反应堆控制棒导向管旁流试验模型及试验方法

摘要

本发明公开了一种反应堆控制棒导向管旁流试验模型及方法，包括模型导向管和管道；模型导向管设置于管道内，模型导向管外表面与管道内表面之间设置有密封体，密封体将管道分割成为位于上方的旁流段和位于下方的主流段。旁流段上设置有旁流出口，主流段上设置有主流出口；还包括设置于主流段底部进口处的第一测压点、设置于主流段上且位于模型导向管侧面流水孔处的第二测压点以及设置于旁流段上且位于模型导向管顶部出口处的第三测压点；模型导向管的长度小于原型导向管的长度，模型导向管的其余尺寸与原型导向管相同。本发明还公开了一种反应堆控制棒导向管旁流试验方法。本发明为获得原型导向管旁流份额奠定试验基础。

说明书

技术领域

本发明涉及核工业领域，具体涉及反应堆的实验领域，尤其涉及反应堆控制棒导向管旁流试验模型及方法。

背景技术

在反应堆中，导向管的主要作用是为控制棒组件提供运动通道并为其导向。在结构设计中需满足热工水力设计要求，使反应堆在运行时能有适量的冷却水流过导向管，冷却控制棒组件，又不能使这股旁流过大而降低能有效冷却反应堆的流量。控制棒导向管旁流是反应堆旁漏流的一部分，其旁流份额是反应堆设计的一项重要指标，因此需通过试验获得此种旁流的流动阻力系数，从而确定其在反应堆额定工况下的旁流份额。

反应堆额定工况属高温高压工况，原型导向管旁流已进入自模区。若直接对原型导向管进行试验，由于原型导向管旁流阻力系数很大，试验条件无法使原型导向管旁流进入自模区。因此，需要采用模拟试验的方式，在低温低压的状态下获得模型导向管旁流阻力系数，而如何正确模拟原型导向管内外侧流动特性是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的即在于克服现有技术的不足，提供一种能够在低温低压状态下正确模拟原型导向管内外侧流动特性的反应堆控制棒导向管旁流试验模型。

本发明的另一个目在于提供一种能够在低温低压状态下正确模拟原型导向管内外侧流动特性的反应堆控制棒导向管旁流试验方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

反应堆控制棒导向管旁流试验模型，包括模型导向管和管道；模型导向管设置于管道内，模型导向管外表面与管道内表面之间设置有密封体，密封体将管道分割成为位于上方的旁流段和位于下方的主流段，旁流段上设置有旁流出口，主流段上设置有主流出口；还包括设置于主流段底部进口处的第一测压点、设置于主流段上且位于模型导向管侧面流水孔处的第二测压点以及设置于旁流段上且位于模型导向管顶部出口处的第三测压点；模型导向管的长度小于原型导向管的长度，模型导向管的其余尺寸与原型导向管相同。

本发明的另一个目的通过以下技术方案实现：

反应堆控制棒导向管旁流试验方法，包括如下步骤：

A.向模型导向管内插入控制棒或阻力塞棒；

B.通过管道底部进水，水流分成两股，一股流经模型导向管外侧，从主流出口流出试验模型，另一股流经模型导向管内侧构成旁流，从旁流出口流出试验模型，保证模型导向管内侧旁流进入自模区；

