一种适用于加热条件下环状棒束燃料元件可视化试验装置的制作方法

1.本发明属于反应堆热工水力技术领域，涉及一种适用于加热条件下环状棒束燃料元件可视化试验装置。


背景技术：

2.核反应堆燃料组件内冷却剂流动传热特性是反应堆热工水力的重要研究内容。目前绝大多数压水堆大均采用实心固体燃料芯块设计，随着反应堆功率的不断提高，堆芯体积的限制使得对单堆功率也提出了更高的要求。相比于环状燃料组件，传统实心燃料棒由于仅有外侧表面被冷却剂冷却，该设计很难满足提高反应堆单堆功率的安全限制，而环状燃料采用内外壁面同时冷却的冷却剂流动形式，相同堆芯功率密度下表现出比实心燃料更低的温度峰值，这也在一定程度上使燃料的dnbr裕量有所增加，因此环状燃料展示出优秀的经济性与安全性。
3.但是由于这种新型燃料元件采用中孔设计，燃料结构强度相比于传统元件有一定的下降，此外环状燃料的内外冷却剂流量分配在一定程度上决定了内外通道的换热分配裕量，极大地影响了反应堆热工水力特性。国内外学者多采用传统流量计与热电偶测量的方式燃料组件内的流动换热行为开展研究，但这些宏观测量方式无法获取燃料组件内部的流动换热细节，这导致对于通道内的热质传递机制仍缺乏深入的研究。因此有必要设计一种试验装置对环状燃料元件内外通道流场、温度场以及压差分布进行精细化测量研究，评估环状燃料热工水力特性，为新型燃料元件的设计提供依据。
4.环状燃料相比于实心燃料棒结构更为复杂，其内外通道流动流场及温度场精细化测量罕有人研究，因此有必要开发一套加热条件下环状燃料可视化试验系统针对环状燃料开展研究，该系统具备采集环状燃料流场、温场以及流量分配比的能力。
5.经过检索，专利文献cn209087418u公开了一种适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置,包括：实验回路部,实验回路部包括可视化实验本体、去离子水箱、磁力齿轮泵、过滤器、高压电源、观察段和可视化棒束实验段,可视化实验本体包括实验棒束；该现有技术对应的研究内容是针对于传统棒状燃料的水力特性开展研究，只能对燃料棒外表面进行加热，并不具备燃料棒内壁面加热的功能，无法对环状燃料开展研究。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种适用于加热条件下环状棒束燃料元件可视化试验装置，该装置能够对燃料棒的内外表面均进行加热，实现对环状棒束燃料元件可视化试验。
7.为达到上述目的，本发明所述的适用于加热条件下环状棒束燃料元件可视化试验装置包括上腔室、筒体、下腔室、环状燃料棒及直流电源；
8.上腔室与筒体的上端相连通，下腔室与筒体的下端相连通，筒体与上腔室之间设置有第一导电压紧铜牌，筒体与下腔室之间设置有第二导电压紧铜牌，环状燃料棒的上端
穿过第一导电压紧铜牌上，环状燃料棒的下端穿过第二导电压紧铜牌，第一导电压紧铜牌及第二导电压紧铜牌上均设置有棒束孔，环状燃料棒的中部位于筒体内；
9.环状燃料棒的内壁及外壁上均设置有ito镀膜，其中，第一导电压紧铜牌与环状燃料棒上端内壁及外壁上的ito镀膜相连接，第二导电压紧铜牌与环状燃料棒下端内壁及外壁上的ito镀膜相连接，且第一导电压紧铜牌及第二导电压紧铜牌与直流电源相连接；
10.所述下腔室的侧面设置有若干实验本体入口，所述下腔室上设置有若干实验本体出口；
11.所述筒体及环状燃料棒均为透明结构，环状燃料棒的内壁以及外壁上均设置有热电偶。
12.第一导电压紧铜牌与环状燃料棒上端内壁及外壁上的ito镀膜以及第二导电压紧铜牌与环状燃料棒下端内壁及外壁上的ito镀膜均通过连接铜垫相连接。
13.第一导电压紧铜牌上及第二导电压紧铜牌上均设置有压紧铜牌孔，其中，压紧铜牌孔位于筒体外。
14.筒体内设置有若干定位格架，其中，环状燃料棒穿过所述定位格架。
15.筒体上，下侧的固定孔板与第二导电压紧铜牌之间为弹簧伸缩段。
16.固定孔板上设置有用于供流体通过的流体通流孔以及用于供环状燃料棒穿过的燃料棒定位孔。
17.各实验本体入口对称布置。
18.各实验本体出口对称布置。
19.本发明具有以下有益效果：
20.本发明所述的适用于加热条件下环状棒束燃料元件可视化试验装置在具体操作时，通过在环状燃料棒的内壁及外壁上均设置有ito镀膜，同时与直流电源相连接，以实现对环状燃料棒内壁及外壁的加热，同时筒体及环状燃料棒均为透明结构，环状燃料棒的内壁以及外壁上均设置有热电偶，能够结合热电偶的温度测量以及可视化测量实现对环状燃料热工水力特性开展研究，同时结合粒子图像测速技术及激光诱导荧光测温技术对环状棒束通道开展精细化流场、温场全场测量，更有利于揭示环状燃料热质传递机理，并且研究结果可以cfd的验证提供丰富的数据基准。
附图说明
