六自由度运动条件下核反应堆单棒沸腾临界试验装置及方法

1.本发明涉及静止条件与海洋条件下燃料棒表面chf影响机理研究领域，具体涉及一种六自由度运动条件下核反应堆单棒沸腾临界试验装置及方法。


背景技术：

2.临界热流密度(chf)，作为反应堆热工水力设计的重要热工安全准则之一，是核燃料元件表面发生传热恶化时的热通量。反应堆燃料元件表面一旦发生沸腾临界，将会导致燃料元件表面温度过高从而造成包壳烧毁，放射性物质泄漏，造成严重的核事故，目前已有大量学者对静止条件下的chf特性开展了试验与理论研究，但海洋条件下的chf影响机理试验研究较少，因此必须重点研究海洋条件下堆芯燃料棒表面chf特性。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种六自由度运动条件下核反应堆单棒沸腾临界试验装置及试验方法，为静止条件与海洋条件下燃料棒表面chf影响机理研究提供实验装置和方法。
4.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种六自由度运动条件下核反应堆单棒沸腾临界试验装置，所述试验装置包括单棒试验段1、预热段2、第二调节阀13、孔板流量计3、第一截止阀4、换热器5和调节阀6依次通过管道连接组成的试验回路，试验回路置于六自由度运动平台11上，完成海洋条件对临界热流密度影响的相关研究；第一截止阀4和换热器5之间的管道引出两根金属软管7，一根金属软管7通过第二截止阀14连接稳压器8，另一根金属软管7通过第三截止阀15连接屏蔽泵9，孔板流量计3和第一截止阀4之间的管道引出一根金属软管7，该金属软管7通过第四截止阀16连接补水泵10及屏蔽泵9；单棒试验段1连接直流电源12；
6.所述单棒试验段1由试验段入口17、试验段出口18、外部套管19、上部非加热区内管20、下部非加热区内管22、加热区内管21、高温高压密封法兰23、紫铜板电极24、出口腔室25和进口腔室26组成，加热区内管21连接在上部非加热区内管20和下部非加热区内管22之间，加热区内管21、上部非加热区内管20和下部非加热区内管22置于外部套管19中，在外部套管19与上部非加热区内管20、下部非加热区内管22和加热区内管21之间的环形通道为流体流道；外部套管19底部通过高温高压密封法兰23连接包覆下部非加热区内管22下段的进口腔室26，外部套管19顶部通过高温高压密封法兰23连接包覆上部非加热区内管20上段的出口腔室25，试验段入口17和试验段出口18分别连通进口腔室26和出口腔室25，高温高压密封法兰23上连接有紫铜板电极24。
7.采用去离子水为流动工质，去离子水自稳压器8和屏蔽泵9进入水平蛇形的预热段2，而后进入单棒试验段1，再经过换热器5，最终返回稳压器8，形成闭式循环；不经过屏蔽泵9为自然循环。
8.所述单棒试验段1进出口设置有出口腔室25和进口腔室26，用于减小进入环形通
道的工质湍流度，消除试验段的进出口效应。
9.所述上部非加热区内管20和下部非加热区内管22的材料为t2紫铜，加热区内管21材料为inconel 625，非加热区的作用是使得流体进入加热区时处于充分发展段，由于350℃以下铜管的电阻远小于inconel 625圆管的电阻，因此电源的绝大部分加热功率作用于inconel 625圆管，使得临界热流密度在加热区发生。
10.所述单棒试验段1的上部非加热区内管20和下部非加热区内管22与加热区内管21的连接方式为紧配合连接，外径9.5mm、内径5.5mm的上部非加热区内管20和下部非加热区内管22一端开有高度3mm环形凸台，使外径9.5mm，内径7.5mm的加热区内管21与两端上部非加热区内管20和下部非加热区内管22紧密贴合，然后再采用银钎焊方法将管子之间紧配合余留的环隙进行焊接，有效解决了连接处电阻过大的问题。
