用于压水堆燃料组件振动性能测试的试验元件及实验方法与流程

本发明涉及核能领域，尤其涉及一种用于压水堆燃料元件振动性能测试的试验元件及实验方法。

背景技术：

燃料组件是核反应堆堆芯的关键部件，它产生热能并将此热能传递给冷却剂。压水堆燃料组件通常采用栅格支撑的棒束结构，通过栅格结构，对燃料棒提供夹持和支撑，确保装载含铀芯块的燃料棒在反应堆内保持所需的间距，从而获得冷却剂的冷却。由于栅格结构复杂，在反应堆内受流体高速冲刷时，可能会产生异常的流致振动现象，过大的流致振动会对栅格本身及其夹持的燃料棒的结构稳定型都造成不良的影响。因此一种新的燃料组件定位栅格设计需要通过试验来测试是否会产生异常的流致振动。在定位栅格设计初期，直接采用全比例的定位栅格及燃料棒来进行振动试验成本较高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是预估定位栅格的流致振动性能，为了解决上述问题，本发明提供一种用于压水堆燃料组件振动性能测试的试验元件，包括顶部夹持栅格、测量目标栅格、底部夹持栅格、模拟燃料棒和刚杆，顶部夹持栅格、测量目标栅格和底部夹持栅格自上而下依次同轴固定在刚杆上，模拟燃料棒套设在各个栅格的栅元中，栅元的组合形式采用实际正方形栅元阵列最中央的n×n个栅元的组合形式，n×n个栅元包括至少一个用于固定刚杆且位于最中央位置处的栅元，模拟燃料棒与实际燃料棒的线密度相同。

进一步地，n值等于5。

进一步地，测量目标栅格的数量至少为1个，测量目标栅格的间距与实际栅格的间距一致。

进一步地，顶部夹持栅格和底部夹持栅格可移动地固定在刚杆上。

进一步地，栅元的尺寸、结构与实际栅元相同。

进一步地，刚杆和各个栅格通过机械连接或焊接固定。

进一步地，刚杆包括控制棒导向管/通量测量管。

进一步地，各个栅格间设置有搅混翼片。

进一步地，模拟燃料棒的材质包括透明材料。

本发明还公开一种使用如权利要求1的试验元件的实验方法，包括如下步骤：

步骤一，将试验元件安装在透明流道中，调节顶部夹持栅格和底部夹持栅格与各自最接近的测量目标栅格的间距，并使得设置在中间的测量目标栅格的上下游流场流动情况与真实燃料组件相同；

步骤二，采用激光测振仪将激光穿过透明流道，聚焦在被测结构表面，从而测量燃料棒或外侧条带的振动；

当需测量内测条带的振动，选用透明材料制作的模拟燃料棒。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明给出一种能够表征定位栅格振动性能的小比例试验件，通过采用小比例的试验元件来预估定位栅格的流致振动性能是比较经济的方式。

附图说明

图1本发明的含5个小比例栅格的用于压水堆燃料组件振动性能测试的试验元件结构示意图；

图2是典型的不带搅混翼片的15x15定位栅格的小比例试验件截取方法示意图；

图3是典型的带搅混翼片的17x17定位栅格的小比例试验件截取方法示意图。图中，顶部夹持栅格1、测量目标栅格2、底部夹持栅格3、模拟燃料棒4、控制棒导向管栅元5、燃料棒栅元6、截取的小比例试验件7。

具体实施方式

下面结合附图并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，实施方式只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制发明的范围。

如图1所示，一种用于压水堆燃料组件振动性能测试的试验元件，包括顶部夹持栅格、测量目标栅格、底部夹持栅格、模拟燃料棒和刚杆，顶部夹持栅格、测量目标栅格和底部夹持栅格自上而下依次同轴固定在刚杆上，模拟燃料棒套设在各个栅格的栅元中，各个栅格的栅元的组合形式采用实际正方形栅元阵列最中央的n×n个栅元的组合形式，n×n个栅元包括至少一个用于固定刚杆轴向位置的栅元。其中冷却剂流动方向的上游为上，冷却剂流动方向的下游为下。其中顶部夹持栅格和底部夹持栅格可移动地固定在刚杆上，顶部夹持栅格和底部夹持栅格在提供夹持的同时，通过调节间距可以模拟实际上下游流场，测量目标栅格中各个栅格的间距与实际燃料组件中栅格间距相同。模拟燃料棒通过配重的模拟芯块保持与真实燃料棒相同的线密度，其材质可以是透明材料，内部可以配置加速度及偏于振动的测量。各个栅元的尺寸、结构与实际栅元相同。

测量目标栅格的数量至少为1个，测量目标栅格的间距与实际栅格的间距一致，在一个实施例中测量目标栅格的数量为3个。

如图2和3所示，实际使用的定位栅格通常包括由若干细长的带材组成正多边形栅元阵列，常见的包括15×15、16×16、17×17等正方形栅元阵列，六角形栅元阵列等。阵列中的栅元通常包括两类，燃料棒栅元和控制棒导向管/通量测量管栅元，燃料棒栅元通过弹性变形带来的夹持力对燃料棒进行定位，控制棒导向管/通量测量管栅元则通过机械连接或焊接与通量测量管固定。由于控制棒导向管/通量测量管栅元的固定连接能相对最大限度的抑制振动，因此定位栅格的条带最容易发生异常振动的位置应在相距栅元数最多的两个控制棒导向管/通量测量管栅元之间。鉴于该情况，所以本发明截取方法为截取最中央的n×n个栅元，此处代表高频流致振动最为剧烈的部分。

另外，目前的压水堆燃料元件定位栅格设计通常会在流动方向上布置干扰流动的搅混翼片以改变栅格下游的冷却剂流动(如图3所示)，使燃料棒冷却更加充分。因此在试验件设计时，还需考虑上述搅混翼片的布置，鉴于该情况，本发明在栅格中设置有搅混翼片并和实际布置相同，因此既能够体现定位栅格搅混翼片的布置特点，又确保小比例试验件的栅格承受的冲刷力保持平衡，避免因此产生额外的振动影响测量的效果。

本发明的栅元的组合截取整个正方形栅元阵列最中央的n×n个栅元的组合形式，小比例栅格中应包含至少1个控制棒导向管/通量测量管栅元用于固定轴向位置，n由除中心用于固定轴向位置的控制棒导向管/通量测量管栅元外，相邻的控制棒导向管/通量测量管栅元间的栅元数确定。

如图2和图3所示，本发明提供了两种典型的定位栅格的用于开展定位栅格和燃料棒流致振动性能的试验元件的小比例栅格截取方法。可以看到无论是不带搅混翼片的15×15定位栅格(图2)，还是带搅混翼片的17×17定位栅格(图3)，都由控制棒导向管栅元5和燃料棒栅元6组成，能截取出的只含一个控制棒导向管栅元的栅元最大的、对称的小比例栅格7如图所示，都为中心的5×5栅格。该栅格能代表从整个栅格中截取的高频流致振动最为剧烈的部分。

本发明还公开一种实验方法，包括如下步骤

步骤一，将试验元件安装在透明流道中，调节顶部夹持栅格和底部夹持栅格与各自最接近的测量目标栅格的间距，并使得设置在中间的测量目标栅格的上下游流场流动情况与真实燃料组件相同。

步骤二，采用激光测振仪将激光穿过透明流道，聚焦在被测结构表面，可以测量燃料棒或外侧条带的振动。

如果想测量内侧条带的振动，则模拟燃料棒需要采用透明材料制作。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。