一种钠冷快堆碎片床形成特性的实验系统的制作方法

本发明涉及先进核能系统钠冷快堆领域，特别是涉及一种钠冷快堆碎片床形成特性的实验系统。

背景技术：

相对于第二、三代反应堆，第四代核能系统是一种具有更好的安全性、经济竞争力、核废物量少以及可有效防止核扩散的先进核能系统。钠冷快堆因其具有良好的增殖特性以及最为丰富的建造和运行经验，已成为国际上第四代核能系统中的“一号种子手”，代表着先进核能系统的发展趋势和技术前沿。然而历史上的切尔诺贝利、三里岛以及福岛核事故反复告诫我们，虽然核反应堆发生严重事故的概率极低，但是一旦发生便可能是一场致命的、后果十分严重的大灾难。因此，对钠冷快堆发生堆芯解体严重事故的机理进行研究无疑对于保障该堆形的长期健康发展具有至关重要的意义。国际上既往研究认为，当钠冷快堆发生堆芯解体事故时，随着事故的不断发展，熔融燃料将可能从堆芯区域释放出来，在冷却剂液钠的作用下，熔融燃料将被冷却和凝固成燃料颗粒或碎片，并最终在反应堆压力容器底部沉降和堆积成燃料粒子碎片床。我们知道，影响碎片床冷却能力的因素很多，包括功率密度、碎片床高度、孔隙度以及粒子大小、形状和粒子量等诸多因素。因此，对碎片床的堆积行为进行研究对于了解碎片床的初始物理特性，进而设法改善碎片床的冷却能力以及改进反应堆压力容器内相关安全设施的设计都具有重要的意义。

REF01：发明专利《颗粒床测量装置》（CN201410370526.9）公开了一种颗粒床测量装置。该装置具体包括高速摄像机、释放机构、支架、颗粒床、空心钢球以及小铁球。该装置能够记录并测量空心钢球下落撞击平整的颗粒床所形成的拱起的性质。

REF02：实用新型专利《堆芯熔化物收集装置》（CN200820132803.2）公开了一种钠冷快堆堆芯熔化物收集装置，包括托盘、中央通道、通道顶盖、支承架。该装置减轻了主容器底部压力、有利于冷却剂循环冷却，并且能有效避免二次临界。

但是上述各技术方案均存在不足之处，描述如下：

1. REF01中描述的发明，不关注颗粒整体下落过程中颗粒床形状的形成规律，也无液相的存在，与钠冷快堆发生堆芯严重事故条件下碎片床的形成场景存在显著差异。

2. REF02中描述的发明，虽然提供了一种钠冷快堆堆芯熔化物收集装置的机械设计，但是对于燃料粒子碎片床的堆积行为等关键物理现象并不涉及，因此其设计性能的好坏尚需进一步实验检验。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钠冷快堆碎片床形成特性的实验系统。本发明为达到上述目的，采用的技术方案是：

一种钠冷快堆碎片床形成特性实验系统，包括实验支架、颗粒容器、颗粒导管、可视化实验容器、颗粒释放控制器、所述颗粒容器置于实验支架顶端，所述颗粒释放控制器与所述颗粒容器相配设置，用于控制由颗粒容器中通过颗粒导管进入到可视化实验容器中的颗粒数量，所述颗粒容器、颗粒导管、可视化实验容器、颗粒释放控制器均设置在所述实验支架上。

优选地，所述颗粒释放控制器包括颗粒释放控制杆及滑轮支架，所述颗粒释放控制杆位于所述颗粒容器的颗粒出口处，尾端连接到滑轮支架上，所述滑轮支架设置在实验支架。

优选地，还包括可视化数据采集模块，用于采集所述实验数据。

优选地，还包括同步控制器，所述同步控制器分别连接颗粒释放控制杆和可视化数据采集模块，用于在控制颗粒释放控制杆时同步控制可视化数据采集模块进行工作。

优选地，所述实验支架为不锈钢结构，用于支撑顶部的颗粒容器和颗粒释放控制器，两侧设计有可攀爬梯结构，支架为可拆卸设计。

优选地，所述的颗粒容器，中上部为圆柱形腔体，下部为圆锥形腔体并设有接口，用于连接颗粒导管，所述颗粒容器上设置有弓形手柄。

优选地，所述可视化实验容器，由透明材料制成，容器形状为长方体、正方体和圆柱体中的一种。

优选地，所述可视化容器底部为可调升降台，用于调节容器底部与颗粒导管末端的距离，所述容器底部还设计有排泄阀，用于颗粒和容器内部液体的排放。

优选地，还包括衰变热模拟发生器，所述衰变热模拟发生器由气体释放器、气管、流量流速控制器和气瓶组成，所述气体释放器位于所述可视化实验容器的底部，通过气管和流量流速控制器相连，通过气管连接到气瓶，流量流速控制器可以安装到支架上，可以连接到计算机，也可以独立工作，用于控制注入可视化实验容器的气体流速和流量。

