实用新型反应堆模拟实验装置之实验模拟体的结构示意图。

图2是图1中A部分的放大示意图。

图3是图1中B部分的放大示意图。

图4是图1中热管段的部分放大示意图。

图5是图1中加药直管的结构示意图。

图6是本实用新型中加药系统的结构示意图。

图7是本实用新型中电导率测量系统的结构框图。

具体实施方式

现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

首先结合图1-7所示，本实用新型所提供的反应堆模拟实验装置，其包括实验模拟体100、加药系统200以及电导率测量系统300。其中，实验模拟体100包括依次设置的入口承压水箱110、加药直管段120、入口直管段130以及上腔室模拟体140，上腔室模拟体140连接有热管段150，并且，加药直管段120设有多个加药直管121，每个加药直管121分别连通入口承压水箱110、入口直管段130；加药系统200包括多路可独立控制其通断及流量的加药单元210，各路加药单元210分别连接至各加药直管121；电导率测量系统300包括安装于加药直管段120的入口电导探针310及安装于热管段150的出口电导探针320，入口电导探针310用来测量入口位置混合流体的电导率，出口电导探针320用来测量热管段150出口不同位置处混合流体的电导率。

更具体地，所述入口承压水箱110的顶部固定有上盖板111，上盖板111开设有多个通孔112，各加药直管121分别插接于通孔112内并与上盖板111密封连接，实现与入口承压水箱110的连通。

在本实用新型的一种具体实施方式中，加药直管段120包括177个加药直管121以及多个支撑件122，支撑件122的两端分别连接于上盖板111和入口直管段130的底部，177个加药直管121与堆芯流道矩阵相一致，上盖板111上的通孔112数量与加药直管121的数量相对应，通过177个上下直通式的加药直管121来模拟堆芯组件，保证了各通道几何结构与实际堆芯的相似性。

参看图5所示，每个加药直管121上还依次设有加药接口122、节流孔板123及第一安装座124，三者沿流体流动方向设置，且节流孔板123设于加药直管121的内部，通过节流孔板123可以使加药示踪盐溶液与主流流体充分混合，加药接口122、第一安装座124凸设于加药直管121的外侧，加药接口122用于连接加药单元210，第一安装座124用于安装入口电导探针310。通过在加药直管121的上、中、下游依次设置加药接口122、节流孔板123、第一安装座124，既可满足狭小空间内仪表安装要求和旁流加药混合需求，又满足了各入口流道结构、流量分配及阻力系数的一致性要求。

更优选地，所述加药接口122与节流孔板123之间的间距为L1，节流孔板123与第一安装座124之间的间距为L2，其中，L1大于等于五倍的加药直管121的管径，L2大于等于十倍的加药直管121的管径，这样，能够保证加药流体与主流流体的充分混合。当然，加药接口122、节流孔板123、第一安装座124之间的间距不以此为限，可以根据实验需求灵活设置。

再次结合图1-3、图5所示，本实用新型中，每个加药直管121均采用上下带密封件的快速插接式结构，其两端分别插接于入口承压水箱110的上盖板111、入口直管段130的底部并与之密封连接。具体地，加药直管121的上、下游两端分别设有第一法兰125及第二法兰126，第一法兰125、第二法兰126内分别嵌设有密封件127，加药直管121的下端插接于上盖板111的通孔112内，第一法兰125抵接于上盖板111并将密封件127压紧于两者之间，如图2所示；对应地，加药直管121的上端插接于入口直管段130的底部，第二法兰126抵接于入口直管段130的底部将并密封件127压紧于两者之间，如图3所示；然后第一法兰125与上盖板111之间、第二法兰126与入口直管段130的底部之间分别采用螺栓拉紧密封。由于加药直管121采用上下平板夹紧密封件127的快速插接式结构，使每个加药直管121作为承压边界上下分别连接上腔室入口和入口承压水箱110，外围不需要再设置压力容器筒体，相较于现有的采用外筒体承压、集中出线及整体密封的方式，本实用新型的结构可在回路运行过程中实现自紧密封，且安装过程简单、入口电导探针310和加药单元210的出线方便、密封性能良好。

