一种可均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验装置

摘要

本实用新型提出一种可均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验装置，包括密封容器、密封构件、导线和电源，密封容器的侧壁开设有若干组导线孔，密封构件固定于密封容器的外侧壁的导线孔处，导线的两端分别连接于电源的正负极，每层石墨球连接的导线在密封容器外进行并联，导线位于密封容器内的部分连接有若干个用于内嵌于石墨球内部的电阻丝，导线和电阻丝外均覆盖有绝缘层。本实用新型建立了内热源石墨球多点均匀加热的实验装置，利用电阻丝和导线将石墨球串联排布，使得每个石墨球均能够产生相等的热量，保证了在球床式高温气冷堆实验中内热源分布的均匀性和合理性，能够开展更高温度静态实验和多种均匀功率分布下的加热实验。

说明书

技术领域

本实用新型涉及反应堆工程技术领域，尤其涉及一种可均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验装置。

背景技术

能源是全球经济发展的源动力，为人类社会的生存和发展提供重要的物质基础。随着资源日益短缺、环境污染加重，人们开始关注清洁、经济、安全、高效的第四代核反应堆技术。球床式高温气冷堆作为第四代先进反应堆堆型之一，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。球床式高温气冷堆指使用氦气作为冷却剂、石墨作为中子慢化剂的核反应堆。球床式高温气冷堆的堆芯由装在反应堆压力容器内的球形燃料元件堆积而成。

实验研究作为科学研究的重要手段，是验证数值模拟和理论模型准确性的基准。在球床式高温气冷堆实验系统中，为了控制实验成本与方便实验测量，按照缩比实验，一般选取几十上百个石墨球进行实验。石墨球直径为60mm，排列紧密规则，充满堆芯，具有很高的体积功率密度，因此整个堆芯构成含强内热源球床通道。

在目前的球床堆加热实验中，最常规的加热方式是对容器壁面进行加热，从而使石墨球表面得到加热；而实际球床反应堆中热量来源于石墨球内部的裂变反应，与容器壁面加热方式存在显著区别。此外，也有使用电磁场对球床堆内石墨球进行加热的实验方法，但是该方法存在集服效应，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高温气冷堆内的实际情况，以期获得准确的理论预测模型，本申请提出一种可均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验装置。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验装置，可以实现多点分布均匀加热的热源控制方法，从而降低冷壁效应，确保实验装置内热源分布的合理性。

本申请实施例提出一种可均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验装置，包括：密封容器、密封构件、导线和电源，所述密封容器的侧壁开设有若干组导线孔，导线孔的组数与密封容器内石墨球的层数相等，且每组导线孔的位置与该层石墨球的水平位置相对应，每组导线孔包括进线孔和出线孔，导线通过进线孔穿入至密封容器内后从出线孔穿出至密封容器外，密封构件固定于密封容器的外侧壁的导线孔处，导线的两端分别连接于电源的正负极，每层石墨球连接的导线在密封容器外进行并联，导线位于密封容器外的部分连接有开关，导线位于密封容器内的部分连接有若干个用于内嵌于石墨球内部的电阻丝，导线和电阻丝外均覆盖有绝缘层。

本实用新型建立了内热源石墨球多点均匀加热的实验装置，利用电阻丝和导线将石墨球串联排布，使得每个石墨球均能够产生相等的热量，保证了在球床式高温气冷堆实验中内热源分布的均匀性和合理性，能够开展更高温度静态实验和多种均匀功率分布下的加热实验。

在一些实施例中，所述密封构件包括导线套管、螺帽、密封圈和开孔螺栓，螺帽的一端开设有螺孔，螺帽的另一端开设有通孔，螺孔与通孔贯通，开孔螺栓通过螺纹连接于螺帽的螺孔内，开孔螺栓沿中心轴向开设有穿孔，穿孔和通孔的轴心线共线，密封圈设于螺孔顶端，开孔螺栓旋合于螺孔后顶紧密封圈，导线套管依次贯穿开孔螺栓的穿孔、密封圈以及螺帽的通孔，导线套管与密封圈之间密封连接，螺帽设有通孔的一端焊接固定于密封容器上，通孔与进线孔或出线孔对齐，导线套管伸入至进线孔或出线孔内，导线从导线套管内穿入。