21.图1为本发明的结构示意图；
22.图2为筒体的截面图；
23.图3为固定孔板15的结构示意图。
24.其中，1为下腔室、2为实验本体入口、3为连接铜垫、4为压紧铜牌孔、51为第一导电压紧铜牌、52为第二导电压紧铜牌、6为棒束孔、7为弹簧伸缩段、8为定位格架、9为筒体、10为内壁、11为实验本体出口、12为上腔室、13为连接法兰、14为连接螺栓、15为固定孔板、16为外壁、17为流体通流孔、18为燃料棒定位孔。
具体实施方式
25.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的
附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
26.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
27.参考图1至图3，本发明所述的适用于加热条件下环状棒束燃料元件可视化试验装置包括上腔室12、筒体9、下腔室1、环状燃料棒及直流电源；
28.上腔室12与筒体9的上端相连通，下腔室1与筒体9的下端相连通，筒体9与上腔室12之间设置有第一导电压紧铜牌51，筒体9与下腔室1之间设置有第二导电压紧铜牌52，环状燃料棒的上端穿过第一导电压紧铜牌51上，环状燃料棒的下端穿过第二导电压紧铜牌52，第一导电压紧铜牌51及第二导电压紧铜牌52上均设置有棒束孔6，环状燃料棒的中部位于筒体9内，环状燃料棒的内壁及外壁上均设置有ito镀膜，其中，第一导电压紧铜牌51与环状燃料棒上端内壁及外壁上的ito镀膜以及第二导电压紧铜牌52与环状燃料棒下端内壁及外壁上的ito镀膜均通过连接铜垫3相连接，且第一导电压紧铜牌51及第二导电压紧铜牌52与直流电源相连接；
29.第一导电压紧铜牌51上及第二导电压紧铜牌52上均设置有压紧铜牌孔4，其中，压紧铜牌孔4位于筒体9外；
30.筒体9内设置有若干定位格架8，其中，环状燃料棒穿过所述定位格架8；
31.筒体9的上侧及下侧均设置有固定孔板15，其中，环状燃料棒穿过所述固定孔板15，其中，固定孔板15与筒体9之间连接法兰13及连接螺栓14相连接；
32.筒体9上底部的固定孔板15与第二导电压紧铜牌52之间为弹簧伸缩段7。
33.所述下腔室1的侧面设置有若干实验本体入口2，所述下腔室1上设置有若干实验本体出口11，各实验本体入口2对称布置，各实验本体出口11对称布置。
34.所述筒体9为透明结构，固定孔板15上设置有用于供流体通过的流体通流孔17以及用于供环状燃料棒穿过的燃料棒定位孔18。
35.环状燃料棒的内壁10以及外壁16上均设置有热电偶。
36.本发明的具体工作过程为：
37.流体经实验本体入口2进入到下腔室1内，在下腔室1内混合后进入到筒体9内，其中，流体分为两路，其中一路在环状燃料棒内流通，另一路在环状燃料棒外流通，其中，环状燃料棒的内壁10以及外壁16上均设置有ito镀膜，通过ito镀膜对环状燃料棒以及流体进行加热，随着温度的不断升高，使得筒体9发生一定程度的膨胀，通过弹簧伸缩段7缓解热胀冷缩所带来的应力，环状燃料棒外的流体流经定位格架8时由于搅浑翼片作用，流动发生复杂变化，随后环状燃料棒内外的流体经过上腔室12混合后从实验本体出口11流出；
38.进一步地，环状燃料棒的内壁10和环状燃料棒的外壁16分别布置有热电偶，结合
热电偶的温度测量和可视化测量对环状燃料热工水力特性开展研究。
39.环状燃料棒的内壁10上及外壁16上均镀有ito镀膜，使得本发明相比于传统可视化试验段具有加热的功能，而相比于传统金属试验段，本发明具有良好的可视化观测效果，可以保证针对环状燃料试验本体开展横截面与纵截面开展多角度可视化研究；
40.参考图3，通过固定孔板15使环状燃料棒呈现平行矩阵排列模式，解决试验段内流速较高或发生沸腾时可能带来环管振动的问题。
41.综上，本发明采用耐高温透明石英玻璃的筒体9及环状燃料棒，解决新型环状燃料元件热工水力精细化测量难题。拍摄内容多样，既能实现传统实验的棒外流动、格架交混的拍摄，还突破了环状燃料棒内外流场同时拍摄的难关，对于环形燃料反应堆内流动、传热、流量分配等方面的研究有较大帮助。该可视化测量试验本体可以结合粒子图像测速技术和激光诱导荧光测温技术对环状燃料棒开展精细化流场、温场全场测量，更有利于揭示环状燃料热质传递机理，并且研究结果可以cfd的验证提供丰富的数据基准。本发明试验装置结构简单，容易加工，价格低廉。
42.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
43.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。