[发明专利]模拟燃料表面沉积物对堆芯热工影响的实验装置及方法

权利要求书

1.一种模拟燃料表面沉积物对堆芯热工影响的实验装置，其特征在于：包括实验段(10)、水箱(1)、稳压器(12)、冷凝器(3)、高温高压泵(4)、质量流量计(6)、预热器(7)、过滤器(14)、NI数据采集系统(8)、辅助系统(11)和配电系统；实验段(10)两端焊接有电极，与直流电源(9)相连，通过电加热模拟实际燃料元件表面发热；NI数据采集系统(8)通过实验段测量系统(17)与实验段(10)相连，测量实验段(10)的温度、压力参数；高温高压泵(4)依次与质量流量计(6)、预热器(7)相连，构成实验段(10)的上游环境，再通过预热器(7)与实验段(10)相连，实验段(10)的出口与过滤器(14)相连，过滤器(14)再与冷凝器(3)相连，最后连接至高温高压泵(4)，构成闭合的实验主回路；稳压器(12)通过接入实验段(10)与过滤器(14)之间的管段接入实验主回路，稳压器(12)入口管道引出一条分支管段与辅助系统(11)相连，通过辅助系统(11)与稳压器(12)调控实验主回路压力；稳压器(12)顶端连有氩气瓶(13)，用于实验主回路抽真空与保养；水箱(1)通过管道连接至过滤器(14)与冷凝器(3)之间的管段，以向实验主回路注水，水箱(1)中布置有电加热器(2)，用于加热水箱中的去离子水以除去不凝结性气体；同时高温高压泵(4)与质量流量计(6)之间、实验段(10)入口处管段与出口处管段上均布置有温度计(15)和压力计(16)，用于监控实验主回路温度及压力。

2.根据权利要求1所述的一种模拟燃料表面沉积物对堆芯热工影响的实验装置，其特征在于：所述的实验段(10)由存在沉积物的锆合金包壳管(10-1)、T热电偶(10-2)、外套管(10-3)、电极(10-4)和引压管(10-5)组成，用于模拟压水堆堆芯内的流动换热过程；试验段(10)通过将锆合金样品置于模拟压水堆环境的高压釜内腐蚀沉积的方式制备存在沉积物的锆合金包壳管(10-1)与外套管(10-3)之间构成冷却剂的环形流道(10-8)，环形流道(10-8)通过外套管(10-3)一侧面开孔形成的流道入口(10-7)与流道出口(10-6)与实验主回路管道相连；存在沉积物的锆合金包壳管(10-1)的两端焊接有电极，与直流电源(9)连接提供加热功率；存在沉积物的锆合金包壳管(10-1)的内壁面布置有多根T热电偶(10-2)，用以测量壁面温度；通过两根引压管(10-5)测量实验段(10)进出口的压力和压差；在环形流道(10-8)加热段上游留有长度超过60倍水力直径的入口段(10-9)，保证能够建立起充分发展的湍流。

3.根据权利要求1所述的一种模拟燃料表面沉积物对堆芯热工影响的实验装置，其特征在于：所述水箱(1)通过注水管段连接至过滤器(14)与冷凝器(3)之间的管段，水箱中含有去离子水，实验前通过水箱(1)中的电加热器(2)加热去离子水至沸腾，除去去离子水中的凝结气体；实验开始前，水箱(1)通过注水管段向实验主回路中注水，实验过程中停止注水。

4.根据权利要求1所述的一种模拟燃料表面沉积物对堆芯热工影响的实验装置，其特征在于：通过所述辅助系统(11)与稳压器(12)调节实验主回路内的压力，使得压力最高不超过15.5MPa。

5.据权利要求1所述的一种模拟燃料表面沉积物对堆芯热工影响的实验装置，其特征在于：通过所述预热器(7)将实验主回路内的去离子水加热至实验要求的入口温度，通过过滤器(14)除去水中的污垢杂质，通过冷凝器(3)带走经由实验段(10)加热后的水的热量，完成实验循环。

6.权利要求1至5任一项所述的一种模拟燃料表面沉积物对堆芯热工影响的实验装置的实验方法，其特征在于：实验开始之前，利用水箱(1)内电加热器(2)将去离子水加热至沸腾状态，除掉去离子水中的不凝结性气体，排除不凝结性气体对实验结果的干扰；然后通过注水管段向实验主回路内注入去离子水，利用辅助系统(11)调节回路内的压力至要求压力；开启高温高压泵(4)，驱动去离子水依次流经流量计(6)、预热器(7)、实验段(10)、稳压器(12)、过滤器(14)和冷凝器(3)；接下来启动预热器(7)的电源并调节预热器的功率将实验主回路内的去离子水加热至实验要求的入口温度，启动冷凝器(3)带走去离子水的热量；最后，调节实验段的进口过冷度、实验主回路压力、实验段(10)的加热功率、流量，通过实验段(10)模拟堆芯，完成包壳表面沉积物存在条件下不同工况单相及沸腾两相流动传热实验，同时利用NI数据采集系统(8)采集流量、温度、压力、压差数据；改换不同条件下制备的实验段(10)，重复以上过程，得到不同沉积物条件下的实验数据；通过分析流动压降及换热系数特性，研究运行参数即实验主回路压力、质量流速和热流密度以及表面沉积物粗糙度对单相及沸腾两相流动传热特性的影响规律。