优选地，密封件127为密封圈，但并不以此为限，还可以采用其他密封件。

再次参看图1、图3所示，所述入口直管段130包括相连接的压力容器本体131及堆芯上板132，压力容器本体131上设有与加药直管121的数量相对应的入口直管133，压力容器本体131的底部形成平板法兰，该平板法兰上开设有分别与各入口直管133相连通的插接孔134，即，插接孔134的数量与入口直管133的数量相对应，且各插接孔134的内径与加药直管121的上端外径相配合。在一种具体实施方式中，设有177路入口直管133，每个加药直管121的上端对应插接于压力容器本体131底部的插接孔134内，并通过第二法兰126与入口直管段130底部的平板法兰密封连接。

如图1所示，由于原型反应堆堆芯单盒燃料组件结构为17*17的棒束阵列，流通截面积复杂，因此在本实用新型实验模拟体100简化过程中，上腔室入口前堆芯组件采用圆形通道代替，并且将流通通道直径设计为1/5的原型堆芯组件流通通道的当量直径，而每个入口直管133的长度优选为其流通通道直径的十倍，这样，当混合流体经入口直管段130整流后，能够保证流体在入口直管段130内的流场与原型堆芯相似，同时保证上腔室入口流体速度以及加药混合流体在进入上腔室前已充分混合。

下面参看图6所示，所述加药系统200包括加药单元210、缓冲罐220及柱塞泵230，加药单元210具有多路并分别连接于缓冲罐220，缓冲罐220通过柱塞泵230连接至加药水箱240，且，缓冲罐220与柱塞泵230之间还设有涡轮流量计250，柱塞泵230与加药水箱240之间还设有截止阀260。在一种具体实施方式中，设置177路加药单元210以分别连接各加药直管121，当然，其数量并不限于此，可根据加药直管121的数量灵活设置。

其中，每路加药单元210均包括连接管211及依次安装于连接管211上的电磁流量计212、调节阀213及截止阀214，加药单元210的上游通过连接管211连接于缓冲罐220，其下游通过连接管211连接至加药直管121的加药接口122，并通过截止阀214的开闭控制加药单元210的通断，通过调节阀213实现其流量调节，并通过电磁流量计212进行计量，使各加药单元210可以独立控制其通断及流量，因此各加药单元210可以对任一组件单独进行加药，并可以对各加药单元210的流量进行精细调节。

优选地，连接管211为软管，并且电磁流量计212与缓冲罐220之间的软管长度大于十倍的电磁流量计212的圆管流道内径，同时，电磁流量计212与调节阀213之间的软管长度也大于十倍的电磁流量计212的圆管流道内径，由此可保证电磁流量计212测量数据的准确性。当然，软管的长度并不以此为限。

继续结合图1、图3-5、图7所示，电导率测量系统300还包括分别与入口电导探针310、出口电导探针320电连接的数据采集及处理单元330。其中，入口电导探针310分别内置于各加药直管121下游的第一安装座124内并伸入加药直管121内，混合流体流经入口电导探针310时，可测得入口电导率，通过对所有加药直管121内混合流体的监测可得到入口电导率分布，从而实现堆芯组件加药后混合流体电导率的实时测量，数据采集及处理单元330通过对加药流量分布的监测，根据质量守恒定理，可实现对上腔室入口流量分配的监测。

对应地，每一热管段150的不同位置分别设有第二安装座151，图1、图4中仅示意性的绘制两个，各出口电导探针320分别对应于安装于各第二安装座151内并伸入热管段150内，其用于测量热管段150不同截面位置处的混合流体电导率，以获得反应堆冷却剂在热管段150出口流动的浓度分层特征，数据采集及处理单元330根据上腔室入口盐溶液浓度梯度与温度梯度间的对应关系，获得冷却剂在热管段150内流动的温度分层特征。

下面再次参看图1所示，所述上腔室模拟体140包括中空的上腔室141以及连接于上腔室141顶部的上封头142，上腔室141的底部与入口直管段130固定连接，且上腔室141内设有多组导向筒组件143、支撑柱组件144，热管段150安装于上腔室141并沿其径向延伸。

