[发明专利]一种压力容器下封头热流密度的模拟装置及模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及核反应堆严重事故研究所需的模拟设备领域，具体是一种压力容器下封头热流密度的模拟装置及模拟方法。

背景技术

从人类开始利用核能至今，全球已经发生了多起严重的核泄漏事故，比如美国三里岛核泄漏事故、前苏联切尔诺贝利核泄漏事故和日本福岛核泄漏事故。通过分析上述核泄漏事故的发展和处理过程可以发现，将堆芯熔融物滞留在压力容器内，保证反应堆压力容器的完整性，可以极大地缓解严重事故的进一步发展和恶化。现在，已有较为完整的反应堆熔融物堆内滞留策略，影响反应堆熔融物堆内滞留策略能否成功的关键点即在于压力容器下封头外表面流动传热特性以及临界热流密度。

为了掌握下封头外表面流动传热特性以及获得压力容器下封头外表面临界热流密度限值，迫切需要一种压力容器下封头热流密度的模拟装置及模拟方法，该装置必须能模拟下封头在不同事故条件下的表面热流密度，同时可与其他结构形成冷却通道。至今为止，未见关于一种适用于核反应堆压力容器下封头的模拟方法以及模拟装置的文字记载。

发明内容

本发明的目的在于提供应用于一种压力容器下封头热流密度的模拟装置及模拟方法，解决模拟半球形压力容器下封头热流密度分布的问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种压力容器下封头热流密度的模拟装置，包括整体呈长方体的弧形模拟器，所述弧形模拟器向其中一个侧面弯曲，形成横截面为矩形的四分之一个圆环，其外径为R，内径为R-B，B为弧形模拟器的厚度，弧形模拟器的宽度为Am。本发明的弧形模拟器整体结构上采用横截面为矩形的长方体弯曲而成， 在弧形模拟器的间距为Am两个侧面上，焊接一个U型的不锈钢围板，U型不锈钢围板与弧形模拟器半径为R的表面共同形成封闭的冷却通道，U型不锈钢围板底面的曲率中心与弧形模拟器的曲率中心相同，模拟器件的加热，是通过在弧形模拟器上打孔，并嵌装电加热元件，通过电加热元件发热实现弧形模拟器的加热。

可以模拟出下封头在不同事故条件下的表面热流密度，还可以同时实现下封头冷却流量的模拟，该模拟装置可以模拟严重事故条件下下封头在不同事故条件下的表面热流密度，同时模拟装置还可与其他结构共同形成冷却通道，以用于实验室开展严重事故条件下压力容器下封头外表面流动传热特性以及临界热流密度实验，获得下封头外表面临界热流密度限值，为严重事故缓解系统的设计和有效性评估提供依据。

所述弧形模拟器的宽度Am与被模拟的投影为扇形的半球形下封头的弧形切片宽度相同处的仰角为模拟角度qm。进一步讲，为了获得某角度的临界热流密度值，而将这个角度作为模拟角度qm，进而确定热流密度的分布；严重事故缓解系统的设计和有效性评估时会需要反应堆压力容器下封头各个角度处的临界热流密度值，因此需要开展实验，以获得随角度变化的临界热流密度值。在实验中一次只能获得单个角度处的临界热流密度值，而获得不同角度处临界热流密度值的实验，需要使用的热流密度分布各不相同，因此，为了获得某角度处的临界热流密度值，需要先将这个角度作为模拟角度，再根据后续的四个计算式分别计算出切片结构所占比例、实验所需流量以及实验所需热流密度分布。

一种压力容器下封头热流密度的模拟方法，包括以下步骤：

（a）根据核反应堆设计结果，获取核反应堆压力容器下封头的外半径R_下封头、冷却流量                                                和下封头热流密度分布；

（b）根据所用热源的功率，选取弧形模拟器的宽度Am和厚度B，宽度Am范围为50～500mm，厚度B范围为20～150mm，弧形模拟器的外半径R与核反应堆压力容器下封头的外半径R_下封头相等；

（c）确定需要模拟的角度q_m，0°<q_m<90°，需要获得下封头外表面在角度a处的临界热流密度时，则令模拟角度q_m与a相等；

（d）根据以下公式计算半球形下封头的切片结构占半球形下封头结构的比例x，

  

其中，Am为弧形模拟器的宽度，单位为m；R为弧形模拟器的外半径，单位为m；qm为被模拟的角度；

（e）根据以下公式计算模拟装置需要的冷却流量

   ，其中m_p为反应堆压力容器下封头外表面的冷却流量；

（f）当0°<q??q_m时，根据以下公式计算出模拟装置需要的热流密度分布，