一种加热棒及加热棒束装置的制作方法

1.本发明属于反应堆热工水力实验研究领域，具体涉及一种加热棒及加热棒束装置。


背景技术：

2.临界热流密度是限制换热的关键性因素，对于反应堆安全性至关重要，当燃料元件表面的热流密度超过某一极限值时，会引起燃料元件表面温度急剧上升，严重时可能会导致燃料元件破损，放射性物质泄漏，因此预测临界热流密度的大小对于反应堆的安全性至关重要。
3.在反应堆热工安全研究中，采用实验方式进行临界热流密度研究较为常见。由于核燃料棒中的核燃料具有放射性，因此在实际实验中不能直接采用核燃料元件进行热工水力实验研究，而是采用电加热棒代替核燃料元件进行实验，通过电加热棒的发热模拟核燃料元件的发热从而进行相应的实验研究。
4.不同反应堆的燃料元件排列方式不同，燃料棒之间间隙不同。脉冲堆属于低压自然循环换热的研究堆，燃料元件排列方式与常规压水堆不同。目前较多文献对于圆管、环型结构的高压工况下的临界热流密度实验研究较多，而对于棒束通道的临界热流密度研究较少，直接应用这些实验数据对低压工况的临界热流密度预测存在很大误差，因此有必要对低压棒束通道内的临界热流密度进行相应地实验研究。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术无法对流体在低压低流量工况下棒束通道内的临界热流密度进行研究的技术问题，本发明提供了一种加热棒及加热棒束装置，具体技术方案如下：
6.一种加热棒，其特殊之处在于，包括：加热管、分别设置在加热管轴向两端的上导电电极和下导电电极；所述加热管包括加热管壳体，及沿轴向设置在加热管壳体内中空的陶瓷固定管，所述陶瓷固定管外侧沿轴向间隔设置有多个测温环，每个所述测温环内部设有多个凹槽，每个所述凹槽内均置有热电偶，每个热电偶的连接导线在加热管内沿陶瓷固定管外壁汇聚，并从上导电电极内部沿轴向伸出；所述陶瓷固定管下端与下导电电极连接。
7.进一步地，所述测温环为c型结构，以此实现不同位置的多点测温；所述热电偶的探头与测温环通过银钎焊接，从而提高装置的测温精度。
8.进一步地，每个所述测温环和加热管壳体之间设有绝缘导热套管，绝缘导热套管材质选用氮化硼，其导热性能好且绝缘，可避免测温探头导电，从而影响热电偶正常工作。
9.进一步地，所述上导电电极内部设有中空的陶瓷管，所述陶瓷管上端与上导电电极上端通过绝缘锁紧螺帽连接，下端与陶瓷固定管间存在间隙。
10.进一步地，所述加热管的长度及加热管壳体的厚度均可调节，从而根据实际应用场景，实现不同的加热功率。
11.进一步地，所述上导电电极、加热管和下导电电极之间均采用银钎焊接，以此提高
装置的加工精度。
12.本发明还提供了一种加热棒束装置，包括由多根加热棒组成的加热棒束、分别套设在加热棒束两端的正极组件和负极组件、以及沿电路回流方向依次设置的电流分流器、正极导电连接装置、直流电源和负极导电连接装置；还包括设置在正极组件和负极组件之间的电压变送器。
13.进一步地，所述正极组件和负极组件分别由多个电极夹组成，多个电极夹由多个中部电极夹和两个端部电极夹组成，所述端部电极夹径向外侧设有电源接口，内侧沿轴向设有多个尺寸相同的第一凹槽；所述中部电极夹径向两侧分别沿轴向设有多个尺寸相同的第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽的尺寸也相同；所述第一凹槽和与第一凹槽相邻的第二凹槽之间、相邻的中部电极夹在相邻一侧的第二凹槽之间的位置分别对应，且分别围成多个第一通孔，所述多个第一通孔与加热棒的排列方式对应，且第一通孔的内径与加热棒的外径相同；各电极夹之间分别通过螺栓将加热棒夹持固定在对应的第一通孔内。
14.进一步地，所述第一通孔内可添加绝缘护套来实现加热棒的单独加热功能，以此提高该装置的适用性。