下面再次结合图1-7所示，对本实用新型之反应堆模拟实验装置的实施过程及原理进行说明。

首先对反应堆模拟实验装置进行组装，具体如下：先将入口电导探针310安装于加药直管121上的第一安装座124内，并在加药直管121的加药接口122连接加药单元210的连接管211(如图5所示)，再将177个加药直管121分别插接于入口直管段130的底部和入口承压水箱110的上盖板111，并通过螺杆拉紧实现密封连接；然后将上腔室模拟体140安装于入口直管段130，并将加药直管段120与入口承压水箱110的上盖板111固定，完整的实验模拟体100如图1所示；最后将组合完毕的反应堆模拟实验装置置于实验回路中。

本实用新型的反应堆模拟实验装置，根据能量微分方程与质量微分方程的类比分析，采用质量传递过程模拟热量传递过程，以示踪盐溶液浓度梯度表征堆芯出口温度梯度，两者存在线性对应关系；实验过程中主流以额定流量运行，同时根据堆芯出口温度分布，预设堆芯出口各组件的加药浓度，进而换算出对应的加药流量分布，以此为基准调节加药系统的各加药单元210，以对堆芯组件进行整体或/和独立加药，模拟冷却剂在上腔室内的流动及交混情况，在各热管段150的出口不同位置处分别布置电导率测点，测量堆芯冷却剂经上腔室的交混后在热管段150的出口截面上各测点的电导率值，获得反应堆冷却剂在热管段150内流动的浓度分层特征，根据上腔室入口盐溶液浓度梯度与温度梯度间的对应关系，获得冷却剂在热管段150内流动的温度分层特征。具体过程如下：

回路开启后，主流流体在主泵作用下流经入口承压水箱110、加药直管段120、入口直管段130和上腔室141，最后通过热管段150的出口流出。其中，加药示踪盐溶液经柱塞泵230进入加药缓冲罐220，再分流至177路加药单元210，通过加药单元210分别注入各加药直管121内，其中，各加药单元210均可以通过调节阀213调节其流量，并通过电磁流量计212进行计量。

加药示踪盐溶液与主流流体进入加药直管121后在节流孔板123的作用下充分混合，混合流体流经入口电导探针31时测得入口电导率，再经入口直管段130整流以保证流体在入口直管段130内的流场与原型堆芯相似，最后进入上腔室141，并在其内构件的充分交混下，分配到各个热管段150并流出进入循环回路；其中，热管段150出口截面内不同位置的混合流体的电导率由出口电导探针320测量。

数据采集及处理单元330获得反应堆冷却剂在热管段150内流动的浓度分层特征，并根据上腔室入口盐溶液浓度梯度与温度梯度间的对应关系，获得冷却剂在热管段150内流动的温度分层特征，使得温度分层实验能够在常温常压条件下开展，大大降低了实验测量系统及仪表的设计难度、本体强度要求、密封技术要求及实验成本，增加了实验装置的系统可靠性。同时，各加药单元210独立可调，可实现对任一组件进行单独加药，因此可以进行反应堆(单一组件及区域组件)上腔室交混特性的研究以获得各组件的交混特性。

综上，由于本实用新型的反应堆模拟实验装置，首先，通过入口直管段130的设置保证上腔室入口流场稳定；其次，其加药直管段120设有多个分别连通入口承压水箱110、入口直管段130的加药直管121，采用上下直通式加药直管121替代实验装置的堆芯组件，保证了各通道几何结构相似，既满足了狭小空间结构内仪表安装要求和旁流加药混合需求，又满足了各入口流道结构、流量分配及阻力系数的一致性要求，使整个实验模拟体100的设计具有结构简单、布局紧凑、仪表安装方便等特点；再者，通过独立可控的多路加药单元210，实现堆芯全组件的分布式加药，不仅可以满足热管段150出口热分层现象的研究，还可以开展反应堆单一组件及区域组件的上腔室交混特性的实验研究；最后，本反应堆模拟实验装置采用质量传递过程模拟热量传递过程，以示踪盐溶液浓度梯度表征堆芯出口温度梯度，使得实验能够在常温常压条件下开展，不仅有效降低了实验测量系统及仪表的设计难度，同时极大的降低了模拟体强度要求、密封技术要求及实验成本，增加了模拟实验装置的系统可靠性。

