模拟核反应堆堆芯熔化后堆内熔融物滞留的实验装置及方法

摘要

本发明公开了一种模拟核反应堆堆芯熔化后堆内熔融物滞留的实验装置及方法，该装置由铜加热段、石英玻璃组件、数据测量系统组成。实验装置用半球形铜球壳模拟堆芯熔融物硬壳，用嵌入在半球壳内部的螺旋形加热丝模拟衰变热，用石英玻璃模拟压力容器下封头内壁面，以此模拟反应堆压力容器内壁面与熔融物硬壳之间窄缝的流动换热现象，研究窄缝内水流动对堆内熔融物滞留能力的影响。本实验装置具有实验过程可视化、实验精度高、安全性高、易于操作等优点。经运行实践证明，实验装置运行稳定，完全可以达到设计要求。

说明书

技术领域

本发明属于实验装置技术领域，具体涉及一种模拟核反应堆堆芯熔化后堆内熔融物滞留的实验装置及方法。

背景技术

在反应堆发生堆芯熔化的严重事故后，压力容器成为防止放射性物质外逸的重要屏障。1979年三里岛核电站发生了堆芯熔化的严重事故，在对此次事故的分析中，所有知名的安全分析软件计算结果都表明压力容器下封头会失效从而导致熔融物溢出压力容器。然而，事故中压力容器并未失效，这就表明一种新的冷却机制存在并对反应堆压力容器下封头进行了有效冷却。通过国内外之前的理论与实验研究发现，在熔融物下落至压力容器下封头过程中会由于下封头内水的冷却作用在熔融物表面形成固态硬壳，水持续流经压力容器下封头与硬壳之间的间隙并带走熔融物的部分热量，从而实现对熔融物的长期有效冷却，保证了压力容器的完整性。为了深入了解环形窄缝内的热工水力现象及通过间隙内水沸腾可以带走的最大热量(临界热流密度)，需要进行进一步的实验研究以揭示环形窄缝的冷却机理，为堆内熔融物滞留相关软件提供验证依据。

国外做过一些类似的实验，例如Akihiro UCHIBORI公开发表的一篇文献(AkihiroUCHIBORI,Tatsuya MATSUMOTO,Koji MORITA,et al.Evaluation of Cooling Capability in aHeated Narrow Flow Passage.Journal of Nuclear Science and Technology,Vol.40,No.10,p.796–806)中，采用半球形铜加热段和半球形玻璃之间的间隙模拟压力容器下封头与硬壳之间的窄缝。实验采用电加热模拟熔融物衰变热，加热功率分别为1.05kW、1.40kW。铜加热段和半球形玻璃之间的间隙为5mm。实验装置内置在圆柱筒内，圆柱筒和实验装置底板均采用派热克斯玻璃以实现对实验现象的可视。在内外层玻璃之间抽成真空以保证装置良好的绝热效果。但是，该实验装置的实验段没有入口和出口，做完部分实验工况后必须拆卸实验段重新注水方可进行再次实验，亦不能研究水流量对临界热流密度、两相逆流等现象的影响；该实验装置没有铜加热段升降组件故不能实现铜加热段方便的升降，难以方便调节间隙距离；该实验装置中内部和外部玻璃是彼此独立的，这就要求更复杂的密封方法保证两层玻璃之间的真空度以保证绝热效果，使装置更加复杂的同时降低了装置的可靠性。

又如J.H.Jeong公开发表的一篇文献(J.H.Jeong,R.J.Park,S.B.Kim.Thermal-hydraulic Phenomena Relevant to Global Dryout in a Hemispherical Narrow Gap.Heatand Mass Transfer,34(1998),p.321-328)中，采用VISU-II实验装置进行了环形窄缝内的临界热流密度机理的研究。该装置包括半球形加热器、加热功率控制器、半球形铜球壳、半球形派热克斯玻璃及温度测量和采集系统等。最大加热功率为6kW。该装置采用了4组不同直径的铜球壳研究不同间隙尺寸对热工水力参数的影响。流动工质为去离子水。但是，该装置同样有上例装置的弊端，如不能研究水流量对临界热流密度等现象的影响、不能方便的对半球铜壳进行升降等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟核反应堆堆芯熔化后堆内熔融物滞留的实验装置及方法，以克服上述现有实验装置的缺点。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

