基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置的制作方法

本发明涉及高温高压热工水力试验模拟装置领域，具体涉及基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置。

背景技术：

世界上在运行的绝大多数核电站都是采用棒束燃料组件堆芯。棒状的燃料芯块采用锆合金包壳进行包裹，并将堆芯运行过程中所产生的放射性物质隔离在包壳内部。同时，燃料芯块裂变所产生的热量，也通过包壳传递至包壳外侧的冷却介质。堆芯燃料包壳的完整性是核反应堆设计中对放射性物质进行多层屏蔽的最重要一层。在反应堆运行工况下，当燃料芯块裂变产生热量的热流密度高于包壳传热所允许的临界热流密度限值时，将在包壳表面触发沸腾危机。包壳表面的传热性能急剧恶化，包壳壁温急剧飞升进而导致包壳熔毁，带来放射性物质外泄风险。堆芯燃料组件临界热流密度是核反应堆设计及安全分析最为重要的热工水力限值参数。针对核反应堆中将要采用的每一种燃料组件结构，均需通过开展大量沸腾临界试验，获得对应的临界热流密度值。在这些沸腾临界试验中，基于焦耳释热原理采用通电释热的方式来模拟堆芯燃料组件包壳表面极高的热流密度，燃料组件模拟体的结构决定了模拟体热流密度分布特性及在高温高压沸腾临界试验中的强度表现。目前的模拟体存在试验中的寿命短、耐受沸腾临界试验中的高温高压工况性能差的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，解决目前的模拟体存在试验中的寿命短、耐受沸腾临界试验中的高温高压工况性能差的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，发热棒束模拟体按照堆芯棒束排列方式置于陶瓷流道腔室内，发热棒束模拟体沿轴向依次布置燃料组件定位格架模拟体用以固定棒束排列方式，共同组成堆芯棒束燃料组件的流道模拟结构；陶瓷流道腔室外侧为承压套筒，承压套筒两端筒壁上分别布置有流体进口接管和出口接管；发热棒束模拟体的两端分别穿过固定在承压套筒两端的棒束密封端盖后与外界电源电极连接。陶瓷流道腔室外侧为承压套筒，承压套筒两端筒壁上分别布置有流体进口接管和出口接管，发热棒束模拟体的两端分别穿过固定在承压套筒两端的棒束密封端盖后于外部电源电极连接，其整体结构具有极强的耐压耐高温能力，大大提升了整体的使用寿命。

所述的棒束密封端盖包括中间法兰、上法兰、以及下法兰，并采用扩散焊形成带有密封槽及冷却通道一体化端盖；上法兰和下法兰对称布置在中间法兰两侧；中间法兰、上法兰和下法兰上设置有棒束通道，其尺寸及布置方式与发热棒束模拟体相匹配；中间法兰的棒束通道侧壁上设置有用于安装绝缘密封垫片的环形凹槽；在上法兰和下法兰与中间法兰焊接面上设置冷却液沟槽；采用扩散焊接方式将中间法兰与上法兰和下法兰的两个接触面完全焊接。具体的讲，申请人在实际使用过程中发现，整个试验装置在实验过程中，最先损坏的一般都是发热棒束模拟体的端部密封结构，通过对上万次的试验总结和理论分析发现：当实验过程中，高温高压的环境差异最先作用在密封环上，为了提高密封环的耐高温、耐压能力，通过将棒束密封端盖设置成上法兰、中法兰、下法兰的三层叠加结构，在中法兰上发热棒束模拟体穿过的棒束通道侧壁设置环形凹槽，将绝缘密封垫片放置在该凹槽内，在使用过程中，由于环形凹槽对于绝缘密封垫片的位置限定作用，可以有效地保护绝缘密封垫片，可以降低其在发热棒束模拟体轴向上的损坏。同时，上法兰和下法兰与中间法兰焊接面上设置冷却液沟槽，可以利用冷却液来对密封部位进行冷却降温，从而提高其耐高温的能力，通过耐高温能力的提升以及耐磨损能力的提升，大大提高了整个试验装置的使用寿命。将棒束密封端盖端盖面上开有对应棒束位置的通道及环形凹槽，保证通电高温下棒束向两端的自由膨胀。基于扩散焊接技术，通过在上法兰和下法兰与中间法兰的焊接面上设置冷却液沟槽，控制高温下密封槽周围的局部温度，确保绝缘密封环始终工作在其允许温度范围，同时可防止模拟体紧急降温过程中带来的密封环失效。

