[发明专利]一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒

说明书

本发明一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，包括环形金属包壳、内部发热芯体、贯穿式上端塞和封闭式下端塞；环形金属包壳包括由外至内套装的外包壳和内包壳；内部发热芯体包括陶瓷芯、电热丝和铠装热电偶；陶瓷芯固定于外包壳和内包壳之间，电热丝采用直布式结构布置于陶瓷芯的圆形贯穿孔道中，采用蛇形结构依次穿过不同的圆形贯穿孔道进行限位，铠装热电偶布置于陶瓷芯边壁处的半圆形贯穿孔道中，通过陶瓷芯的挤压作用实现与外包壳和内包壳的紧密接触；贯穿式上端塞和封闭式下端塞分别设置在环形金属包壳的顶部和底部。本发明填补了环形燃料热工水力实验中耐高温实验段关键部件的缺失，为开展环形燃料热工安全实验研究提供新的技术支持。

技术领域

本发明属于核反应堆热工水力实验技术领域，具体涉及一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒。

背景技术

环形燃料是一种内外面同时冷却的核反应堆新型燃料型式，与传统棒状燃料相比，具有传热路径短、传热面积大、燃耗深度高、刚度大等诸多优势。采用环形燃料替代现有棒状燃料，有望在保持或增进现有反应堆安全性能的前提下大幅提升堆芯功率密度。因此，环形燃料是高性能轻水堆核燃料元件的主要发展趋势之一，具有良好应用前景。我国在环形燃料自主化设计与研发方面已取得了显著进展，进一步深入开展环形燃料在商用压水堆中的热工水力安全分析研究，是确保我国环形燃料实现自主化商业应用的关键。

冷却剂丧失事故(LOCA)一直是研究核反应堆安全的重要对象，准确模拟LOCA事故对反应堆安全分析至关重要。LOCA事故中的再淹没过程是整个事故中的重要阶段，在此阶段中，堆芯热工水力现象复杂多变，棒束传热最差，导致燃料包壳温度达到最高。因此，开展棒束再淹没实验研究、建立精确再淹没模型是模拟LOCA事故的关键。

与传统棒状燃料相比，环形燃料具有开放通道与闭式通道并存、大棒径小间隙、双面冷却等特征，其再淹没过程的物理现象比传统棒束组件更为复杂，现有基于棒状燃料开发的再淹没模型对环形燃料不再适用。由于缺乏对环形燃料再淹没物理过程的深入研究，目前，对环形燃料再淹没关键传热规律及机理认识不够深入，缺少适用于环形燃料LOCA事故分析的再淹没模型。为了进一步开展环形燃料事故分析工作，确保准确模拟环形燃料LOCA事故进程，有必要开展环形燃料再淹没实验研究，探究环形燃料再淹没过程特有的物理规律，建立精确的环形燃料再淹没物理模型，为环形燃料工程化安全分析软件的开发和验证提供关键参考。

在开展再淹没等反应堆热工水力实验研究时，常用几何尺寸相同的电加热棒模拟反应堆燃料棒。根据电加热方式的不同，电加热棒可分为直接加热棒和间接加热棒，前者直接使加热棒金属外包壳通电，利用焦耳热形成一定的热流密度，常用于高热流密度或恒热流边界条件的热工实验，如临界热流密度实验；后者在加热棒内部布置发热丝，并通过绝缘且导热性能良好的金属陶瓷隔绝电热丝与金属外包壳并导出热量，常用于模拟事故工况或对绝缘要求较高的实验，如再淹没实验。在加热棒内部，通常需布置热电偶用于壁面温度的测量。

针对模拟传统燃料棒的棒状电加热棒的设计与加工已较为成熟，被广泛应用于再淹没、临界热流密度和湍流交混等实验研究中。为开展环形燃料再淹没实验研究，需采用模拟环形燃料的间接电加热棒，而关于环形间接电加热棒的设计加工并未见公开报道。由于采用环形结构，棒状电加热棒常用的加工方式和结构对环形加热棒均不再适用。环形燃料包含内外两个通道且内外包壳的间隙较小，导致等尺寸设计的环形电加热棒内部空间十分局促，为发热丝和热电偶在环腔内的布置和导线引出带来极大难度。同时，再淹没实验对加热棒壁面温度的要求较高，高温易引起加热棒内部电热丝出现热膨胀并断裂，同时对加热棒内部的导热和绝缘性能的提出了极高的要求。

发明内容

为了解决上述问题，满足实验需要，本发明的目的是提供一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒。本发明填补了环形燃料热工水力实验中耐高温实验段关键部件的缺失，为开展环形燃料热工安全实验研究提供新的技术支持。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：