15.进一步地，所述直流电源采用低电压高电流的供电方式，最大电压为25v，最大电流为20000a，与现有技术相比更适用于低压工况下的测试，且更符合用电安全的要求。
16.本发明的有益效果为：
17.1、本发明的加热棒包括加热管、上导电电极和下导电电极，加热管内设有多个测温环，测温环上又设有多个热电偶来实现多点测温，通过实时温度的测量可精确地获得流体的温度。
18.2、本发明通过合理设计加热管的厚度，采用相应的电压电流实现功率输入，实现了加热棒的输出功率可调，从而提高其适用性。
19.3、本发明采用将热电偶银钎焊接在测温环中的结构设计，能够按照需求灵活布置多个测温点，可获得精准的测量结果。
20.4、本发明的加热棒束结构排列方式与脉冲堆燃料元件排列方式相同，可以满足脉冲堆低压工况下的临界热流密度实验研究。
21.5、本发明的加热棒束装置，通过在加热棒和电极组件之间增加绝缘套，可以实现各个加热棒的单独控制，尤其用于中间通道温度高，周围通道温度低的运行工况下的实验研究。
22.6、本发明的正极组件、负极组件、测温环、上导电电极和下导电电极的材质均为t2无氧紫铜，该材质导电性较好且成本较低。
23.7、加热管的材质为inconel 625，其抗氧化性好，并且抗酸碱腐蚀能力强，不仅可为测试结果提供精确的数据支撑，同时也可提高装置整体的使用寿命。
附图说明
24.图1为本发明实施例的一种加热棒结构的轴向剖视图。
25.图2为本发明实施例的一种加热棒结构中测温环结构的剖视图。
26.图3为本发明实施例的一种加热棒结构中测温环的俯视图。
27.图4为本发明实施例的一种加热棒结构中多个测温环的设置参考图。
28.图5为本发明实施例的一种加热棒束装置的结构示意图。
29.图6为本发明实施例的一种加热棒束装置结构中正极组件或负极组件的径向剖视图。
30.附图标记如下：
31.1-加热棒束、2-正极组件、3-负极组件、4-直流电源、5-电流分流器、6-电压变送器、7-正极导电连接装置、8-负极导电连接装置、9-加热棒、10-加热管、11-连接导线、12-绝缘锁紧螺帽、13-陶瓷管、14-上导电电极、15-绝缘导热套管、16-测温环、17-陶瓷固定管、18-加热管壳体、19-下导电电极、20-热电偶、21-电极夹、22-电源接口、23-第一通孔、24-螺栓、25-中部电极夹、26-端部电极夹、27-第一凹槽、28-第二凹槽。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种加热棒及加热棒束装置作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚，需要说明的是：附图采用简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。本发明中的术语“上端”“上部”“上”等表示靠近正极组件2一端，“下端”“下部”“下”等表示靠近负极组件3一端，术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
34.如图1所示，本实施例提供一种加热棒，包括加热管10、分别设置在加热管10轴向两端的上导电电极14和下导电电极19，上导电电极14、加热管10和下导电电极19之间均采用银钎焊接，且上导电电极14和下导电电极19的材质均为t2无氧紫铜。加热管10包括加热管壳体18，及沿轴向设置在加热管壳体18内中空的陶瓷固定管17，加热管10的长度及加热管壳体18的厚度均可调节，本实施例中加热管10的材质为inconel 625，该材质抗氧化性好，且抗酸碱腐蚀能力强，可延长使用寿命。
