压水堆安全壳局部间隔氢气流动分布特性实验装置

摘要

一种压水堆安全壳局部间隔氢气流动分布特性实验装置，包括：由多个级联的承压容器组成的容器阵列和检测系统，其中：检测系统通过管线与容器阵列相连以接收各个承压容器内的温度、压力和气体溶度数据，容器阵列上设有排水管线、排气管线和进气管线，承压容器上设有加热保温机构，本发明可以对事故工况下安全壳内局部隔间氢气流动分布进行模拟，通过控制各个阀门改变容器之间的连接方式以及容器之间的流通面积，模拟不同隔间之间的连接包括水平连接、竖直连接以及水平与竖直与水平复合连接等方式，进行多种驱动力包括浓度驱动、压差驱动和源项驱动等作用下导致的氢气在局部隔间不同流动形式的流动分布实验。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种核工业安全领域的技术，具体是一种压水堆安全壳局部间隔氢气流动分布特性实验装置。

背景技术

在轻水堆核电厂严重事故中，锆合金包壳与水或水蒸气发生强烈的氧化反应，产生大量的氢气，并通过主回路压力边界或压力容器破口释放到安全壳中。当堆芯熔融物进入安全壳的堆腔后与混凝土或水相接触，又会引发强烈的化学反应产生大量的氢气和少量其他易燃易爆气体，如一氧化碳等。事故中产生的氢气与安全壳内的水蒸气、空气混合，并且在隔间之间传输。

压水堆的安全壳内隔间的数量众多，包括：蒸汽发生器隔间、CMT隔间、稳压器隔间、内置换料水箱隔间、主泵隔间等，隔间之间的通道所处的位置也各不相同，隔间之间为水平连接(高位连接、低位连接)、竖直连接，因此由于压水堆的安全壳内隔间之间复杂的连接结构以及其它因素的影响，导致事故工况下安全壳内某些局部隔间的氢气浓度升高。当氢气浓度达到一定比例后，在适合的外界条件下，例如温度、压力、氧气浓度，这些混合气体将发生爆燃，并可能由此转变成爆炸，在极短的时间内形成很高的压力峰值，由此产生的静态和动态压力载荷，会危及安全壳完整性，并影响安全壳内安全系统的有效执行。

在氢气安全方面，我国目前设计的先进反应堆为先进压水堆设计，事故情况下，堆芯过热过程中会产生大量氢气，具有典型的压水堆氢气源项特性，事故下产生的氢气可能在安全壳中发生燃烧甚至爆炸，威胁安全壳完整性。基于不断发展的氢气安全认识，需要对大型压水堆氢气安全相关技术进行优化，进一步深入研究其事故后的一系列核安全问题，以最大限度地防止放射性物质泄露。氢气安全问题直接影响核电厂放射性物质的最终屏障即安全壳的完整性，需要进行深入研究，加深对安全壳中氢气流动分布特性的认识，并优化氢气控制系统，优化严重事故管理体系中设计氢气风险缓解、管理措施的使用导则。

但是，目前对安全壳隔间之间的氢气流动分布现象与机理的研究仍然存在不足，对事故情况下，安全壳内由于包含多种机理作用下的氢气在隔间之间的流动分布特性方面的研究还比较匮乏，氢气在安全壳隔间的流动分布特性认识还不是很清楚，缺少专业研究设备。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104269195A，公开日为2015年01月07日，公开了一种模拟核电安全壳基准事故工况的实验系统及其实现方法，解决现有技术无法全面模拟核电基准事故工况的问题，包括用于装载非能动氢气复合器整机的实验容器，设 置在实验容器内、用于检测实验容器内部压力的第一压力传感器，数据采集系统，以及均与实验容器连接的排气管道、空气供应系统、氢气供应系统和至少为四个的取样管道；所述实验容器通过多点热电偶与数据采集系统连接。但该技术无法模拟事故工况下安全壳内隔间之间的氢气流动分布现象，无法解析事故工况下安全壳隔间之间的氢气流动分布机理，无法全面详细的研究安全壳隔间内的氢气风险。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种压水堆安全壳局部间隔氢气流动分布特性实验装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：由多个级联的承压容器组成的容器阵列和检测系统，其中：检测系统通过管线与容器阵列相连以接收各个承压容器内的温度、压力和气体溶度数据，容器阵列上设有排水管线、排气管线和进气管线，承压容器上设有加热保温机构。

所述的加热保温机构包括缠绕在承压容器壳体上的电加热丝和与电加热丝相连的加热控制模块。

所述的检测系统包括：传感数据采集模块和浓度测量模块，其中：传感数据采集模块与都设置于承压容器内的压力传感器和温度传感器相连以接收压力数据和温度数据，浓度测量模块与承压容器相连用于检测承压容器内的气体浓度。

所述的容器阵列包括：第一承压容器、第二承压容器、第三承压容器和第四承压容器，其中：第一承压容器通过两条上下布置的连接管道与第二承压容器相连，第二承压容器与第三承压容器、第三承压容与第四承压容器分别通过连接管道相连。

