[发明专利]一种板型燃料元件轴向和横向非均匀释热模拟试验装置

说明书

一种板型燃料元件轴向和横向非均匀释热模拟试验装置,由流道本体模块、功率加载模块和夹装固定模块组成；能够在接近真实环境下模拟板型燃料轴向和横向非均匀释热对冷却剂流动换热特性的影响，研究不同压力、温度、流量和热负荷分布方式等热工参数以及相应几何参数对流动换热特性的影响；同时本试验装置可以方便的调节各个电加热元件的输出功率，根据研究需要实现不同形式的热流分布，为研究极端或者事故工况下的流动换热性能提供试验平台和数据支撑；本试验装置还设计有大量压力、压差、温度测点，可以在宽广的热工参数范围内运行并获得大量精准的试验数据，以便更加深入地开展非均匀热流环境下矩形窄缝通道内流动换热特性的实验和理论研究。

技术领域

本发明属于核反应堆热工水力实验研究技术领域，具体涉及一种模拟反应堆板型燃料元件轴向和横向非均匀释热对流动传热特性影响的实验装置。

背景技术

板型燃料元件相比棒状元件具有结构紧凑，堆芯换热性能好，燃料芯体温度低，可大幅度提升堆芯体积比功率等优点，在先进研究堆、生产堆、船用堆(核动力潜艇、核动力航母等)以及新型核动力系统(小型浮动式核动力海洋平台等)堆芯组件中得到了广泛的应用。同时，燃料元件作为堆芯的核心构件，是链式核裂变反应的中心，也是整个系统的热源，为了确保堆芯第一道安全保护屏障的完整性，防止核放射性物质外泄污染环境及危害人类健康，必须制定安全可靠的热工水力设计限值，确保任何时刻核燃料元件各项参数均满足其热工水力限值要求。

在实际生产、研究、测试堆中受到辐照靶件、燃料布置等因素的影响，燃料板沿轴向和横向方向上存在显著的功率分布不均匀性，并且这种不均匀性还随着燃料板轴向位置以及反应堆实际运行工况的变化而变化；加之，相邻燃料板围成的冷却剂流道间隙一般为1～3mm，宽高比一般大于20，是一种典型的大宽高比矩形窄缝流道。这种功率分布以及大宽高比几何参数效应可能会造成其内部流动与传热特性和常规通道相比存在明显的差异，尤其是对于可能出现的两相情况，将引起冷却剂沿横向上的迁移和交混，对流动传热特性造成显著的影响。到目前为止，国内外现有的研究基本上都是在均匀加热的条件下开展的，考虑轴向和横向非均匀释热效应，特别是大宽高比矩形窄缝通道内流动传热特性的研究还鲜见报道，因此，考察轴向和横向非均匀释热效应及大宽高比几何结构对冷却剂流动传热特性的影响具有十分重要的工程意义和科学研究价值，为此必须设计出切实可行的试验装置。

中国专利申请公布号CN107945895A公开了一种非均匀电加热的核燃料模拟棒。该模拟棒体结构组成主要包括镍棒、加热段、铜片、陶瓷件、热电偶、镍管、铜管等；加热段是一根变内径的金属管，镍棒、加热段、镍管和铜管从上到下依次钎焊连接，成为一根外径不变的金属棒体；加热段内部具有陶瓷层，利用热电偶通过铜片时时监测相应位置陶瓷层的温度，降低试验段烧毁的风险。但是，其研究对象是针对大型先进压水堆中普遍采用的圆柱形核燃料棒，并应用于核燃料组件的临界热流实验研究中，难以推广到一体化反应堆普遍采用的板型燃料元件矩形通道中去；其次，其设计思想来源于核燃料棒轴向非均匀释热。另外，中国专利申请公布号CN104517656A也公开了一种细长型非均匀加热元件及其加工工艺，其核心也是依靠一根壁厚不等的加热管实现轴向非均匀加热热流。因此，上述两种模拟装置和方法均无法应用到同时考虑轴向和横向非均匀释热的板型燃料元件矩形通道流动换热特性实验研究中。

又如中国专利申请公布号CN104568377A公开了一种加热模拟混合堆次临界能源包层通道加热的偏心管及实验装置，偏心管采用高精度深孔钻加工，并通过加电铜排采用直流电加热壁厚不均匀的偏心管，获得周向非均匀加热功率，该装置可用于全周向非均匀加热条件下流动传热特性实验研究，以检验次临界堆能源包层热工水力设计的合理性。但是，该发明设计思路是通过改变传热管周向壁厚改变电阻值，并利用电流的焦耳效应实现非均匀加热，该思路应用在圆管上具有相当的优势，但是应用到窄矩形通道流道传热研究中要考虑真实板型燃料元件两侧非加热区的影响，另外要同时考虑轴向和横向非均匀释热的影响，对加工精度提出了很高的要求，无疑大大增加了加工的难度和成本。因此，该设计方法和思路很难应用到同时考虑轴向和横向分均匀释热效应的窄矩形通道流动传热特性研究中。