一种用于模拟乏燃料水池失冷过程的高温试验装置和试验方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于模拟乏燃料水池失冷过程的高温试验装置和试验方法，试验装置包括用于盛放导热棒束(2)的盛放容器(1)、与盛放容器(1)的底部连通的补偿容器(3)以及设在盛放容器(1)的上部并与盛放容器(1)连通的循环水收集装置(6)，循环水收集装置(6)的下部还与补偿容器(3)的上部连通；盛放容器(1)和补偿容器(3)的外表面敷有保温材料，盛放容器(1)内上部还设有喷淋冷却装置(7)；补偿容器(3)配置有若干不同截面积的挤水棒(8)。本发明提供的试验装置和试验方法可实现乏池失冷后蒸干、干烧和喷淋冷却这个过程的模拟，且高温试验装置的结构简单，便于操作，成本低，安全可靠。
【专利说明】
一种用于模拟乏燃料水池失冷过程的高温试验装置和试验方法
技术领域
[0001]本发明属于乏燃料水池失冷模拟技术领域，具体涉及一种用于模拟乏燃料水池失冷过程的高温试验装置和试验方法。
【背景技术】
[0002]核电厂乏燃料池用于贮存从反应堆堆芯卸出的乏燃料组件，并提供冷却功能。事故后，乏燃料水池长期失去冷却或出现乏燃料池破口池水泄漏(简称“乏燃料水池失冷”)时，乏燃料将经历蒸干裸露过程，乏燃料包壳温度上升并可能损坏。在日本福岛核电站事故后，对乏燃料水池安全性研究得到更多重视。
[0003]乏燃料水池贮存的乏燃料组件是分时间和批次从堆芯卸出，根据乏燃料组件衰变功率曲线，随卸出时间长短，乏燃料组件具有不同的衰变功率水平。刚卸出的乏燃料组件具有较高的功率；而在完成正常换料后又经历紧急停堆卸出整个反应堆堆芯至乏燃料水池时，乏燃料水池承受最大的热负荷。因此，在正常贮存、正常卸料、紧急卸料等不同工况，乏燃料水池的热负荷和乏燃料组件功率水平不同。这些不同工况下失去冷却功能后乏燃料水池水位下降速度、最热燃料组件温升速度等会不同，在开展乏燃料水池模拟试验时，试验装置设计中需考虑具备模拟这些工况的能力。
[0004]—种缓解乏燃料水池失冷事故的重要手段是通过上部喷淋补水冷却裸露的乏燃料组件。喷淋冷却流量需求和有效性，进行喷淋冷却试验验证是必要的。
[0005]现有的试验装置存在以下缺点:I)采用单个容器盛放导热棒束，没有与盛放容器相连的补偿容器，不能模拟乏燃料水池的不同存储状态和工况;2)没有循环水收集装置，进行蒸干试验时，初始阶段气液两相流动阶段所夹带出的水不能回流到盛放容器内，导致试验与模拟工况出现较大偏差。
【发明内容】
[0006]针对现有技术中存在的缺陷，本发明的一个目的是提供一种用于模拟乏燃料水池失冷过程的高温试验装置，所述高温试验装置的结构简单，便于操作，成本低，安全可靠，能实现乏池失冷后蒸干、干烧和喷淋冷却这个过程的模拟。
[0007]本发明的另一个目的是提供一种用于模拟乏燃料水池失冷过程的高温试验方法，所述试验方法操作简便，能实现乏池失冷后蒸干、干烧和喷淋冷却这个过程的模拟，为提高乏燃料水池的安全性提供试验参数。
[0008]为达到以上目的，本发明采用的技术方案是:一种用于模拟乏燃料水池失冷过程的高温试验装置，所述高温试验装置包括用于盛放导热棒束的盛放容器、通过带调节阀的连接管I与盛放容器的底部连通的补偿容器以及设在盛放容器的上部并与盛放容器连通的循环水收集装置，循环水收集装置的下部还与补偿容器的上部连通;盛放容器和补偿容器的外表面敷有保温材料，盛放容器内上部还设有喷淋冷却装置;补偿容器配置有若干不同截面积的挤水棒。
[0009]进一步，所述导热棒束的导热棒由包壳和设在包壳内的电加热丝组成，电加热丝与设在盛放容器外部的电加热机构相连。
[0010]进一步，盛放容器的顶部截面积小于循环水收集装置的底部截面积，且盛放容器的顶部伸入循环水收集装置内。
[0011]本发明提供的上述高温试验装置用于模拟乏燃料水池失冷后蒸干的试验方法包括以下步骤:
[0012]首先，打开阀门，向补偿容器中放置预先设定好数量的挤水棒，再向补偿容器中添加水至预定水位;然后，加热导热棒束，使其功率为乏燃料衰变功率，在加热过程中同时记录盛放容器不同轴向位置处导热棒束的导热棒的包壳温度及盛放容器和补偿容器中水位，即得到乏燃料水池失冷后蒸干过程的试验参数;当盛放容器中导热棒束的中心导热棒的包壳温度达到预定值时，断电，完成蒸干试验。
[0013]本发明提供的上述高温试验装置用于模拟乏燃料水池失冷后干烧的试验方法包括以下步骤:
