[发明专利]用于压力容器下封头外部冷却的试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于压力容器下封头外部冷却的试验装置，更具体地，涉及一种用于压力容器下封头外部冷却的具有变流道转角度可测临界热通量的试验装置。

背景技术

在核能工程、热能工程和工程热物理等领域中，尤其在核电站设计中，核安全是需要考虑的首要问题。严重事故的预防和缓解技术是核电站设计重要因素。在发生堆芯熔化的严重事故后，通过压力容器下封头外部冷却（ERVC）将堆芯熔融物滞留在反应堆压力容器内（IVR）是一种重要的核电站严重事故缓解措施。其原理是，利用压缩空气膨胀、重力以及自然循环等自然驱动力，将注入到压力容器外壁和其保温层之间的冷却工质形成自然循环流动，进而带走压力容器下封头堆芯熔融物的衰变热。当压力容器下封头堆芯熔融物的热流密度小于压力容器外壁面对应位置的临界热流密度（CHF）时，就可保证压力容器得到充分冷却，达到保证压力容器完整性的目的。

合适的ERVC方案设计，能够确保压力容器外壁面得到足够的冷却，以保证容器内熔融物热负荷以合理可靠的方式排出，防止压力容器发生热熔穿。因此，压力容器外壁面的临界热通量CHF决定了ERVC的冷却能力限值，同时也决定了IVR的有效性，是IVR成功的关键之一。

但是，实际获得严重事故时压力容器外壁面的CHF是不可能的，因此必须引入模拟试验。为了设计合适的ERVC方案或验证IVR措施的有效性，很多研究者不得不为此搭建试验台架，以试图模拟严重事故时压力容器外壁面的真实冷却工况，并测量或评估压力容器外壁面不同角度位置处的表面临界热通量CHF，以试图获得严重事故时压力容器外壁面的真实表面临界热通量CHF数据。目前，为了研究IVR措施的最大冷却极限，国际上主要有两种典型代表的试验台架，一种是全尺寸切片如ULPU系列试验台架，一种是三维缩比试验台架如SBLB。

如图1，ULPU系列的试验台架具有的主要特点是台架I只限模拟0度至30度极角范围的浸没池沸腾，改进台架II可以模拟0至90度极角范围的浸没池沸腾，为了实现流动沸腾强化换热，通过增加挡板变为台架III可以模拟0至90度极角范围的自然循环流动沸腾，改进台架IV可以模拟0至90度极角范围下改变流道结构的自然循环流动沸腾，这样，只有通过ULPU整个系列试验台架的不断改进才能完整模拟压力容器外部全角度范围下带有变流道自然循环流动沸腾换热整个实验。然而，该试验台架整体规模较大，拆装不便，不够灵活，而且难以针对各种因素进行大量工况的试验研究。另外，试验成本造价较高，试验加工周期较长，非常不利于试验进度的推进。

如图2，SBLB台架的特点是根据比例分析理论，对原型压力容器尺寸进行三维缩比设计，进而模拟压力容器外部和保温层之间形成的流道内的沸腾换热极限，关于试验结果是否可以真实反映实际反应堆压力容器外部冷却极限还是存在很大争议，并且三维试验台架功率高、难度大、生产周期较长、运行成本费用较高、设备数量较多。

因此，需要一种试验装置，其能够较精确地模拟压力容器外部和保温层之间形成的流道内的真实自然循环流动沸腾换热，同时能够方便地改变流道结构，而且还确保了试验装置、试验成本等都较低，并提高了试验的灵活性。

发明内容

针对以上技术缺陷，本发明的目的在于提供一种用于压力容器下封头外部冷却的具有变流道转角度可测临界热通量的试验装置，能够真实模拟实际反应堆严重事故堆芯熔融物压力容器外部下封头底部中心到半径高度处，不同角度位置与真实流道间隙尺寸的压力容器外壁面换热和临界热通量测量，能够最大限度地模拟实际工况，而且方便针对各种影响临界热通量的因素开展试验研究，其试验装置整体结构简单，试验规模较小，具有灵活性高，试验进度快，试验成本低的优点。

为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

本发明为用于压力容器下封头外部冷却的具有变流道转角度特征的试验装置，包括：由预热段和试验段组成的试验本体、上水箱、预热水箱和循环泵。其试验装置特征一在于所述试验本体具有转角度功能，通过枢转可实现测量不同角度位置处压力容器外部冷却换热特性和临界热流密度；其特征二在于所述试验本体具有变流道功能，通过对流道底板进行特殊的流线型设计，一方面对应不同角度位置可拆装不同形状的流道底板能够实现流道间隙尺寸可变功能，最大程度地模拟压力容器下封头外壁面和保温层之间的真实流道形状，另一方面对应同一角度位置变换不同形状流道结构，可以考察流道形状对发生临界热通量的影响；其特征三在于所述试验本体由预热段和试验段共同组成，为了实现实际工况含气率的模拟，通过对预热段的功率进行控制来实现。

发明效果