11.所述单棒试验段1设计有高温高压密封法兰23，该法兰是单棒试验段设计制造的关键，上部非加热区内管20和下部非加热区内管22分别从单棒试验段最顶部与最底部的高温高压密封法兰23穿出，出口腔室25筒体高温高压密封法兰与顶端高温高压密封法兰连接处、进口腔室26筒体高温高压密封法兰与最底部高温高压密封法兰的连接处，均采用四氟乙烯垫片进行绝缘密封；由于四氟乙烯垫片最高耐温250℃，试验段的最顶部与最底部的高温高压密封法兰均采用水冷法兰，保证临界热流密度试验过程中四氟乙烯垫片工作温度远低于250℃；腔室筒体法兰、水冷法兰和法兰连接螺栓均喷涂特氟龙材料以实现绝缘，水冷法兰与上部非加热区内管20和下部非加热区内管22之间采用石墨填料密封，由压紧盖压紧石墨密封环，确保单棒试验段在高温高压试验工况下不发生泄漏。
12.所述的一种六自由度运动条件下核反应堆单棒沸腾临界试验装置的试验方法，包括如下步骤：
13.1)启动屏蔽泵9，待孔板流量计3示数稳定后，调节第一调节阀6和第二调节阀13开度，达到试验工况所需的流量和压力条件；
14.2)投入预热段2，阶梯式增加预热段2功率，预热段2升功率和单棒试验段1升功率同步进行，当单棒试验段1的功率达到数值模拟计算所得沸腾临界功率的70％时，缓慢提升加热功率；
15.3)缓慢提升加热功率，直到沸腾临界出现，在此过程中，功率每增加2％，当前功率维持不变，直至流量和压力稳定，然后持续提升单棒试验段功率直至壁温飞升即沸腾临界发生，此时断开直流电源12，停止对单棒试验段1加热；壁温飞升判定标准为：当加热区内管21内壁面温度以5～15℃/s速度上升且无回落，持续3s以上，此时认为沸腾临界发生；
16.4)改变静止条件下单棒试验段进口压力、质量流速和进口温度，重复步骤3，直至所有静止条件下单棒临界热流密度试验工况完成；
17.5)重新提升单棒试验段功率，待流量、压力稳定后，投入六自由度运动平台11，对六自由度运动平台11输入不同的倾斜角度、摇摆角度与运动周期以模拟海洋条件下的运动情况，执行步骤3，从而获得海洋条件下的单棒临界热流密度值；
18.6)打开第一截止阀4，关闭第三截止阀15和第四截止阀16，将屏蔽泵9隔离，重复步骤2～5，即完成静止与海洋条件下的自然循环单棒沸腾临界实验。
19.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
20.1)除稳压器8、屏蔽泵9、直流电源12外，其余主系统设备均放置在六自由度运动平
台11上，可完成海洋条件对chf影响的相关研究。
21.2)上部非加热区内管20和下部非加热区内管22与加热区内管21的连接方式为紧配合连接，采用银钎焊方法将管子之间紧配合余留的环隙进行焊接，这种设计有效解决了连接处电阻过大的问题。
22.3)上部非加热区内管20和下部非加热区内管22分别从单棒试验段最顶部与最底部的两块高温高压密封法兰穿出，出口腔室25筒体高温高压密封法兰与顶端高温高压密封法兰连接处、进口腔室26筒体高温高压密封法兰与最底部高温高压密封法兰的连接处，均采用四氟乙烯垫片进行绝缘密封。腔室筒体法兰、水冷法兰和法兰连接螺栓均喷涂特氟龙材料以实现绝缘，水冷法兰与内部圆管之间采用石墨填料密封，由压紧盖压紧石墨密封环，确保单棒试验段在高温高压试验工况下不发生泄漏。
附图说明
23.图1为本发明一种单棒chf试验装置的系统示意图。
24.图2为本发明一种单棒chf试验装置的试验段示意图。
25.图3为试验段内部圆管焊接示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
27.如图1所示，本发明一种六自由度运动条件下核反应堆单棒沸腾临界试验装置，所述试验装置包括单棒试验段1、预热段2、第二调节阀13、孔板流量计3、第一截止阀4、换热器5和调节阀6依次通过管道连接组成的试验回路，试验回路置于两吨级的六自由度运动平台11上，完成海洋条件对临界热流密度影响的相关研究；第一截止阀4和换热器5之间的管道引出两根金属软管7，一根金属软管7通过第二截止阀14连接稳压器8，另一根金属软管7通过第三截止阀15连接屏蔽泵9，孔板流量计3和第一截止阀4之间的管道引出一根金属软管7，该金属软管7通过第四截止阀16连接补水泵10及屏蔽泵9；单棒试验段1连接直流电源12；