优选地，还包括环境参数检测模块，用于实验过程中自动记录实验过程中的时间与环境参数，并自动保存在存储器中，可以由计算机读取并进行分析。

与已有技术相比，本发明的优点在于：

1.适用研究范围更广，不仅可以用于研究二维和三维条件下碎片颗粒的沉降特性和碎片床形成机理，同时，还能够在颗粒沉降过程中充分考虑衰变热的作用，使研究结果更为全面，能更真实地再现钠冷快堆严重事故过程中碎片床的形成过程。

2.研究参数更为全面，本发明所述颗粒体系包括多种材料、密度、形状和尺寸，能够覆盖钠冷快堆堆芯解体严重事故过程中形成的颗粒碎片的绝大部分尺寸范围。

3.具有较高的自动化程度，本发明提供手动和自动颗粒释放机制，同时能够触发数据采集模块进行同步采集，还能够自动记录环境参数。

4.可扩展性强，本发明可以方便地进行二维和三维实验，而且衰变热模块可以根据需要灵活加入或者去除，安全稳定。

附图说明

图1为本发明的实验系统主体结构示意图；

图2为本发明主体与外部摄像系统协同工作的示意图；

图3为碎片床堆积底角的定义示意图；

图4为使用本发明测得的某种颗粒形成的碎片床底角与颗粒尺寸的关系特性曲线实验结果。

附图标记说明：

1-实验支架；2-颗粒容器；3-颗粒释放控制杆；

4-滑轮支架4； 5-颗粒导管；6-可视化实验容器；

7-升降台； 8-同步控制器；9-环境参数检测模块；

10-气体释放器；11-流量流速控制器； 12-气瓶；

13-高速摄像机；14-背光灯；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用于解释发明，并不用于限定发明。

本申请提供一种钠冷快堆碎片床形成特性实验系统。

一种钠冷快堆碎片床形成特性的实验系统，包括实验支架1、颗粒容器2、颗粒导管5、实验颗粒体系、可视化实验容器6、颗粒释放控制器、可视化数据采集模块、环境参数检测模块9和环衰变热模拟发生器。所述实验支架1为不锈钢结构，用于支撑顶部的颗粒容器2和颗粒释放结构，两侧设计为可攀爬梯结构，方便操作人员装载颗粒时使用，支架为可拆卸设计，可以根据需要调节高度；所述颗粒容器2，中上部为圆柱形腔体，下部为圆锥形腔体，用于放置各种尺寸、密度、形状的固体颗粒，颗粒容器2上设置有弓形手柄，用于移动或更换该容器，颗粒容器2底部设有接口，用于连接颗粒导管5；所述颗粒导管5上端设计有统一大小接口，与所述颗粒容器2相连，下端根据实验要求设计有多种长度和直径，用于控制颗粒释放的口径和高度；所述颗粒体系包括并不限于铅、不锈钢、铜、铝、银、金、铁、玻璃、氧化锆、氧化铝等等材料，尺寸小于2cm的各种圆球、柱形及不规则形状，能够覆盖钠冷快堆堆芯解体严重事故过程中形成的颗粒碎片的绝大部分尺寸；所述可视化实验容器6，由透明材料制成，透明材料包括并不限于钢化玻璃、有机玻璃等，容器形状为长方体、正方体和圆柱体，其中长方体用于二维（2D）碎片床形成实验，正方体和圆柱体用于三维（3D）碎片床形成实验。容器允许多种尺寸规格，最大长度为1米，最大宽度0.6米，最大高度1.5米。可视化容器底部为可调升降台7，用于调节容器底部与颗粒导管5末端的距离（即颗粒释放高度）。容器底部还设计有排泄阀，用于颗粒和容器内部液体的排放，通过变换可视化槽体，可以达到在二维和三维实验条件自由扩展的效果。

所述颗粒释放控制器，包括颗粒释放控制杆3、滑轮支架4、同步控制器8，实现对颗粒释放的自动和手动控制，其中优选地，所述滑轮支架4为倒L型滑轮支架（含滑轮），所述颗粒释放控制杆3位于所述颗粒容器2的颗粒出口处，前端设计为锥形，与颗粒容器2出口处的锥形契合，尾端连接到倒L型滑轮支架（含滑轮）上，通过细绳与同步控制器8相连。所述倒L型滑轮支架固定于实验支架1的顶端，可以拆卸。所述同步控制器8，提供人工操作和自动操作两种方式，人工操作由实验人员拉动细绳，自动操作由微控制器控制步进电机，拉动细绳，同一时间只能进行其中一种操作，两种操作的结果均是将所述颗粒释放控制杆3与颗粒容器2分离，从而释放颗粒容器2中的颗粒，同时，还发出触发信号，触发可视化数据采集模块进行同步数据采集。