所述的冷却液沟槽围绕上法兰和下法兰的棒束通道，与中间法兰的环形凹槽在沿棒束轴线的方向上基本相重叠；冷却液沟槽与棒束通道之间留有基于承压套筒内压力计算确定的间隔距离，在扩散焊接完成后形成棒束密封端盖上的冷却通道。冷却液沟槽按照顺时针方向和逆时针方向交替绕制的方式依次绕过棒束通道，从而保证了其换热的效率，避免局部换热不均匀的问题。

所述陶瓷流道腔室是基于发热棒束模拟体的长度由多段陶瓷沿轴向拼接而成，每段陶瓷筒在周向由四个陶瓷块拼接而成，陶瓷筒横截面的内部为模拟燃料组件流道一致的矩形、外部为与承压套筒内径相匹配的圆形。

所述周向拼接的四块陶瓷块，其拼接面与内侧壁面的交点均位于各矩形通道边的中点，且拼接面与陶瓷流道腔室内壁面之间构成倾斜的夹角。具体的讲，承压套筒内侧采用四块陶瓷拼接成外圆内方的结构，将流道内压力直接传导至承压套筒内壁，陶瓷块与承压套筒之间无旁通流道，四块陶瓷块间的拼接方式为斜角，接触面积大，不易发生振动位移。高压下承压套筒向外膨胀后，陶瓷间为斜向的轻微错位，不会在流道壁面产生直通壁面的垂直裂隙，影响中心流道近壁面的流场。

所述发热棒束模拟体包括中部的释热区和两端的导电区；发热棒束模拟体释热区采用高阻抗高强度金属材料，发热棒束模拟体导电区采用低阻抗金属材料；导电区和发散区采用扩散焊形成结构一体、发热分区的发热棒束模拟体。

在所述陶瓷流道腔室与棒束密封端盖之间，在承压套筒管壁的进口接管和出口接管对应区域还设置有流量分配器；流量分配器的中间筒体上布置有分流孔；流量分配器中间筒体的内径大于模拟流道，外径小于承压套筒内径与承压套筒之间形成环形流道腔室；流量分配器的两端是限位环，限位环外径与承压套筒内径匹配。在承压套筒管壁的进口接管和出口接管对应区域还设置有流量分配器，流量分配器的中间筒体上布置有分配孔，其内径大于模拟流道，外径小于承压套筒内径，与承压套筒之间形成环形流道腔室，流量分配器的两端是限位环，限位环外径与承压套筒内径匹配。流量分配器减小了进出口处侧向进出的流体对发热棒束模拟体的冲击作用。