28.如图2所示，所述单棒试验段1由试验段入口17、试验段出口18、外部套管19、上部非加热区内管20、下部非加热区内管22、加热区内管21、高温高压密封法兰23、紫铜板电极24、出口腔室25和进口腔室26组成，加热区内管21连接在上部非加热区内管20和下部非加热区内管22之间，加热区内管21、上部非加热区内管20和下部非加热区内管22置于外部套管19中，在外部套管19与上部非加热区内管20、下部非加热区内管22和加热区内管21之间的环形通道为流体流道；外部套管19底部通过高温高压密封法兰23连接包覆下部非加热区内管22下段的进口腔室26，外部套管19顶部通过高温高压密封法兰23连接包覆上部非加热区内管20上段的出口腔室25，试验段入口17和试验段出口18分别连通进口腔室26和出口腔室25，高温高压密封法兰23上连接有紫铜板电极24。
29.可开展闭式强迫循环与自然循环流动换热试验，采用去离子水为流动工质，去离子水自稳压器8和屏蔽泵9进入水平蛇形的预热段2，而后进入单棒试验段1，再经过换热器5，最终返回稳压器8，形成闭式循环；不经过屏蔽泵9为自然循环。
30.所述单棒试验段1进出口设置有出口腔室25和进口腔室26，用于减小进入环形通道的工质湍流度，消除试验段的进出口效应。
31.作为本发明的优选实施方式，所述上部非加热区内管20和下部非加热区内管22的材料为t2紫铜，加热区内管21材料为inconel 625，非加热区的作用是使得流体进入加热区时处于充分发展段，由于350℃以下铜管的电阻远小于inconel 625圆管的电阻，因此电源的绝大部分加热功率作用于inconel 625圆管，使得临界热流密度在加热区发生。
32.如图3所示，作为本发明的优选实施方式，所述单棒试验段1的上部非加热区内管20和下部非加热区内管22与加热区内管21的连接方式为紧配合连接，外径9.5mm、内径5.5mm的上部非加热区内管20和下部非加热区内管22一端开有高度3mm环形凸台，使外径9.5mm，内径7.5mm的加热区内管21与两端上部非加热区内管20和下部非加热区内管22紧密贴合，然后再采用银钎焊方法将管子之间紧配合余留的环隙进行焊接，有效解决了连接处电阻过大的问题。
33.作为本发明的优选实施方式，所述单棒试验段1设计有高温高压密封法兰23，该法兰是单棒试验段设计制造的关键，上部非加热区内管20和下部非加热区内管22分别从单棒试验段最顶部与最底部的高温高压密封法兰23穿出，出口腔室25筒体高温高压密封法兰与顶端高温高压密封法兰连接处、进口腔室26筒体高温高压密封法兰与最底部高温高压密封法兰的连接处，均采用四氟乙烯垫片进行绝缘密封；由于四氟乙烯垫片最高耐温250℃，试验段的最顶部与最底部的高温高压密封法兰均采用水冷法兰，保证临界热流密度试验过程中四氟乙烯垫片工作温度远低于250℃；腔室筒体法兰、水冷法兰和法兰连接螺栓均喷涂特氟龙材料以实现绝缘，水冷法兰与上部非加热区内管20和下部非加热区内管22之间采用石墨填料密封，由压紧盖压紧石墨密封环，确保单棒试验段在高温高压试验工况下不发生泄漏。
34.如图1所示，本发明所述的一种六自由度运动条件下核反应堆单棒沸腾临界试验装置的试验方法，包括如下步骤：
35.1)启动屏蔽泵9，待孔板流量计3示数稳定后，调节第一调节阀6和第二调节阀13开度，达到试验工况所需的流量和压力条件；
36.2)投入预热段2，阶梯式增加预热段2功率，预热段2升功率和单棒试验段1升功率同步进行，当单棒试验段1的功率达到数值模拟计算所得沸腾临界功率的70％时，缓慢提升加热功率；
37.3)缓慢提升加热功率，直到沸腾临界出现，在此过程中，功率每增加2％，当前功率维持不变，直至流量和压力稳定，然后持续提升单棒试验段功率直至壁温飞升即沸腾临界发生，此时断开直流电源12，停止对单棒试验段1加热；壁温飞升判定标准为：当加热区内管21内壁面温度以5～15℃/s速度上升且无回落，持续3s以上，此时认为沸腾临界发生；
38.4)改变静止条件下单棒试验段进口压力、质量流速和进口温度，重复步骤3，直至所有静止条件下单棒临界热流密度试验工况完成；
39.5)重新提升单棒试验段功率，待流量、压力稳定后，投入六自由度运动平台11，对六自由度运动平台11输入不同的倾斜角度、摇摆角度与运动周期以模拟海洋条件下的运动情况，执行步骤3，从而获得海洋条件下的单棒临界热流密度值；
40.6)打开第一截止阀4，关闭第三截止阀15和第四截止阀16，将屏蔽泵9隔离，重复步骤2～5，即完成静止与海洋条件下的自然循环单棒沸腾临界实验。