一种可控非均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验方法与流程

本发明涉及球床式高温气冷堆含内热源石墨球加热实验，具体为一种可控非均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验方法。

背景技术：

1、能源作为社会与经济发展的重要基础，是人类社会生存和发展的重要前提。随着资源的日益消耗以及与日俱增的环境压力，清洁、经济、安全、高效的第四代核反应堆技术被逐步重视与发展。球床式高温气冷堆作为第四代先进反应堆堆型之一，其使用氦气作为冷却剂、石墨作为中子慢化剂，堆芯由装在反应堆压力容器内的球形燃料元件堆积而成，具有固有安全性、发电效率高、系统简单、用途广泛、模块化建造等特点与优势。

2、在球床式高温气冷堆实验系统中，为降低实验成本并提高测量精度，一般通过将成百上千个石墨球进行规则或不规则排列来近似模拟实际球床堆内的布置情况。同时通过电加热方式替代堆芯内热源的发热，从而实现对球床堆实验系统的加热。

3、目前常规实验球床堆的加热方法有通过感应线圈加热以及内插电加热棒加热方式。而实际球床反应堆中热量来源于燃料球内部的裂变反应且呈现出散点不均匀性，与采用感应线圈加热以及电热棒加热存在显著区别。同时，使用电磁场对球床堆内石墨球加热存在集服效应，石墨球表面热内部冷，导致加热不均匀且难以对局部散点石墨球加热功率进行控制。因此，为了保证实验装置内的热量产生与温度分布符合球床式高温气冷堆内散点非均匀分布的实际情况，以期获得准确的流动传热预测模型，需提出一种在石墨球加热实验中实现非均匀多点分布式加热的控制方法。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

3、本发明实施例的第一方面，提供一种可控非均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验方法，包括：在同一水平面上将石墨球按规定分布方式排列堆积在环形容器内，并对石墨球内的电阻丝进行串联组合；将不同水平面上串联的石墨球电阻丝均连接变阻器后并联接入开关及保护器；通过调节并联连接的不同层级的变阻器阻值以及设置在各石墨球中的电阻丝阻值分布，实现对不同位置的石墨球的加热功率控制，从而沿径向和轴向形成发热量非均匀散点分布式的球床加热装置。

4、作为本发明所述的可控非均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验方法的一种优选方案，其中：石墨球特定位置处的加热功率的计算包括，

5、所述环形容器内的总加热功率的计算包括，

6、

7、其中，qtot表示电源输入的总加热功率，i表示加热电阻丝的电流，n表示加热电阻丝的总数量，ri表示加热电阻丝的电阻；

8、保温层中的热量损失的计算包括，

9、

10、其中，qi,loss表示保温层中的热量损失，kins表示保温层材料的导热系数，ai表示保温层的横截面积，lins表示保温层厚度，tbed表示球床堆边界处的温度，tenv表示对应保温层外部处的环境温度。

11、作为本发明所述的可控非均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验方法的一种优选方案，其中：还包括，

12、在稳态条件下，所述环形容器内球床堆所在区域的热损失等于各个位置的热损失之和，表示为：

13、qbedloss＝(qlosst,top+qloss,bottom+qloss,side)

14、其中，qbedloss表示环形容器内球床堆所在区域的热损失，qlosst,top表示球床堆在顶部位置的热损失，qloss,bottom表示球床堆在底部位置的热损失，qloss,side表示球床堆在侧边位置的热损失。

15、作为本发明所述的可控非均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验方法的一种优选方案，其中：所述对石墨球内的电阻丝进行串联组合的步骤包括，

16、在同一水平面上将石墨球沿中心线进行剖切后按规定分布方式排列堆积在环形容器内，在所述石墨球贴合位置处进行标记并钻孔；

17、将连接好的通电导线与电阻丝放入石墨半球，同时将另一半石墨球覆盖，通过石墨胶耐高温材料进行缝合，并使用压紧装置保证石墨球的密封性，其中，电阻丝选用镍铬合金材质承受高温；

18、在石墨球与环形容器接触位置进行标记，根据所述标记的位置对所述环形容器进行打孔，将通电导线通过小孔引出所述环形容器，在环形容器开孔位置采用卡套式密封方式，通过螺纹连接将通电导线与所述环形容器开孔位置逐步压紧并贴合，使用高温绝缘胶实现环形容器绝缘密封；

19、通过设置石墨球内部电阻丝阻值以及电阻丝与通电导线的排列方式，形成可串联连接的排列方法，通过在环形容器侧孔连接外部电源以及变阻器，实现对同一个水平面上的各个石墨球内热源不同加热功率的控制。

20、作为本发明所述的可控非均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验方法的一种优选方案，其中：不同位置处的石墨球采用不同规格的电阻丝，实现水平空间内散点电阻值分布。

21、作为本发明所述的可控非均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验方法的一种优选方案，其中：所述环形容器外的通电导线按照系统原理图分别对每一层的通电导线连接变阻器，同时实行并联连接后在总电路上接入开关及保护器，最后接入总的电源中，实现对环形容器内不同层石墨球内热源的散点分布式非均匀加热控制。

22、作为本发明所述的可控非均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验方法的一种优选方案，其中：在进行球床堆加热实验时，先打开总开关，通过调节并联连接的不同层级的变阻器阻值以及设置在各石墨球中的电阻丝阻值分布，使石墨球开始缓慢加热升温，使各个石墨球得到不同的加热功率，进而达到预定的加热量以及加热温度，实现对不同位置的石墨球的加热功率控制，从而沿径向和轴向形成发热量非均匀散点分布式的球床加热装置。

23、本发明实施例的第二方面，提供一种可控非均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验装置，包括：

24、内部串联组合单元，用于在同一水平面上将石墨球按规定分布方式排列堆积在环形容器内，并对石墨球内的电阻丝进行串联组合；

25、外部并联连接单元，用于将不同水平面上串联的石墨球电阻丝均连接变阻器后并联接入开关及保护器；

26、功率控制调节单元，用于通过调节并联连接的不同层级的变阻器阻值以及设置在各石墨球中的电阻丝阻值分布，实现对不同位置的石墨球的加热功率控制，从而沿径向和轴向形成发热量非均匀散点分布式的球床加热装置。

27、本发明实施例的第三方面，提供一种设备，所述设备包括，

28、处理器；

29、用于存储处理器可执行指令的存储器；

30、所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行本发明任一实施例所述的方法。

31、本发明实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，包括：

32、所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的方法。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

34、本发明提供的一种可控非均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验方法，在石墨球内放置电阻丝，通电使石墨球加热；同一层、不同位置的石墨球由导线串联连接；不同层级的石墨球之间由导线并联连接；通过设置每个石墨球电阻丝的阻值以及控制不同层级的变阻器阻值，使得球床堆实验装置在不同区域产生不同的发热量，从而实现径向和轴向的非均匀功率分布。与现有通过感应线圈以及加热棒加热球床的实验方法相比，本发明能够更加有效保证含内热源石墨球功率分布的非均匀性以及实验的合理性。