在所述的承压套筒棒束通道的环形凹槽内设置有高温绝缘密封圈，将发热棒束模拟体伸出的导电区与棒束密封端盖之间进行绝缘密封；棒束密封端盖与承压套筒端面之间设置高温高压密封垫片。发热棒束模拟体的两端为试验段导电区，中间为试验段释热区，导电区采用导电性能优异的低阻抗金属管，材料可选用黄铜或者镍，中间释热区采用高温下结构强度优异的高阻抗金属管，材料可选用不锈钢或铟科镍625，两端导电区的金属管和加热区的金属管采用扩散焊的方式连接到一起，此焊接方式可以使异种材料之间的接触电阻降至较低水平，同时两种材料在高温下的连接强度优于传统的银钎焊接方式。由于释热区和导电区金属材料的电阻能够相差2到3个量级，基于通电导热焦耳释热原理，加载到发热棒束模拟体上的电流绝大部分在释热区转化为金属导体释热，发热棒束模拟体的外径与模拟棒束对象的外径一致。释热区的金属管壁厚在满足结构强度的前提下，可以通过改变棒束轴向内径，调节发热管沿程壁厚，实现释热区沿程释热功率分布的模拟。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，将棒束密封端盖设置成上法兰、中法兰、下法兰的三层叠加结构，在中法兰上发热棒束模拟体穿过的棒束通道侧壁设置环形凹槽，将绝缘密封垫片放置在该凹槽内，在使用过程中，由于环形凹槽对于绝缘密封垫片的位置限定作用，可以有效地保护绝缘密封垫片，降低其在发热棒束模拟体轴向上的损坏，同时，通过在对称设置的上法兰和下法兰与中间法兰的焊接面上设置冷却液沟槽，可以利用冷却液来对密封部位进行冷却降温，从而提高其耐高温的能力，通过耐高温能力的提升以及耐磨损能力的提升，大大提高了整个试验装置的使用寿命。将棒束密封端盖面上开有对应棒束位置的棒束通道及环形凹槽，保证通电高温下棒束向两端的自由膨胀，基于扩散焊接技术在密封槽上下两侧各焊接形成与密封槽相对应的冷却剂通道，控制高温下密封槽周围的局部温度，确保绝缘密封环始终工作在其允许温度范围，同时可防止模拟体紧急降温过程中带来的密封环失效；

2、本发明基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，在流道腔室与棒束端盖之间，在承压套筒壁面的进口接管和出口接管对应区域设置有流量分配器，其中间筒体上布置有分配孔，中间筒体的内径大于模拟流道，外径小于承压筒体内径，与承压套筒之间形成流道腔室。流量分配器减小了进出口处侧向进出的流体对发热棒束模拟体的冲击作用；

3、本发明基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，发热棒束模拟体的两端为试验段导电区，中间为试验段释热区，导电区采用导电性能优异的低阻抗金属管，材料可选用黄铜或者镍，中间释热区采用高温下结构强度优异的高阻抗金属管，材料可选用不锈钢或铟科镍625，两端导电区的金属管和加热区的金属管采用扩散焊的方式连接到一起，此焊接方式可以使异种材料之间的接触电阻降至较低水平，同时两种材料在高温下的连接强度优于传统的银钎焊接方式。由于释热区和导电区金属材料的电阻能够相差2到3个量级，基于通电导热焦耳释热原理，加载到发热棒束模拟体上的电流绝大部分在释热区转化为金属导体释热，发热棒束模拟体的外径与模拟棒束对象的外径一致。释热区的金属管壁厚在满足结构强度的前提下，可以通过改变棒束轴向内径，调节发热管沿程壁厚，实现释热区沿程释热功率分布的模拟；

4、本发明基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，扩散焊连接的方法使得发热棒束模拟体的壁面温度可以超过银钎焊的熔点，棒束密封端盖内的冷却流道将高温密封圈的温度维持在设计标准之下，使得棒束燃料组件模拟体的使用工况可达到核反应堆的实际温度及压力水平，可用于精确模拟核反应堆全寿期内任一轴向功率分布下的棒束通道内的高温高压流动传热状态。

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为本发明半剖结构示意图；

图2为本发明图1中b-b向剖视图；

图3为本发明中棒束密封端盖的拆解示意图；

图4为本发明图3中a-a向剖视图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-发热棒束模拟体，2-燃料组件定位格架模拟体，3-陶瓷流道腔室，4-承压套筒，5-流量分配器，6-棒束密封端盖，7-绝缘密封垫片，8-高温密封圈，9-螺栓，10-螺母，11-进口接管，12-出口接管，601-中间法兰，602-上法兰，603-下法兰，604-通道，605-环形凹槽，606-冷却液沟槽。

