一种细棒束燃料组件实验模拟装置及系统、制备方法与流程

本发明涉及核装置领域，具体涉及一种细棒束燃料组件实验模拟装置及其制备方法。

背景技术：

反应堆燃料组件热工水力特性是燃料组件性能的重要研究内容，燃料组件的热工水力特性研究对燃料组件的设计论证、提高组件的综合性能具有重要的意义。为了提高堆芯燃料组件的性能以及优化其设计，各国都对此开展了热工水力分析和实验研究。棒束型燃料组件是核反应堆常用的燃料组件型式，并且浮动核电站、船用核动力等反应堆堆芯结构也都可以模化为棒束通道，燃料组件内部的流动传热特性对反应堆设计和安全运行起着至关重要的作用。

研究表明，影响燃料组件的热工水力特性的因素很多，系统的热工参数以及燃料组件的结构都会对其产生不同程度的影响，目前燃料组件的热工水力特性一般都是通过开展实验来进行研究。细棒束燃料组件是一种新型的先进堆芯组件设计技术，针对细棒束燃料组件，由于其棒束结构的特殊性、复杂性以及流体的二次流，燃料组件内部流场、温度场异常复杂，其流动、传热等热工水力特性研究难度很大，目前国内、外对于细棒燃料组件的热工水力特性研究并不充分。由于反应堆燃料组件的特殊性，无法直接开展堆外实验，需要研制相应的细棒束燃料组件热工水力模拟实验装置，开展流动、传热以及临界热流密度等热工水力实验研究，为细棒束燃料组件的设计定型和安全分析提供支撑。

针对棒束燃料组件热工水力特性，美国、法国、德国等国家都开展了一些研究，但多是针对大直径棒束或单根圆管开展研究，公开报道的多为棒束组件试验结果分析、数值计算等，没有高温高压细棒束燃料组件实验模拟装置的报道。因此，有必要研制一种高温高压细棒束燃料组件实验模拟装置，能够承受高温高压条件，能够对原型燃料组件几何结构及核释热特性进行模拟，开展细棒束燃料组件的流动、传热等热工水力实验研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种细棒束燃料组件实验模拟装置，该模拟装置能够承受高温高压条件，能够对原型燃料组件几何结构及核释热特性进行模拟，开展细棒束燃料组件的流动、传热等热工水力实验研究。还提供了一种制备方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种细棒束燃料组件实验模拟装置，包括从上到下依次相连的导电头、加热元件、导电组件；所述导电头开设有用于连接加热元件的通孔，通孔的上表面为倒锥形面，导电头的下方设置有环形榫面，环形榫面为2个且以通孔为中心对称设置。

所述加热元件由从上到下依次连接的第一冷段元件、热段元件、第二冷段元件组成，第一冷段元件和热段元件之间、热段元件和第二冷段元件之间均焊接而成。

第一冷段元件和热段元件之间的间隙为0.5～0.8mm，热段元件和第二冷段元件之间的间隙为0.5～0.8mm。

第一冷段元件较热段元件的机械强度强，但第一冷段元件的电阻小于热段元件。

第一冷段元件为ni6管材，热段元件为0cr18ni10ti管材，第二冷段元件采用t2棒材。

导电组件包括连接在加热元件下方的导电铜辫，导电铜辫下方还连接有导电块。

导电头的两侧面均开设有吊装孔，导电头的下方开设有定位孔，定位孔为2个且以通孔为中心对称设置，加热元件上设置有定位格架。

加热元件穿出导电头上表面8-12mm设置。

一种细棒束燃料组件实验模拟装置系统，包括如前所述的细棒束燃料组件实验模拟装置，所述导电头下方还设置有用于承受压力的承压件，且承压件与环形榫面间的间隙为0.8～1mm。

一种细棒束燃料组件实验模拟装置的制备方法，导电头通孔的开孔选用加电火花法进行开孔；导电头与加热元件之间采用银钎焊，焊接过程中，加热元件穿出导电头上表面8-12mm设置，且加热元件需要冷却。

针对现有技术并没有高温高压细棒束燃料组件实验模拟装置，用于原型燃料组件几何结构及核释热特性进行模拟，开展细棒束燃料组件的流动、传热等热工水力实验研究，本发明设置上述棒束燃料组件一体式实验模拟装置。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明能够承受高温高压条件，能够对原型燃料组件几何结构及核释热特性进行模拟，开展细棒束燃料组件的流动、传热等热工水力实验研究。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明局部结构示意图。