模拟核反应堆堆芯熔化后堆内熔融物滞留的实验装置，包括石英玻璃筒体、加热装置和数据测量系统；

石英玻璃筒体包括内部半球形实验段和外部竖直玻璃筒，半球形实验段和竖直玻璃筒上部通过焊接成为一体；竖直玻璃筒上部的侧壁上设置有实验段入口，实验段入口相对的竖直玻璃筒壁上设置有实验段出口；实验段入口和实验段出口均贯通内外石英玻璃筒体与半球形实验段相连通，并且，实验段入口在竖直高度上高于实验段出口；在半球形实验段上方设置有上法兰，竖直玻璃筒下方设置有下法兰，上法兰和下法兰通过若干组不锈钢螺纹杆与石英玻璃筒体紧固，实现实验装置的密封；

加热装置包括设置在石英玻璃筒体内的半球形铜球壳、安装在半球形铜球壳上的铜球壳盖板，还包括支承柱和导线接线管；若干个加热丝的形状呈螺旋状并均匀内嵌于半球形铜球壳内；在铜球壳盖板与半球形铜球壳形成的半球形腔体内填充有陶瓷填料；导线接线管穿过上法兰与铜球壳盖板相连；若干个加热丝22的导线通过导线接线管引出；支承柱上设有外螺纹，其与上法兰；

数据测量系统包括流量计、真空表和若干组热电偶；其中，流量计用于测量进入半球形实验段内的水流量，真空表用于测量半球形实验段与竖直玻璃筒之间的真空度，若干组热电偶用于测量半球形实验段内的温度场。

本发明进一步的改进在于：在半球形实验段下方的竖直玻璃筒壁上设置有真空表接管，其相对的竖直玻璃筒壁上设置有真空泵接管，分别连接真空表与真空泵。

本发明进一步的改进在于：若干组热电偶周向设置在半球形铜球壳的内壁孔上；其中，每组细孔由两个深度不同的孔组成，孔与孔之间的距离小于或等于1.5mm；若干组热电偶的信号线通过穿过上法兰的信号线接线管8引出。

本发明进一步的改进在于：半球形铜球壳的材质为黄铜，铜球壳盖板的材质为不锈钢。

本发明进一步的改进在于：半球形实验段和竖直玻璃筒之间的真空度为1千帕～5千帕。

本发明进一步的改进在于：下法兰中心设置有圆孔，该圆孔的孔径小于或等于竖直玻璃筒下方内径，在竖直玻璃筒下方与下法兰之间设置有与竖直玻璃筒下方外径相同的有机玻璃板，该有机玻璃板内嵌在下法兰的凹槽内；在有机玻璃板与竖直玻璃筒下方之间还设置有第一O型密封圈，在上法兰与竖直玻璃筒上方之间设置有第二O型密封圈；上法兰和下法兰的材质均为不锈钢。

本发明进一步的改进在于：半球形铜球壳与半球形实验段的间距为5mm。

模拟核反应堆堆芯熔化后堆内熔融物滞留的实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：先用真空泵将石英玻璃筒体的两层玻璃之间抽成负压状态；通过旋转支承柱顶端的手柄通过滚动轴承实现半球形铜球壳的升降，将半球形铜球壳与半球形实验段之间的距离保持在5mm；水从实验段入口流入半球形实验段，通过实验段出口9流出实验段；接通电源通过加热丝对半球形实验段内的水进行加热，用热电偶测量半球形铜球壳内的温度和热流密度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.加热丝内嵌在半球形铜球壳内部，这样设计可以减少加热装置向环境的散热，减小实验的不确定度；