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

如图1至4所示，本发明基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，包括承压套筒4，承压套筒4为承压厚壁圆筒，其壁厚通过高压下的材料强度及变形计算进行确定，靠近两端头部位开有进口接管11和出口接管12。在承压套筒4内设置有陶瓷流道腔室3，陶瓷流道腔室3的外径与承压套筒4内径一致，内部为棒束燃料组件的流道，用于将发热棒束模拟1与承压套筒4绝缘。同时将流道内部压力传递到承压套筒4，沿流道轴向，陶瓷流道腔室3基于发热棒束模拟体1的长度由多段陶瓷筒沿轴向拼接而成，每段陶瓷筒在轴向由四块陶瓷拼接而成，拼接面与内侧壁面的交点均位于各矩形流道边的中点，且拼接面与陶瓷流道腔室3内壁面之间构成倾斜的夹角。燃料组件定位格架模拟体2选用模拟棒束燃料组件的定位格架形式，用于发热棒束模拟体1在陶瓷流道腔室3内的定位。在陶瓷流道腔室3的上下方，承压套筒4壁面进口接管11和出口接管12对应区域设置有流量分配器5。流量分配器5的中间筒体上布置有分流孔，中间筒体内径大于模拟流道，外径小于承压套筒4内径，与承压套筒之间形成环形流道腔室。流量分配器5的两端是限位环，限位环外径与承压套筒4内径匹配，流体流经流量分配器5后可以减少对发热棒束模拟1的横向作用力。在承压套筒4的两个端部均设置有棒束密封端盖6，发热棒束模拟体1置于陶瓷流道腔室3内，其两端穿过并固定在棒束密封端盖6上，棒束密封端盖6由上法兰602、中间法兰601和下法兰603通过扩散焊的方式连接到一起。上法兰602和下法兰603对称布置在中间法兰601两侧，中间法兰601、上法兰602和下法兰603上设置有棒束通道604，其尺寸及布置方式与发热棒束模拟1相匹配。中间法兰601的棒束通道604侧壁上设置有用于安装绝缘密封垫片7的环形凹槽605，其尺寸基于绝缘密封垫片7的密封标准进行设计。在上法兰602和下法兰604与中间法兰601的焊接面上设置冷却液沟槽606，冷却液沟槽606按照顺时针方向和逆时针方向交替绕制的方式围绕上法兰602和下法兰603的棒束通道604，与中间法兰601的环形凹槽605在沿棒束轴线的方向上基本相重叠，冷却液沟槽606与棒束通道604之间留有基于承压套筒4内压力计算确定的间隔距离，在扩散焊接完成后形成棒束密封端盖6上的冷却通道，通过端盖冷却水进出口管道，在高温试验工况下将绝缘密封垫片7的温度维持在设计标准之下。在棒束密封端盖6与承压套筒4之间还设置有高温密封圈8，发热棒束模拟体1的两端为试验段导电区，中间为试验段释热区，导电区采用导电性能优异的低阻抗金属管，材料可选用黄铜或者镍，中间释热区采用高温下结构强度优异的高阻抗金属管，材料可选用不锈钢或铟科镍625，两端导电区的金属管和加热区的金属管采用扩散焊的方式连接到一起，此焊接方式可以使异种材料之间的接触电阻降至较低水平，同时两种材料在高温下的连接强度优于传统的银钎焊接方式。由于释热区和导电区金属材料的电阻能够相差2到3个量级，基于通电导热焦耳释热原理，加载到发热棒束模拟体上的电流绝大部分在释热区转化为金属导体释热，发热棒束模拟体的外径与模拟棒束对象的外径一致。释热区的金属管壁厚在满足结构强度的前提下，可以通过改变棒束轴向内径，调节发热管沿程壁厚，实现释热区沿程释热功率分布的模拟。

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。