所述可视化数据采集模块，包括LED高亮度背光照明模块和高分辨率高速摄像机；所述LED高亮度背光照明模块位于可视化实验容器6后方，主要用于提供足够的光照，具有频率可调的频闪功能，所述高分辨率高速相机安装在可视化实验容器6正前方，主要用于记录颗粒床形成过程以及与之相关的流体运动现象，通过把摄像机记录的视频、图片导入计算机，进行处理、测量，并通过图形测量程序获得与颗粒床形状的相关数据。

所述环境参数检测模块9在实验过程中自动记录实验过程中的时间、室温、湿度和容器水温等参数，并自动保存在存储器中，可以由计算机读取并进行分析。

所述环衰变热模拟发生器，由气体释放器10、气管、流量流速控制器11和气瓶12组成。所述气体释放器10位于所述可视化实验容器6的底部，通过气管和流量流速控制器11相连，连接到气瓶12，流量流速控制器11连接到计算机，用于控制注入可视化实验容器6的气体流速和流量，由此达到模拟衰变热所产生的不同流速和流量蒸汽的效果。

使用本发明所提供的钠冷快堆碎片床形成特性的实验系统，所实现的实验方法包括如下步骤：

步骤1：放置好颗粒释放控制棒，将颗粒装载在颗粒容器2中，颗粒为固态，材质不限，直径不大于20mm；

步骤2：选择颗粒导管5并安装到颗粒容器2下方，用于控制颗粒的释放高度和截面孔径；

步骤3：将可视化容器按要求注入一定的水或其他液体（根据实验需求），调节升降至实验设定高度；

步骤4：在研究衰变热效应的实验中，通过所述环衰变热模拟发生器10，向颗粒容器2底部释放预设流量和流速的气体；

步骤5：启动照明、可视化数据采集模块，手动或自动拉起颗粒释放控制棒，同时触发可视化数据采集模块进行自动数据记录；

步骤6：根据采集的数据进行分析，总结，得出相应的结论。

实验前，将颗粒释放控制杆3放在颗粒容器2的颗粒出口处，其尾端通过细绳，连接到倒L型滑轮支架上，再与同步控制器8相连；将实验需要的特定长度和直径的颗粒导管5安装到颗粒容器2底部；将可视化实验容器6放置在升降台77上面，并调节至设定高度；按实验需求，对可视化实验容器6注入一定量的水，如果需要进行衰变热模拟实验，则需要将环衰变热模拟发生器放到可视化实验容器6的底部，并通过气管连接到气体流量控制器11和气瓶12上；环境参数检测模块99能够自动实时测量并记录室温、湿度和气压等参数。将高速摄像机13放置在可视化实验容器6前面一段距离，将背光灯14放置在可视化实验容器6的后面，调节合适的亮度，调节高速摄像机13得到一个合适的观察视场；将高速摄像机13的触发线连接到同步控制器8。同步控制器8提供人工操作和自动操作两种方式，人工操作由实验人员拉动细绳，颗粒释放控制杆3与颗粒容器2分离，使颗粒下落，同时出发高速摄像机13进行拍摄；自动操作由微控制器控制步进电机，拉动细绳，颗粒释放控制杆3与颗粒容器2分离，使颗粒下落，同时触发高速摄像机13进行拍摄。可视化实验容器6设计有三维和二维以及不同尺寸腔体可以根据实验需求进行选择。在考虑衰变热的实验中，可以通过手动或者计算机调节环衰变热模拟发生器的进气量来模拟衰变热所产生的气体量。实验完成后颗粒以及冷却剂可以从可视化实验容器6下方的排水阀排出。

实施例1：测量颗粒床的底角，并分析颗粒尺寸对颗粒床底角的影响

将要进行实验的颗粒装载在颗粒容器2，此时颗粒释放控制杆3与颗粒容器2契合阻止颗粒释放；根据实验需要选择合适的颗粒导管5安装到颗粒容器2底部；根据实验参数的需要，选择并更换合适宽度和维度的可视化实验容器6，往里面加入一定深度的冷却剂（水）。将细线固定颗粒释放控制杆3顶部，穿过倒L型滑轮支架4，并连接到颗粒释放控制器8上。打开背光灯14，放置好高速摄像机13，并将摄像机触发线连接到颗粒释放控制器8上。手动或者软件设定，拉动细绳，使颗粒释放控制杆3脱离颗粒容器2，颗粒开始下降并逐渐沉积在可视化实验容器6中，摄像机同步被触发开始拍摄实验过程。更改装载在颗粒释放装置3的颗粒尺寸，重复以上操作。把摄像机的视频导入计算机并用图形分析软件进行测量处理。图4为该情况下，通过计算机图形程序处理得到的某种颗粒形成的颗粒床底角与颗粒尺寸的关系特性曲线。