C.获取第一测压点的压力P1和第二测压点的压力P2之间的压差，获取第一测压点的压力P1与第三测压点的压力P3之间的压差；

D.使△P₁₂/(△P₁₃+△P)＝△P_原型外侧/△P_原型内侧；

其中，△P₁₂表示第一测压点的压力P1和第二测压点的压力P2之间的压差；

△P₁₃表示第一测压点的压力P1与第三测压点的压力P3之间的压差；

△P表示模型导向管的长度小于原型导向管的长度所引起的阻力损失；

△P_原型外侧表示原型反应堆额定工况下，原型燃料组件下管座底部至原型导向管侧面流水孔高度处的压差；

△P_原型内侧表示原型反应堆额定工况下，原型燃料组件下管座底部至原型燃料组件上管座顶部的压差；

E.测量从旁流出口流出的旁流量；

F.计算模型导向管的旁流阻力系数。

进一步的，在进行控制棒全提工况模拟时，保证模型导向管内控制棒插入深度与原型一致，此时△P表示由模型导向管与原型导向管长度之差引起的圆管摩擦阻力损失。

进一步的，在进行控制棒全插工况模拟时，保证模型导向管内控制棒到下端塞距离与原型一致，此时△P表示由模型导向管与原型导向管长度之差引起的环隙摩擦阻力损失。

进一步的，在进行阻力塞棒全插工况模拟时，保证模型导向管内阻力塞棒插入深度与原型一致，此时△P表示由模型导向管与原型导向管长度之差引起的圆管摩擦阻力损失。

本发明基于流体的自模特性，即当流动雷诺数大到一定程度后，模型的阻力系数基本恒定，因此试验雷诺数可小于原型热态雷诺数，不用保证雷诺数相等。

本发明可正确模拟原型导向管内外侧流动特性，针对原型导向管不同的导向管内工况，建立对应的模拟方法，获得模型导向管旁流阻力系数，为最终得到原型导向管旁流份额奠定试验基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对描述本发明实施例中所需要用到的附图作简单的说明。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据下面的附图，得到其它附图。

图1为试验模型的结构示意图；

其中，附图标记对应的零部件名称如下：

1-模型导向管，2-密封体，3-旁流段，4-主流段，5-第一测压点，6-第二测压点，7-第三测压点，8-侧面流水孔，9-控制棒，10-下端塞，31-旁流出口，41-主流出口。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，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、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。

实施例：

如图1所示，反应堆控制棒导向管旁流试验模型，包括模型导向管1和管道；模型导向管1设置于管道内，模型导向管1外表面与管道内表面之间设置有密封体2，密封体2将管道分割成为位于上方的旁流段3和位于下方的主流段4，旁流段3上设置有旁流出口31，主流段4上设置有主流出口41；还包括设置于主流段4底部进口处的第一测压点5、设置于主流段4上且位于模型导向管1侧面流水孔8处的第二测压点6以及设置于旁流段3上且位于模型导向管1顶部出口处的第三测压点7；模型导向管1的长度小于原型导向管的长度，模型导向管1的其余尺寸与原型导向管相同。

水流从主流段4底部流入，其中大部分水通过模型导向管1与主流段4之间的间隙后从主流出口41流出，这部分水称为主流；令小部分水通过模型导向管1底部的下端塞10和模型导向管1的侧面流水孔8进入模型导向管1，这部分水称为旁流。水在模型导向管1底部呈圆管流动，水进入控制棒9或阻力塞棒与模型导向管1之间的间隙后呈环隙流动。旁流进入旁流段3，然后从旁流出口31流出。

本试验模型设置三个测压点，用于表征原型导向管的内侧流动特性和外侧流动特性。第一测压点5的压力P1和第二测压点6的压力P2之间的压差，用于模拟原型反应堆中燃料组件下管座底部至原型导向管侧面流水孔高度处的阻力损失，表征模型导向管1外侧流动特性△P_模型外侧。第一测压点5的压力P1与第三测压点7的压力P3之间的压差，加上由模型导向管1的长度小于原型导向管的长度所引起的阻力损失，用于模拟燃料组件阻力损失，表征模型导向管1内侧流动特性△P_模型内侧。

原型反应堆中燃料组件下管座底部至原型导向管侧面流水孔高度处的差压表示为△P_原型外侧，原型反应堆中燃料组件下管座底部至上管坐顶部的压差表示为△P_原型内侧。原型反应堆进入自模区后，△P_原型外侧/△P_原型内侧基本保持不变(该数值可由原型燃料组件标定试验获得)。在试验中，只需要保证△P_模型外侧/△P_模型内侧＝△P_原型外侧/△P_原型内侧，即可正确模拟原型导向管内外侧流动特性，获得的模型导向管1旁流阻力系数，即能够为最终得到原型导向管旁流份额奠定试验基础。