图3为本发明局部结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1.导电头；2.加热元件；3.定位格架；4.导电铜辫；5.导电块；6.通孔；7.吊装孔；8.环形榫面；9.定位孔；10.第一冷段元件；11.热段元件；12.第二冷段元件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，一种细棒束燃料组件一体式实验模拟装置，包括从上到下依次相连的导电头1、加热元件2、导电组件；所述导电头1开设有用于连接加热元件2的通孔6，通孔6的上表面为倒锥形面，导电头1的下方设置有环形榫面8，环形榫面8为2个且以通孔6为中心对称设置。

实施例2

所述加热元件2由从上到下依次连接的第一冷段元件10、热段元件11、第二冷段元件12组成，第一冷段元件10和热段元件11之间、热段元件11和第二冷段元件12之间均焊接而成。

第一冷段元件10和热段元件11之间的间隙为0.5～0.8mm，热段元件11和第二冷段元件12之间的间隙为0.5～0.8mm。

第一冷段元件10较热段元件2的机械强度强，但第一冷段元件10的电阻小于热段元件11。

第一冷段元件10为ni6管材，热段元件11为0cr18ni10ti管材，第二冷段元件12采用t2棒材。

实施例3

导电组件包括连接在加热元件2下方的导电铜辫4，导电铜辫4下方还连接有导电块5。

导电头1的两侧面均开设有吊装孔7，导电头1的下方开设有定位孔9，定位孔9为2个且以通孔6为中心对称设置，加热元件2上设置有定位格架3。

加热元件2穿出导电头1上表面8-12mm设置。

实施例3

一种细棒束燃料组件一体式实验模拟装置系统，包括如前所述的细棒束燃料组件一体式实验模拟装置，所述导电头1下方还设置有用于承受压力的承压件，且承压件与环形榫面8间的间隙为0.8～1mm。

实施例4

一种细棒束燃料组件一体式实验模拟装置的制备方法，导电头1通孔6的开孔选用加电火花法进行开孔；导电头1与加热元件2之间采用银钎焊，焊接过程中，加热元件2穿出导电头1上表面8-12mm设置，且加热元件2需要冷却。

为了保证导电头1和加热元件2件有较好的承压性能及导电性能，焊接采用银钎焊。将加热元件2插入导电头1，为了实现焊接，加热元件2上端保留8-12mm长度露出导电头1，这样能够便于焊接过程中能够在导电头1与加热元件2棒中间均匀填充焊料，保证焊接的可靠性。焊接过程中由于温度较高，而加热元件2直径较小，高温会导致加热元件2变形及元件内部件的密封失效，为了保证加热元件2不发生变形，需要在导电头1下方的加热元件2上部进行冷却，可以缠绕海绵并浇注冷却水以保证焊接高温不会传递至加热元件2。

导电头1根据元件数量及间距进行开孔，开孔尺寸根据加热元件2外径确定，单边0.5mm间隙，以确保银钎焊过程中焊料能够流入导电头1与元件棒的间隙，但不会流出间隙太多。导电头1上表面凹槽内平面加工10-15°斜面，以便于焊料的流动，从而提高焊接密封性能。由于高温高压条件，导电头1较厚，但开孔需要有较高精度，很难通过钻头打孔控制，因此采用加电火花方法进行开孔，该方法能够较好的实现对导电头1孔径精度的控制。为了便于后期安装与定位，导电头1侧面开有φ8mm的吊装孔7，下方开有φ10mm的定位孔9。导电头1上加工有环形榫面8，用于承压密封，环形榫面8与承压件槽面间隙控制在0.8～1mm，从而实现电加热组件的密封与绝缘。

如图3所示，加热元件2由第一冷段元件10、热段元件11、第二冷段元件12组成，为了保证加热元件2的导电性及机械强度，第一冷段元件10采用ni6管材，热段元件11采用0cr18ni10ti管材，第二冷段元件12采用t2棒材，ni6管材有较好的机械强度但电阻远小于0cr18ni10ti管材，且能够较好的与导电头1实现银钎焊焊接，能实现对加热元件2的支撑、定位、导电，因此用在加热元件2上端的第一冷段元件10采用ni6管材。0cr18ni10ti管材有较好的机械强度和机加工性能，能够较好的控制尺寸精度，且电阻值能够完全模拟原型燃料组件的核释热，因此热段元件11采用0cr18ni10ti管材。t2棒材机械强度较差，但电阻值较小，因此用在加热元件2下端的第二冷段元件12采用t2棒材。热段元件11与第一冷段元件10、第二冷段元件12均采用银钎焊连接，为了保证焊接质量，焊接间隙尺寸控制在0.5-0.8mm。加热元件2组件为9根的元件管紧密排列而成的正方形。为了开展阻力特性实验和临界热流密度实验，元件棒径向选用不同电阻值的不锈钢管。加热元件2下方焊接φ5mm的导电铜辫4进行导电，能够满足导电电流密度要求，此外导电铜辫4的柔性结构可以抵消加热元件2的热膨胀问题。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。