以上所揭露的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (14)

1.一种反应堆模拟实验装置，其特征在于，包括：

实验模拟体，其包括依次设置的入口承压水箱、加药直管段、入口直管段以及上腔室模拟体，所述上腔室模拟体连接有热管段，其中，所述加药直管段设有多个分别连通所述入口承压水箱、所述入口直管段的加药直管；

加药系统，其包括多路可独立控制流量及通断的加药单元，各所述加药单元分别连接至各所述加药直管；

电导率测量系统，其包括安装于所述加药直管段的入口电导探针及安装于所述热管段的出口电导探针。

2.如权利要求1所述的反应堆模拟实验装置，其特征在于，每一所述加药直管均包括沿流体流动方向依次设置的加药接口、节流孔板及第一安装座，所述节流孔板设于所述加药直管的内部，所述加药接口、所述电导探针分别凸设于所述加药直管的外侧，所述加药接口用于连接所述加药单元，所述第一安装座用于安装所述入口电导探针。

3.如权利要求2所述的反应堆模拟实验装置，其特征在于，所述加药接口与所述节流孔板之间的间距大于等于五倍所述加药直管的管径，所述节流孔板与所述第一安装座之间的间距大于等于十倍所述加药直管的管径。

4.如权利要求1所述的反应堆模拟实验装置，其特征在于，每一所述加药直管的两端分别插接于所述入口承压水箱、所述入口直管段并与之密封连接。

5.如权利要求4所述的反应堆模拟实验装置，其特征在于，每一所述加药直管的两端分别设有第一法兰及第二法兰，所述第一法兰、所述第二法兰内分别嵌设有密封件，所述加药直管的两端分别插接于所述入口承压水箱、所述入口直管段后，所述第一法兰、所述第二法兰分别抵接于所述入口承压水箱、所述入口直管段并挤压所述密封件。

6.如权利要求4所述的反应堆模拟实验装置，其特征在于，所述入口承压水箱的顶部盖设有一上盖板，所述上盖板开设有多个通孔，各所述加药直管分别对应插接于各所述通孔内并与所述上盖板密封连接。

7.如权利要求1所述的反应堆模拟实验装置，其特征在于，各所述加药单元均包括连接管及依次安装于所述连接管上的电磁流量计、调节阀及截止阀，所述连接管的一端连接所述加药直管。

8.如权利要求7所述的反应堆模拟实验装置，其特征在于，所述加药系统还包括一缓冲罐，所述缓冲罐与各所述加药单元的所述连接管相连。

9.如权利要求8所述的反应堆模拟实验装置，其特征在于，所述电磁流量计与所述缓冲罐、所述调节阀之间的长度均大于十倍所述电磁流量计的圆管流道内径。

10.如权利要求8所述的反应堆模拟实验装置，其特征在于，所述加药系统还包括柱塞泵，所述缓冲罐通过所述柱塞泵连接至加药水箱。

11.如权利要求1所述的反应堆模拟实验装置，其特征在于，所述入口直管段的长度为其流通通道直径的十倍。

12.如权利要求1或11所述的反应堆模拟实验装置，其特征在于，所述入口直管段包括相连接的压力容器本体及堆芯上板，所述压力容器本体上设有与所述加药直管的数量相对应的入口直管。

13.如权利要求1所述的反应堆模拟实验装置，其特征在于，所述热管段的不同位置分别凸设有第二安装座，各所述出口电导探针分别安装于各所述第二安装座内。

14.如权利要求1所述的反应堆模拟实验装置，其特征在于，所述上腔室模拟体包括上腔室以及设于所述上腔室内的多组导向筒组件、支撑柱组件，所述热管段安装于所述上腔室。

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