在一些实施例中，所述螺孔包括螺纹孔和锥孔，锥孔位于螺纹孔和通孔之间，通孔的孔径小于螺纹孔的孔径，密封圈设于锥孔内，密封圈的外径大于通孔的孔径，锥孔为光滑孔。

在一些实施例中，所述开孔螺栓包括一体成型的螺纹部和旋合部，旋合部的外径大于螺纹部的外径。

在一些实施例中，所述旋合部的外径大于螺帽的外径。

在一些实施例中，所述导线上相邻两个电阻丝的间距相等。

在一些实施例中，所述电阻丝和导线之间通过缠绕拉紧的方式连接。

在一些实施例中，所述密封容器呈圆柱筒状。

在一些实施例中，所述密封圈的材质为橡胶。

在一些实施例中，所述导线位于密封容器外的部分还连接有电路保护器。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型建立了内热源石墨球多点均匀加热的实验装置，利用电阻丝和导线将石墨球串联排布，使得每个石墨球均能够产生相等的热量，保证了在球床式高温气冷堆实验中内热源分布的均匀性和合理性，能够开展更高温度静态实验和多种均匀功率分布下的加热实验。

(2)采用本实用新型的实验装置可实现多点分布均匀加热的热源控制方法，通过控制电源功率使电阻丝发热模拟实际石墨球的发热状态，给球床堆实验中提供均匀加热场，从而降低冷壁效应，确保实验装置内热源分布的合理性。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，

其中：

图1为本实用新型实施例中的可均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验装置的结构示意图；

图2为密封容器中同一层的石墨球的电阻丝排布方式示意图；

图3为密封容器中同一层的石墨球的导线连接方式示意图；

图4为单个石墨球内嵌电阻丝的示意图；

图5为图1中的密封构件的结构示意图；

图6为图5中螺帽的结构示意图；

图7为图5中开孔螺栓的结构示意图；

附图标记：

1-石墨球；2-密封容器；3-密封构件；31-螺帽；311-通孔；312-锥孔；313-螺纹孔；32-开孔螺栓；321-螺纹部；322-旋合部；323-穿孔；33-密封圈；34-导线套管；4-导线；5-开关；6-电路保护器；7-电源；8-电阻丝。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考附图描述本实用新型实施例的可均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验装置。

如图1所示，本申请实施例提出一种可均匀加热石墨球的球床式高温气冷堆实验装置，包括：密封容器2、密封构件3、导线4和电源7，密封容器2内填充有若干层石墨球1，石墨球1在密封容器2内规则堆积，形成球床堆。密封容器2的侧壁开设有若干组导线孔，导线孔的组数与密封容器2内石墨球1的层数相等，且每组导线孔的位置与该层石墨球1的水平位置相对应，每组导线孔包括进线孔和出线孔，导线4通过进线孔穿入至密封容器2内后从出线孔穿出至密封容器2外，在密封容器2内，将所在层的石墨球1通过导线4串联起来。

导线4上连接有若干个电阻丝8，将每个石墨球1内均放置一个用于加热的电阻丝8，导线4上相邻两个电阻丝8的间距相等。石墨球1的直径为60mm，电阻丝8长度为50mm，呈螺旋状，电阻丝8被包容在石墨球1内部中心位置，如图4所示。每根导线4上连接的电阻丝8的数量与该层石墨球1的个数相同。预先将相邻两个电阻丝8的间距计算好，裁切出相应长度的导线4，将导线4与电阻丝8依次缠绕拉紧，维持一定的固定状态。在导线4和电阻丝8外均缠绕覆盖有绝缘层，防止石墨球1导电出现短路。所计算的间距使电阻丝8内嵌于石墨球1后，可保持石墨球1之间相互接触，电阻丝8之间的导线4尽可能的不会弯曲。

在密封容器2内放置一层石墨球1，确定石墨球1在水平方向的排布方式，并规划电阻丝8排列方式，形成可封闭的排列方法。取出该层的石墨球1后，对每个石墨球1沿着球心线进行钻孔，然后沿着钻孔处进行剖切，将电阻丝8填入石墨球1内，然后使用导热硅脂等粘合剂对剖切处进行粘合，并通过压紧来保证其密封性，具体的，可以采用压紧装置进行压紧。