所述的第一承压容器和第四承压容器上均设有进气管线、排水管线和排气管线，第三承压容器设有排气管线，第二承压容器设有排气管线和排水管线。

技术效果

与现有技术相比，本发明可以对事故工况下安全壳内局部隔间氢气流动分布进行模拟，通过控制各个阀门改变容器之间的连接方式以及容器之间的流通面积，模拟不同隔间之间的连接包括水平连接、竖直连接以及水平与竖直与水平复合连接等方式，进行多种驱动力包括浓度驱动、压差驱动和源项驱动等作用下导致的氢气在局部隔间不同流动形式的流动分布实验。实验过程中温度传感器、压力传感器以及浓度测量模块可以实时测量实验过程中压力、温度以及气体浓度的变化，为事故工况下安全壳内局部隔间的氢气流动分布特性研究提供实验数据，进而解明氢气的流动分布规律，掌握安全壳内局部氢气风险规律。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1第一承压容器、2第二承压容器、3第三承压容器、4第四承压容器、5加热保温机构、6球阀、7电动调节阀、8进气管线、9排气管线、10排水管线、11连接管道、12检测系统、13计算机、14检测管线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：由多个级联的承压容器组成的容器阵列和检测系统12，其中：检测系统12通过检测管线14与容器阵列相连以接收各个承压容器内的温度、压力和气体溶度数据，容器阵列上设有排水管线10、排气管线9和用于输入氦气和水蒸气的进气管线8，承压容器上设有加热保温机构5。

所述的容器阵列包括：第一承压容器1、第二承压容器2、第三承压容器3和第四承压容器4，其中：第一承压容器1通过两条上下布置的连接管道11与第二承压容器2相连，第二承压容器2与第三承压容器3、第三承压容器3与第四承压容器4分别通过一条连接管道11相连。

所述的第一承压容器1、第二承压容器2和第四承压容器4均为圆柱体，且内径均为2000mm，高均为4000mm，都由316不锈钢制成，设计压力均为0.8Mpa。该第一承压容器1竖直设置，上端面设有排气管线9，下端面设有排水管线10，其左侧下端设有进气管线8。

所述的第二承压容器2竖直设置，其左侧通过两条上下平行设置的连接管道11与第一承压容器1的右侧相连。该第二承压容器2的上端面设有排气管线9，下端面设有排水管线10。

所述的第三承压容器3为圆柱体，且内径为1900mm，高为2800mm，由316不锈钢制成，设计压力为0.8Mpa。该第三承压容器3竖直设置，上端面设有排气管线9，其左侧下部通过连接管道11与第二承压容器2的右侧上部相连。

所述的第四承压容器4横向设置，上侧壁与第三承压容器3的下端面通过连接管道11相连，其下侧壁左端设有排水管道，下侧壁右端设有进气管线8。

所述的连接管道11长度均为1000mm，设计压力为0.8MPa，直径为200mm，由316不锈钢制成，其两端使用法兰与对应的承压容器相连。各个连接管道11中间部位均设置有电动调节阀7，以控制连接管道11的连通面积。

所述的排气管线9、排水管线10和进气管线8的内径均为30mm，均由316不锈钢制成，通过焊接方式与对应承压容器相连。排气管线9、排水管线10和进气管线8上均设有内径 为30mm的球阀6，各个球阀6通过螺纹连接的方式与对应的管线相连，控制对应管线的开闭。

所述的加热保温机构5包括：缠绕在承压容器的壳体上的电加热丝和与其相连的加热控制模块，通过该加热控制模块来控制电加热丝加热来实现承压容器的加热或保温。

所述的检测系统12包括：传感数据采集模块和浓度测量模块，其中：传感数据采集模块与设置于承压容器内的压力传感器和温度传感器相连以接收压力数据和温度数据，浓度测量模块与承压容器相连用于检测承压容器内的气体浓度。该浓度测量模块通过内径为1mm的管道提取承压容器中的气体。该检测系统12最后将数据传输到与其相连的计算机13，以作进一步的分析。

所述的加热保温机构5将承压容器加热到实验所需温度，实验过程中使用氦气代替氢气，通过进气管线8向承压容器内供应实验气体即氦气和水蒸气，调节电动调节阀7控制承压容器之间各连接管道11的开合，模拟气体在不同隔间之间的流动并获得温度数据、压力数据和气体浓度数据。

本装置可以对事故工况下安全壳内局部隔间氢气流动分布进行模拟，通过控制各个阀门改变容器之间的连接方式以及容器之间的流通面积，模拟不同隔间之间的连接包括水平连接、竖直连接以及水平与竖直与水平复合连接等方式，进行多种驱动力包括浓度驱动、压差驱动和源项驱动等作用下导致的氢气在局部隔间不同流动形式的流动分布实验。实验过程中温度传感器、压力传感器以及浓度测量模块可以实时测量实验过程中压力、温度以及气体浓度的变化，为事故工况下安全壳内局部隔间的氢气流动分布特性研究提供实验数据，进而解明氢气的流动分布规律，掌握安全壳内局部氢气风险规律。