具体试验方法如下：

反应堆控制棒导向管旁流试验方法，包括如下步骤：

A.向模型导向管1内插入控制棒9或阻力塞棒；

B.通过管道底部进水，水流分成两股，一股流经模型导向管1外侧，从主流出口41流出试验模型，另一股流经模型导向管1内侧构成旁流，从旁流出口31流出试验模型，保证模型导向管1内侧旁流进入自模区；

C.获取第一测压点5的压力P1和第二测压点6的压力P2之间的压差，获取第一测压点5的压力P1与第三测压点7的压力P3之间的压差；

D.使△P₁₂/(△P₁₃+△P)＝△P_原型外侧/△P_原型内侧；

其中，△P₁₂表示第一测压点5的压力P1和第二测压点6的压力P2之间的压差；

△P₁₃表示第一测压点5的压力P1与第三测压点7的压力P3之间的压差；

△P表示模型导向管1的长度小于原型导向管的长度所引起的阻力损失；

△P_原型外侧表示原型反应堆额定工况下，原型燃料组件下管座底部至原型导向管侧面流水孔高度处的压差；

△P_原型内侧表示原型反应堆额定工况下，原型燃料组件下管座底部至原型燃料组件上管座顶部的压差；

E.测量从旁流出口31流出的旁流量；

F.计算模型导向管1的旁流阻力系数。

步骤D中所述的工况表示控制棒全提工况、控制棒全插工况或阻力塞棒全插工况中的一种。

下面对各个工况下的试验方法进行具体说明。

(1)控制棒全提工况

向模型导向管1内插入控制棒9，此时控制棒9插入模型导向管1的深度与原型导向管一致，模型导向管1与原型导向管的环隙流动长度相同。通过管道底部向管道内充入水，并使模型导向管1顶部出口处流出的旁流进入自模区。模型导向管1旁流阻力系数略小于原型导向管，仅相差模型导向管1的长度小于原型导向管的长度所引起的空管摩擦阻力损失△P，△P可小到忽略不计，△P_模型外侧/△P_模型内侧＝△P₁₂/△P₁₃。通过调整充入水的压力，使△P₁₂/△P₁₃＝△P_原型外侧/△P_原型内侧，即可正确模拟原型导向管内外侧流动特性。最后获取模型导向管1的旁流阻力系数。

(2)控制棒全插工况

向模型导向管1内插入控制棒9，此时控制棒9与模型导向管1的下端塞10的距离与原型导向管一致。模型导向管1与原型导向管的空管流动长度相同。通过管道底部向管道内充入水，并使模型导向管1顶部出口处流出的旁流进入自模区。模型导向管1旁流阻力系数与原型导向管差别较大，相差模型导向管1的长度小于原型导向管的长度所引起的环隙摩擦阻力损失△P(该△P可由试验测得或直接使用环隙摩擦经验公式进行计算得到)，△P_模型外侧/△P_模型内侧＝△P₁₂/(△P₁₃+△P)。在试验过程中，在旁流出口31设置一阀门，通过调整阀门开度和充入水的压力，使△P₁₂/(△P₁₃+△P)＝△P_原型外侧/△P_原型内侧，即可正确模拟原型导向管内外侧流动特性。最后获取模型导向管1的旁流阻力系数。

(3)阻力塞棒全插工况

向模型导向管1内插入阻力塞棒，此时阻力塞棒插入模型导向管1的深度与原型导向管一致，模型导向管1与原型导向管的环隙流动长度相同。通过管道底部向管道内充入水，并使模型导向管1顶部出口处流出的旁流进入自模区。模型导向管1旁流阻力系数略小于原型导向管，仅相差模型导向管1的长度小于原型导向管的长度所引起的空管摩擦阻力损失△P，△P可小到忽略不计，△P_模型外侧/△P_模型内侧＝△P₁₂/△P₁₃。通过调整充入水的压力，使△P₁₂/△P₁₃＝△P_原型外侧/△P_原型内侧，即可正确模拟原型导向管内外侧流动特性。最后获取模型导向管1的旁流阻力系数。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。