[发明专利]一种模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的环形实验装置

说明书

本发明公开了一种模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的环形实验装置，包括套装在一起的内管和外管，内管的两端安装有内管电极，用来给内管进行加热，内管通过上下两端的密封卡套实现与外管的密封，外管的上下两端安装有外管电极，用来给外管进行加热，外管的侧壁上连接有入口管道和出口管道，工质从入口管道流入经过内管与外管之间的流道，最终从出口管道流出，外管的两端连接有连接法兰，外管上安装有若干定位格架。相比于棒束几何的复杂形式，本发明采用简单的环形通道用来模拟堆芯燃料棒弯曲的热工水力行为。不同于圆管，环形通道的几何形式可以考虑棒束效应，如间隙大小、曲率和相邻为加热表面的存在。

技术领域

本发明属于核反应堆热工水力实验技术领域，具体涉及一种模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的环形实验装置。

背景技术

现代压水堆普遍采用了无盒、带指型控制组件的棒束型核燃料组件，组件内的燃料元件按正方形排列。核燃料组件由燃料棒、导向管、定位格架和上下管座组成。在大亚湾核电厂中，燃料组件中的燃料棒呈17×17正方形排列。导向管与8层格架和上下管座连接，组成基本的燃料组件结构骨架，而燃料棒被支撑并夹紧在这个结构骨架内，棒的间距沿组件的全长保持不便。每个组件共有289个栅元，栅元位置中设有24根导向管和一根堆内通量测量管，其余264个栅元装有燃料棒。根据栅元的不同，将堆芯栅元分为典型栅元(均由燃料棒构成)和导向管栅元(由燃料棒与导向管或测量管构成)。反应堆在运行过程中，导向管栅元由于冷壁效应的存在因而与典型栅元的热工水力特性有显著的不同。此外，在堆芯寿期末燃料由于释放出裂变气体和辐照造成燃料棒和包壳不同程度的热膨胀和燃料肿胀，从而导致堆芯热工水力特性更为复杂。其中，对临界热流密度的影响是堆芯热工水力设计当中不可忽略的重要因素之一。

临界热流密度在核反应堆中是一个重要的安全运行保障参数，核反应堆功率被限制在临界热流密度范围内。一旦超过临界热流密度，燃料包壳与冷却剂之间的传热就会恶化，导致包壳温度急剧上升和潜在失效的可能性。临界热流密度的存在极大地挑战了核反应堆的安全性和运行极限。因此，准确预测棒束临界热流密度将有助于优化输出功率，提高反应堆运行的安全性。此外，由于冷壁效应和棒弯曲对临界热流密度的影响机制尚不明确，需进一步开展临界热流密度机理实验研究。

传统探究棒束临界热流密度研究采用5×5棒束通道，且已被证明可以有效反映堆芯临界热流密度热性。由于棒束实验成本昂贵，且无法大规模开展不同弯曲程度的临界热流密度实验，一般仅用在工程验证方面，无法进行棒弯曲对临界热流密度影响机理方面的研究。这是不利于临界热流密度研究的进展和新型燃料组件开发的。因此，以简单通道快速模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为是探究棒束临界热流密度机理的一种重要手段。

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模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的环形实验装置。该装置的几何形式为环形形式，基于水力当量直径与待研究栅元相同的设计准则。内管和外管可分别单独加热或内外同时加热用来模拟典型栅元以及探究冷壁效应机理。外管被分成四段并由卡箍连接，在三个连接处可灵活的放置不同偏心率的定位格架用来探究不同偏心程度、弯曲程度及弯曲位置对热工水力特性的影响。本发明克服了传统大规模棒束临界热流密度实验装置的不足，为复杂异形棒束通道内热工水力实验研究提供新的技术支持。

本发明采用以下技术方案来实现的：

一种模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的环形实验装置，包括套装在一起的内管和外管，内管的两端安装有内管电极，用来给内管进行加热，内管通过上下两端的密封卡套实现与外管的密封，外管的上下两端安装有外管电极，用来给外管进行加热，外管的侧壁上连接有入口管道和出口管道，工质从入口管道流入经过内管与外管之间的流道，最终从出口管道流出，外管的两端连接有连接法兰，外管上安装有若干定位格架。

本发明进一步的改进在于，在内管的上下两端焊有两段镍棒。

本发明进一步的改进在于，密封卡套中有圆形凹槽用来放置O型环，从而实现密封。