35.结合图1和图2，陶瓷固定管17下端与下导电电极19连接；陶瓷固定管17外侧沿轴向间隔设置有多个测温环16，测温环16的材质选择t2无氧紫铜，其导电性佳，抗氧化性较好。每个测温环16和加热管壳体18之间设有绝缘导热套管15，绝缘导热套管15选择氮化硼材质，该材质耐高温，熔点较高，导热性好且绝缘，可避免测温探头导电，从而影响热电偶正常工作，提高测量结果的精度。
36.结合图1、图2和图3，测温环16为c型结构，每个测温环16内部设有多个凹槽，每个凹槽内均置有热电偶20，热电偶20的探头与测温环16通过银钎焊接，热电偶20选择铠装热电偶，该材质耐高温、热响应时间快，可提高测量的效率及精度。每个热电偶20的连接导线11在加热管10内沿陶瓷固定管17的外壁汇聚，并从上导电电极14内部沿轴向伸出。测温环16内布置多个测温的热电偶20是避免加热管壳体18的内壁面温度升高时，局部区域不在所布置的测温点处，导致测量结果不准确的问题，此种多点设置可提高测量结果的精度。
37.如图1所示，上导电电极14内部设有中空的陶瓷管13，陶瓷管13上端与上导电电极14上端通过绝缘锁紧螺帽12连接，陶瓷管13下端与陶瓷固定管17间存在间隙，从而使得多个热电偶20的连接导线11汇聚并经此间隙伸入上导电电极14内部，进而伸出电热棒9，并与外接设备(图中未示出)连接进行相关参数的测量及读取。
38.如图4所示，测温环16的位置依据加热管10的长度及实际需求进行设置，测温环16在加热管壳体18的内壁上，沿轴向从上至下依次布置，一般从上至下相邻测温环16间的间隔距离依次增加,因临界热流密度实验时，局部壁面温度升高的区域一般在加热段上部，一般上部的多个测温环16之间的间距为20-30mm，下部的多个测温环16之间的间距可为40-80mm，以此来提高测量结果的精度。
39.如图5所示，本发明还提供了一种加热棒束装置，包括由多根加热棒9组成的加热棒束1、分别套设在加热棒束1两端的正极组件2和负极组件3、以及沿电路回流方向依次设置的电流分流器5、正极导电连接装置7、直流电源4和负极导电连接装置8，直流电源4采用低电压高电流的供电方式，最大电压为25v，最大电流为20000a，最大功率可达500kw，可真实模拟脉冲堆反应，为相关参数的采集提供强有力的支撑。加热棒束装置还包括设置在正极组件2和负极组件3之间的电压变送器6。
40.如图6所示，正极组件2和负极组件3分别由多个电极夹21组成，多个电极夹21由多个中部电极夹25和两个端部电极夹26组成，端部电极夹26径向外侧设有电源接口22，用于连接外部电源，内侧沿轴向设有多个尺寸相同的第一凹槽27；中部电极夹25径向两侧分别沿轴向设有多个尺寸相同的第二凹槽28，第一凹槽27和第二凹槽28的尺寸也相同；第一凹槽27和与第一凹槽27相邻的第二凹槽28之间、相邻的两个中部电极夹25相邻一侧的第二凹槽28之间的位置分别对应，且分别围成多个第一通孔23，多个第一通孔23与加热棒9的排列方式对应，且第一通孔23的内径与加热棒9的外径相同；各电极夹21之间分别通过螺栓24将加热棒9夹持固定在对应的第一通孔23内。
41.作为本发明的优选方案，可在安装加热棒束装置时，在正极组件2或负极组件3的第一通孔23内通过添加相应数量的绝缘护套来实现某一根或某几根加热棒的单独加热功能，具体安装方式为：安装时先将绝缘护套套设在加热棒上(与第一通孔23对应的位置处)，然后将各电极夹21通过螺栓24紧固，该方式可真实地模拟脉冲堆内不同堆芯布置方式的真实情况。
42.通过本发明的技术方案，可对流体在低压低流量工况下棒束通道内的临界热流密度进行研究，弥补了行业空白，为研究真实的脉冲堆反应过程提供了强有力的理论及数据支撑。
43.以上内容仅用来说明本发明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。