然后将石墨球1按照原来的排布方式放置在密封容器2内，将两端的导线4延长到密封容器2外。在同一水平面上，石墨球1通过事先排布好的方式按一定规则排列堆积在环形容器内。需要理解的是，尽管实际反应堆中石墨球1是自由摆放的，但是为了更好的研究球床堆内的物理特性，在实验装置中球床堆采用顺序摆放，方便测量相关实验数据，观察特殊实验现象，得到更加普遍的规律。

密封构件3固定于密封容器2的外侧壁的导线孔处，导线4通过导线孔时使用密封构件3进行密封。

在一些具体的实施例中，如图5～7所示，密封构件3包括导线套管34、螺帽31、密封圈33和开孔螺栓32，螺帽31的一端开设有螺孔，螺帽31的另一端开设有通孔311，螺孔与通孔311贯通，开孔螺栓32通过螺纹连接于螺帽31的螺孔内，开孔螺栓32沿中心轴向开设有穿孔323，穿孔323和通孔311的轴心线共线，密封圈33设于螺孔顶端，开孔螺栓32旋合于螺孔后顶紧密封圈33，导线套管34依次贯穿开孔螺栓32的穿孔323、密封圈33以及螺帽31的通孔311，导线套管34与密封圈33之间密封连接，螺帽31设有通孔311的一端焊接固定于密封容器2上，通孔311与进线孔或出线孔对齐，导线套管34伸入至进线孔或出线孔内，导线4从导线套管34内穿入。

进一步的，如图6所示，螺孔包括螺纹孔313和锥孔312，锥孔312位于螺纹孔313和通孔311之间，通孔311的孔径小于螺纹孔313的孔径，密封圈33设于锥孔312内，密封圈33的外径大于通孔311的孔径，锥孔312为光滑孔。

进一步的，如图7所示，开孔螺栓32包括一体成型的螺纹部321和旋合部322，旋合部322的外径大于螺纹部321的外径。旋合部322的外径大于螺帽31的外径。

在扭转开孔螺栓32的过程中，密封圈33受到挤压变形，从而与导线套管34紧密贴合，达到密封的目的。

每根导线4的两端分别连接于电源7的正负极。重复以上步骤，放置多层石墨球1，直至将密封容器2内填满，并将密封容器2进行密封。

每层石墨球1连接的导线4在密封容器2外进行并联，并联后接入总电路的电路保护器6和开关5，最后接入电源7。从而实现对某一个水平面上的石墨球1内热源均匀加热的控制，并联后进而实现对密封容器2内的各层石墨球1内热源均匀加热的控制。

在一些具体的实施例中，电源7为输出功率可调的电源。

在进行球床堆加热实验时，先打开开关5，通过控制电源7的功率使石墨球1开始缓慢加热升温，当加热到预定的温度时，进行下一步的相关实验。

石墨球1性质比较稳定，不易损坏，若某个石墨球1损坏可单独将该石墨球1进行更换。由于石墨球1是经过剖切的，可直接将石墨球1沿着剖切面打开，将石墨球1取走，再将新的石墨球1进行钻孔和剖切，将电阻丝8放置在新的石墨球1内，即完成了石墨球1的更换。

在一些具体的实施例中，密封容器2呈圆柱筒状，模拟实际的球床堆容器。

在一些具体的实施例中，密封圈33采用耐高温高压的橡胶材质。

在一些具体的实施例中，电阻丝8的间距控制在50mm以内。

如图2所示，在球床堆主体石墨球1区域，每个石墨球1内放置有一个用于加热的电阻丝8，为了使加热温度分布有序，同时方便导线4的布置，整体上电阻丝8呈现规则多边形分布。

为了模拟实际球床堆芯中不同高度位置的温度差异，此实验装置的同层石墨球1连接在同一根导线4上，再将不同层的导线4在密封容器2外并联。同层石墨球的导线可由外向内或由内向外进行走线，如图3所示。

本实用新型使用石墨球进行容器填充，其热物性与工程热源物性更加接近。由于石墨球具备较高熔点，因此，本实用新型能够开展更高温度静态实验和多种均匀功率分布下的加热实验。与现有通过感应线圈加热球床的实验装置相比，本实用新型能够更加有效保证内热源分布的均匀性和合理性。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实用新型中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。