2.通过标定支承柱旋转圈数与支承柱轴向移动的距离可以实现对半球形铜球壳与与半球形实验段之间距离的精确控制；

3.本发明实验装置除顶部和底部采用不锈钢法兰外，其边界采用石英玻璃或有机玻璃，从而可以实现从实验装置的侧部或底部对实验现象的可视；

4.本发明将石英玻璃筒体设计成一个整体可以减少对内部半球形实验段的额外支承，既改善了密封效果，又增强了实验装置的安全性。

总之，本发明用半球形铜球壳模拟堆芯熔融物硬壳，用嵌入在半球壳内部的螺旋形加热丝模拟衰变热，用石英玻璃模拟压力容器下封头内壁面，以此模拟反应堆压力容器内壁面与熔融物硬壳之间窄缝的流动换热现象，研究窄缝内水流动对堆内熔融物滞留能力的影响；本实验装置可以测量静止和流动状态下的半球形铜球壳表面热流密度、温场分布、气泡生长和迁移等一系列热工水力参数，并能对实验段实现底部、侧面可视。通过抽真空、装陶瓷填料等绝热方法有效降低了实验不确定度，从而能够较准确地对反应堆堆内熔融物滞留能力进行评估，以达到实验目的。本发明具有实验过程可视化、实验精度高、安全性高、易于操作等优点；经运行实践证明，实验装置运行稳定，完全可以达到设计要求。

附图说明

图1为本发明一种模拟核反应堆堆芯熔化后堆内熔融物滞留的实验装置的结构示意图；

图2为真空表连接示意图；

图3为玻璃抽气阀门示意图；

图4为热电偶布置主视图；

图5为热电偶布置俯视图；

图6为铜球壳盖板剖视图；

图7为铜球壳盖板俯视图。

其中：1、实验段入口；2、半球形铜球壳；3、半球形实验段；4、竖直玻璃筒；5、上法兰；6、支承柱；7、导线接线管；8、信号线接线管；9、实验段出口；10、滚动轴承；11、铜球壳盖板；12、真空表接管；13、真空泵接管；14、有机玻璃板；15、第一O型密封圈；16、下法兰；17、第二O型密封圈；18、塑料挡圈；19、不锈钢螺纹连接法兰；20、真空表；21、聚四氟塑料垫片；22、加热丝；23、热电偶；24、轴承座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1至图7，本发明一种模拟核反应堆堆芯熔化后堆内熔融物滞留的实验装置，包括石英玻璃筒体、加热装置和数据测量系统。

石英玻璃筒体包括内部半球形实验段3和外部竖直玻璃筒4，半球形实验段3和竖直玻璃筒4上部通过焊接成为一体，故不需为玻璃组件提供额外的支承和密封。竖直玻璃筒4上部的侧壁上设置有实验段入口1，其相对的竖直玻璃筒4壁上设置有实验段出口9，实验段入口1和实验段出口9均贯通内外石英玻璃筒体与半球形实验段3相连通，并且，实验段入口1在竖直高度上高于实验段出口9。在半球形实验段3下方的竖直玻璃筒4壁上设置有真空表接管12，其相对的竖直玻璃筒4壁上设置有真空泵接管13，分别为真空表接管和玻璃抽气阀门接管，其中，真空表20与真空表接管12相连，真空泵与真空泵接管13相接。为了消除实验段向环境内的散热，实验前须用真空泵将半球形实验段3和竖直玻璃筒4之间抽成较高的真空度（1千帕～5千帕），并用真空表20对石英玻璃筒体之间的真空度进行测量。

在半球形实验段3上方设置有上法兰5，竖直玻璃筒4下方设置有下法兰16，上法兰5和下法兰16通过6组不锈钢螺纹杆与石英玻璃筒体紧固，以实现实验装置的密封。下法兰16中心设置有圆孔，该圆孔的孔径小于或等于竖直玻璃筒4下方内径，在竖直玻璃筒4下方与下法兰16之间设置有与竖直玻璃筒4下方外径相同的有机玻璃板14，该有机玻璃板14内嵌在下法兰16的凹槽内。实验过程中可以从实验装置底部观测半球形实验段3处的流动现象。在有机玻璃板14与竖直玻璃筒4下方之间还设置有第一O型密封圈15，在上法兰5与竖直玻璃筒4上方之间设置有第二O型密封圈17。其中，上法兰5和下法兰16的材质均为不锈钢。