[0014]打开调节阀，保持补偿容器中无水，加热导热棒束，在加热过程中同时记录盛放容器不同轴向位置处导热棒束的导热棒的包壳温度，即得到乏燃料水池失冷后干烧的试验参数;当盛放容器中导热棒束的中心导热棒的包壳温度达到预定值时，停止加热，完成干烧试验。
[0015]上述试验方法进一步包括以下步骤:
[0016]当盛放容器中导热棒束的中心导热棒的包壳温度达到预计温度时，启动盛放容器内喷淋冷却装置，喷淋冷却导热棒束，同时记录盛放容器不同轴向位置处导热棒束的导热棒的包壳温度，即得到乏燃料池喷淋冷却过程的试验参数；当盛放容器中导热棒束的中心导热棒的包壳温度达到预定值时，断电，停止喷淋，完成喷淋冷却试验。
[0017]本发明的有益效果如下:
[0018]I)采用本发明的高温试验装置和试验方法，能够模拟乏燃料水池失冷后蒸干或者干烧过程，以及验证缓解事故后果的喷淋冷却功能，可用于程序模拟验证、乏燃料池事故分析、喷淋冷却系统设计等，达到提高乏燃料水池安全性的最终目的；
[0019]2)采用本发明的高温试验装置在进行蒸干试验时，通过在补偿容器内放置不同组合的挤水棒，可以达到调节补偿容器内水装量的目的，进而可以模拟乏燃料水池的不同贮存状态；
[0020]3)本发明的盛放容器的上部设置循环水收集装置，其下部和补偿容器的上部相连，可以在蒸干试验初期水位较高时将盛放容器内流出的水收集并回流入补偿容器，从而真实模拟乏燃料池内蒸干过程。
【附图说明】
[0021]图1是本发明提供的一种用于模拟乏燃料水池失冷过程的高温试验装置的结构示意图；
[0022]图2是图1中导热棒束的结构示意图。
【具体实施方式】
[0023 ]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步描述。
[0024]如图1所述，本发明提供的一种用于模拟乏燃料水池失冷过程的高温试验装置，其特征在于，所述高温试验装置包括用于盛放导热棒束2(用作模拟乏燃料棒)的盛放容器1、通过带调节阀5的连接管14与盛放容器I的底部连通的补偿容器3以及设在盛放容器I的上部并与盛放容器I连通的循环水收集装置6，循环水收集装置6的下部还通过设在其底部的连接管Π 9与补偿容器3的上部连通;盛放容器I和补偿容器3的外表面敷有保温层，盛放容器I内上部还设有喷淋冷却装置7;补偿容器3配置有若干不同截面积的挤水棒8，用于改变补偿容器3的容积。
[0025]本发明的试验装置中，补偿容器3内的水可以通过连接管4和调节阀5进入盛放容器I。通过调节调节阀5开度大小，可以模拟补偿容器3和盛放容器I之间的阻力大小。在试验初期，盛放容器I内的水受热升温及沸腾，盛放容器I内水位高出盛放容器I顶部时，可以回流到补偿容器3内。本发明为补偿容器3配置不同横截面积的挤水棒8，在试验开始前，通过插入不同的挤水棒8组合至补偿容器3内，可以调节补偿容器3内的横截面积和容积，用于模拟乏燃料池的不同贮存状态。本发明在盛放容器I顶部设置喷淋冷却装置7，通过打开喷淋冷却装置，可以对高温模拟燃料棒2进行冷却。
[0026]本发明中，盛放容器I可使用耐高温和耐腐蚀的不锈钢材料，其能承受800°C高温。可根据模拟燃料棒束的尺寸和几何结构确定盛放容器I的几何尺寸，盛放容器I外包覆耐高温低热导率保温材料，用于减少试验过程中的热损失。另外，补偿容器3可采用不锈钢材质，其能承受100°C温度。可根据试验策划确定补偿容器3的最大面积，其高度与盛放容器I相当。补偿容器3外表面也敷设隔热保温材料，用于减少试验过程中的热损失。
[0027]如图2所示，本发明中，导热棒束2的导热棒的包壳2-1可采用耐高温和耐腐蚀的不锈钢管，包壳2-1内设置电加热丝2-2并填充高温导热绝缘材料，电加热丝2-2与设在盛放容器I外部的电加热机构相连。通过调节电加热丝2-2功率，可以模拟不同衰变功率水平的燃料棒。
[0028]另外，可使盛放容器I的顶部截面积小于循环水收集装置6的底部截面积，并盛放容器I的顶部伸入循环水收集装置6内，这样当盛放容器I内水位过高时，可自盛放容器I顶部溢流到循环水收集装置6内。
[0029]本发明中，连接盛放容器I和补偿容器3的连接管14、Π9和调节阀5以及循环水收集装置6均采用不锈钢材质，连接管14、Π9的管径、循环水收集装置6的尺寸根据流量确定。喷淋冷却装置7的喷头与喷淋流量和所需喷淋液滴大小等相适应。根据试验方案确定用于调节补偿容器3横截面积和容积的挤水棒8的尺寸大小，可采用不锈钢圆管或方形焊接管道，试验时将所需挤水棒8置于补偿容器3中。
