[发明专利]基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置

说明书

技术领域

本发明涉及高温高压热工水力试验模拟装置领域，具体涉及基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置。

背景技术

世界上在运行的绝大多数核电站都是采用棒束燃料组件堆芯。棒状的燃料芯块采用锆合金包壳进行包裹，并将堆芯运行过程中所产生的放射性物质隔离在包壳内部。同时，燃料芯块裂变所产生的热量，也通过包壳传递至包壳外侧的冷却介质。堆芯燃料包壳的完整性是核反应堆设计中对放射性物质进行多层屏蔽的最重要一层。在反应堆运行工况下，当燃料芯块裂变产生热量的热流密度高于包壳传热所允许的临界热流密度限值时，将在包壳表面触发沸腾危机。包壳表面的传热性能急剧恶化，包壳壁温急剧飞升进而导致包壳熔毁，带来放射性物质外泄风险。堆芯燃料组件临界热流密度是核反应堆设计及安全分析最为重要的热工水力限值参数。针对核反应堆中将要采用的每一种燃料组件结构，均需通过开展大量沸腾临界试验，获得对应的临界热流密度值。在这些沸腾临界试验中，基于焦耳释热原理采用通电释热的方式来模拟堆芯燃料组件包壳表面极高的热流密度，燃料组件模拟体的结构决定了模拟体热流密度分布特性及在高温高压沸腾临界试验中的强度表现。目前的模拟体存在试验中的寿命短、耐受沸腾临界试验中的高温高压工况性能差的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，解决目前的模拟体存在试验中的寿命短、耐受沸腾临界试验中的高温高压工况性能差的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，发热棒束模拟体按照堆芯棒束排列方式置于陶瓷流道腔室内，发热棒束模拟体沿轴向依次布置燃料组件定位格架模拟体用以固定棒束排列方式，共同组成堆芯棒束燃料组件的流道模拟结构；陶瓷流道腔室外侧为承压套筒，承压套筒两端筒壁上分别布置有流体进口接管和出口接管；发热棒束模拟体的两端分别穿过固定在承压套筒两端的棒束密封端盖后与外界电源电极连接。陶瓷流道腔室外侧为承压套筒，承压套筒两端筒壁上分别布置有流体进口接管和出口接管，发热棒束模拟体的两端分别穿过固定在承压套筒两端的棒束密封端盖后于外部电源电极连接，其整体结构具有极强的耐压耐高温能力，大大提升了整体的使用寿命。

所述的棒束密封端盖包括中间法兰、上法兰、以及下法兰，并采用扩散焊形成带有密封槽及冷却通道一体化端盖；上法兰和下法兰对称布置在中间法兰两侧；中间法兰、上法兰和下法兰上设置有棒束通道，其尺寸及布置方式与发热棒束模拟体相匹配；中间法兰的棒束通道侧壁上设置有用于安装绝缘密封垫片的环形凹槽；在上法兰和下法兰与中间法兰焊接面上设置冷却液沟槽；采用扩散焊接方式将中间法兰与上法兰和下法兰的两个接触面完全焊接。具体的讲，申请人在实际使用过程中发现，整个试验装置在实验过程中，最先损坏的一般都是发热棒束模拟体的端部密封结构，通过对上万次的试验总结和理论分析发现：当实验过程中，高温高压的环境差异最先作用在密封环上，为了提高密封环的耐高温、耐压能力，通过将棒束密封端盖设置成上法兰、中法兰、下法兰的三层叠加结构，在中法兰上发热棒束模拟体穿过的棒束通道侧壁设置环形凹槽，将绝缘密封垫片放置在该凹槽内，在使用过程中，由于环形凹槽对于绝缘密封垫片的位置限定作用，可以有效地保护绝缘密封垫片，可以降低其在发热棒束模拟体轴向上的损坏。同时，上法兰和下法兰与中间法兰焊接面上设置冷却液沟槽，可以利用冷却液来对密封部位进行冷却降温，从而提高其耐高温的能力，通过耐高温能力的提升以及耐磨损能力的提升，大大提高了整个试验装置的使用寿命。将棒束密封端盖端盖面上开有对应棒束位置的通道及环形凹槽，保证通电高温下棒束向两端的自由膨胀。基于扩散焊接技术，通过在上法兰和下法兰与中间法兰的焊接面上设置冷却液沟槽，控制高温下密封槽周围的局部温度，确保绝缘密封环始终工作在其允许温度范围，同时可防止模拟体紧急降温过程中带来的密封环失效。

所述的冷却液沟槽围绕上法兰和下法兰的棒束通道，与中间法兰的环形凹槽在沿棒束轴线的方向上基本相重叠；冷却液沟槽与棒束通道之间留有基于承压套筒内压力计算确定的间隔距离，在扩散焊接完成后形成棒束密封端盖上的冷却通道。冷却液沟槽按照顺时针方向和逆时针方向交替绕制的方式依次绕过棒束通道，从而保证了其换热的效率，避免局部换热不均匀的问题。

所述陶瓷流道腔室是基于发热棒束模拟体的长度由多段陶瓷沿轴向拼接而成，每段陶瓷筒在周向由四个陶瓷块拼接而成，陶瓷筒横截面的内部为模拟燃料组件流道一致的矩形、外部为与承压套筒内径相匹配的圆形。