加热装置设置在石英玻璃筒体内，包括半球形铜球壳2和通过螺栓密封安装在其上的铜球壳盖板11，若干个加热丝22的形状呈螺旋状并均匀内嵌于半球形铜球壳2内（通过铸造嵌入铜球壳内），以逼近真实熔融物加热效果；加热丝22呈螺旋状均匀分布以保证对铜球壳均匀加热，若干个加热丝22的最高加热功率为5kW。其中，半球形铜球壳2的材质为黄铜，铜球壳盖板11的材质为不锈钢，在铜球壳盖板11与半球形铜球壳2形成的半球形腔体内填充有陶瓷填料，以减少向环境的散热。导线接线管7穿过上法兰5与铜球壳盖板11相连，其中，该若干个加热丝22的导线通过导线接线管7引出。支承柱6上设有外螺纹，其与上法兰5上的内螺纹孔相配合；支承柱6底部通过滚动轴承10和轴承座24与铜球壳盖板11相连，通过旋转支承柱6上端的手柄能够实现加热装置的升降，以调节半球形铜球壳2与半球形实验段3之间的间隙大小。实验中，半球形铜球壳2与半球形实验段3的最佳间距为5mm。

数据测量系统包括流量计、真空表20和若干组热电偶23。其中，流量计用于测量进入半球形实验段3内的水流量，真空表20用于测量半球形实验段3与竖直玻璃筒4之间的真空度，若干组热电偶23用于测量半球形实验段3内的温度场并间接测量热流密度。真空表20通过螺纹与不锈钢螺纹连接法兰19相连，不锈钢螺纹连接法兰19与真空表接管12相连，不锈钢螺纹连接法兰19采用塑料挡圈18定位，真空表接管12与不锈钢螺纹连接法兰19之间采用聚四氟塑料垫片21密封。若干组热电偶23周向设置在半球形铜球壳2的内壁细孔上，其中，内壁细孔有25组，每组细孔由两个深度不同的孔组成，孔与孔之间的距离小于或等于1.5mm，故可以假定每组热电偶23测量的是半球形铜球壳2同一径向位置的温度，这样便可以根据每组热电偶23的温差计算得到加热丝22向半球形铜球壳2传递的热流密度。信号线接线管8穿过上法兰5与铜球壳盖板11相连，若干组热电偶23的信号线通过信号线接线管8引出。

参见图1，本发明一种模拟核反应堆堆芯熔化后堆内熔融物滞留的实验装置，实验前真空泵接至真空泵接管13，先用真空泵将石英玻璃筒体的两层玻璃之间抽成负压状态，真空度可由真空表20的读数显示；当达到实验要求的真空度时，关掉玻璃抽气阀门(安装于真空泵接管13上，如图3所示)后关闭真空泵。真空表20内压力读数不随时间变化时表示装置气密性良好。如果压力值随时间变化，则需要通过紧固上法兰5与下法兰16之间的6根紧固螺栓(为简洁起见，图示中未画出)改善密封性。通过旋转支承柱6顶端的手柄可以通过滚动轴承10实现半球形铜球壳2的升降，实验时将半球形铜球壳2与半球形实验段3之间的距离保持在5mm。水从实验段入口1流入半球形实验段3，即半球形铜球壳2与半球形实验段3之间的环形间隙，通过实验段出口9流出实验段。加热丝22呈螺旋形内嵌在半球形铜球壳2内，加热丝22两级由导线接线管7引出。接通电源对半球形实验段3内的水进行加热，用热电偶23测量半球形铜球壳2内的温度和热流密度，热电偶23的布置如图4、图5所示。热电偶23接线通过信号线接线管8引出。竖直玻璃筒4下部与有机玻璃14连接，它们之间采用第一O型圈密封15，实验过程中可以从底部观测半球形实验段3的气泡产生、长大和迁移等热工水力现象。本实验装置还可以进行水流动实验（试验段入口1不断进水，实验段出口9不断出水），研究不同水流量工况下对半球形铜球壳2内热流密度等的影响。

真空表20与真空表接管12之间的连接方式如图2所示，两者通过不锈钢螺纹连接法兰19连接，不锈钢螺纹连接法兰19间采用塑料挡圈18定位。真空表接管12与不锈钢螺纹连接法兰19之间采用聚四氟塑料垫片21密封。真空表20与不锈钢螺纹连接法兰19之间采用螺纹连接。铜球壳盖板如图6、图7所示，滚动轴承10固定在轴承座24内。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。