[0030]采用本发明提供的上述高温试验装置用于模拟乏燃料水池失冷后蒸干的试验方法包括以下步骤:
[0031]首先，打开阀门5，向补偿容器3中放置预先设定好数量的挤水棒8，再向补偿容器3中添加水至预定水位；
[0032]然后，加热导热棒束2，使其功率为乏燃料衰变功率，在加热过程中同时记录盛放容器I不同轴向位置处导热棒束2中导热棒的包壳温度及盛放容器I和补偿容器3中的水位，即得到乏燃料水池失冷后蒸干过程的试验参数；
[0033]当导热棒束2中中心导热棒的包壳温度达到预定值时，断电，完成蒸干试验。
[0034]采用本发明提供的上述高温试验装置用于模拟乏燃料水池失冷后干烧的试验方法包括以下步骤:
[0035]打开调节阀5，保持补偿容器3中无水，加热导热棒束2，在加热过程中同时记录盛放容器I不同轴向位置处导热棒束2中导热棒的包壳温度，即得到乏燃料水池失冷后干烧的试验参数；
[0036]当导热棒束2中中心导热棒的包壳温度达到预定值时，停止加热，完成干烧试验。
[0037]本发明的上述两种试验方法可进一步包括以下步骤:
[0038]当导热棒束2中中心导热棒的包壳温度达到预计温度时，启动盛放容器I内喷淋冷却装置7，喷淋冷却导热棒束2，同时记录盛放容器I不同轴向位置处导热棒束2中导热棒的包壳温度，即得到乏燃料池喷淋冷却过程的试验参数。
[0039]上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
【主权项】
1.一种用于模拟乏燃料水池失冷过程的高温试验装置，其特征在于，所述高温试验装置包括用于盛放导热棒束(2)的盛放容器(1)、通过带调节阀(5)的连接管1(4)与盛放容器(I)的底部连通的补偿容器(3)以及设在盛放容器(I)的上部并与盛放容器(I)连通的循环水收集装置(6)，循环水收集装置(6)的下部还与补偿容器(3)的上部连通;盛放容器(I)和补偿容器(3)的外表面敷有保温材料，盛放容器(I)内上部还设有喷淋冷却装置(7);补偿容器(3)配置有若干不同截面积的挤水棒(8)。2.根据权利要求1所述的高温试验装置，其特征在于，所述导热棒束(2)中的导热棒由包壳(2-1)和设在包壳(2-1)内的电加热丝(2-2)组成，电加热丝(2-2)与设在盛放容器(I)外部的电加热机构相连。3.根据权利要求1所述的高温试验装置，其特征在于，盛放容器(I)的顶部截面积小于循环水收集装置(6)的底部截面积，且盛放容器(I)的顶部伸入循环水收集装置(6)内。4.权利要求1-3任一所述的高温试验装置用于模拟乏燃料水池失冷后蒸干的试验方法，所述试验方法包括以下步骤: 首先，打开调节阀(5)，向补偿容器(3)中放置预先设定好数量的挤水棒(8)，再向补偿容器(3)中添加水至预定水位； 然后，加热导热棒束(2)，使其功率为乏燃料衰变功率，在加热过程中同时记录盛放容器(I)不同轴向位置处导热棒束(2)的导热棒的包壳温度及盛放容器(I)和补偿容器(3)中水位，即得到乏燃料水池失冷后蒸干过程的试验参数； 当盛放容器(I)中导热棒束(2)的中心导热棒的包壳温度达到预定值时，断电，完成蒸干试验。5.权利要求1-3任一所述的高温试验装置用于模拟乏燃料水池失冷后干烧的试验方法，所述试验方法包括以下步骤: 打开调节阀(5)，保持补偿容器(3)中无水，加热导热棒束(2)，在加热过程中同时记录盛放容器(I)不同轴向位置处导热棒束(2)的导热棒的包壳温度，即得到乏燃料水池失冷后干烧的试验参数； 当盛放容器(I)中导热棒束(2)的中心导热棒的包壳温度达到预定值时，停止加热，完成干烧试验。6.根据权利要求4或5所述的试验方法，其特征在于，所述试验方法进一步包括以下步骤: 当盛放容器(I)中导热棒束(2)的中心导热棒的包壳温度达到预计温度时，启动盛放容器(I)内喷淋冷却装置(7)，喷淋冷却导热棒束(2)，同时记录盛放容器(I)不同轴向位置处导热棒束(2)的导热棒的包壳温度，即得到乏燃料池喷淋冷却过程的试验参数； 当盛放容器(I)中导热棒束(2)的中心导热棒的包壳温度达到预定值时，断电，停止喷淋，完成喷淋冷却试验。
【文档编号】G21C17/07GK105825903SQ201610228096
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】杨长江, 贺楷, 张慧敏, 周喆, 郑云涛, 李汉辰, 孙燕宇, 王辉, 杨伟, 江小川
【申请人】中国核电工程有限公司