本发明属于核电厂保护系统设备性能验证性试验研究技术领域，具体涉及一种用于液力悬浮式非能动停堆实验装置的水力缓冲结构。
技术背景
液力悬浮式非能动停堆实验装置是采用水作为钠的替代工质对钠冷快堆液力悬浮式非能动停堆装置动态特性进行试验研究的平台。液力悬浮式非能动停堆装置是一种钠冷快堆应急停堆保护装置，其设计为在正常运行工况下控制棒受到冷却剂向上的液力维持悬浮在堆芯上部，在失流事故等工况导致冷却剂流量下降到不足以维持控制棒悬浮时，控制棒下落至堆芯位置实现停堆。从工作原理可以看出悬浮式控制棒动作是基于流量变化的，每次实验触发后控制棒模型会从稳态悬浮位置以自由落体的方式跌落，当跌落至可视化套管底部时可能具有的最高速度达4.43m/s，控制棒模型的质量约为18kg，如此高的速度和质量会对可视化套管底部的流动调整器和进口法兰结构造成冲击破坏，因此需要在可视化套管底部安装一个缓冲装置减缓控制棒模型的落棒冲击，保护控制棒模型下端塞、流动调整器和进口法兰结构不发生破坏。同时，由于需要开展多次重复性试验以测试液力悬浮式非能动停堆装置的动态响应特性以及动作的可靠性，该缓冲装置还应能够在90℃水环境下长期工作，性能不发生衰减。
控制棒事故落棒缓冲装置的基本原理是通过各种设计，将控制棒组件下落的动能转换为缓冲结构的内能、势能或应变能，降低冲击力，保护控制棒组件和包壳管结构不发生破坏。
传统的商用水堆核电站反应堆控制棒缓冲装置是在燃料组件内控制棒导向管末端设置一段缩径段或设置缓冲堵头内孔，例如中国专利CN103971760A、CN105761765A，在落棒末期通过控制棒挤压导向管内的冷却剂产生向上的流体力，对控制棒驱动线机构起到缓冲作用。该结构简单，但仅适用于棒束型控制棒组件，无法推广到液力悬浮式非能动停堆装置等其他结构性质的控制棒组件。
新一代先进核反应堆往往需要根据具体的结构设计采用不同的控制棒缓冲结构。例如，中国专利CN103413577A，提出了一种用于缓冲高温气冷堆控制棒跌落冲击的薄壁筒缓冲器，在发生轴向跌落冲击时通过承冲击环压缩薄壁筒发生塑性屈曲形变吸收冲击能量，从而保护底座下面的结构不发生破坏。该设计是一种牺牲缓冲器来保护底座结构的一次性缓冲结构，不适用于需要长期重复性动作的液力悬浮式非能动停堆装置。中国专利CN102280146A针对高温气冷堆提出的永磁阻尼部件和电磁阻尼部件混合式缓速器需要安装在控制棒驱动线的传动轴上，在发生事故时可对落棒速度进行有效的控制。但液力悬浮式非能动停堆装置的中的控制棒在反应堆运行时是脱离控制棒驱动线以非能动状态独立运行的，因此无法使用该缓速器。
又如，中国专利CN103646673A公开了一种控制棒驱动机构的落棒系统及方法，该系统通过链条、定滑轮连接装有由旋转摩擦盘和摩擦片组成的螺旋传动机构的套筒，控制棒落棒时链条带动套筒导向杆运动，导向杆被螺旋传动机构有效缓冲并充分阻尼。该系统针对熔盐堆结构设计，控制棒操作头始终与链条相连，故不适用于控制棒以独立状态运行的液力悬浮式非能动停堆装置。
再如，中国专利CN106653104A公开了一种用于液态重金属冷却反应堆的反应性控制机构，其中包含的落棒缓冲机构设计与传统的水堆核电站类似，也是通过在控制棒导向管末端设置一段缩径区域对控制棒组件提供下落导向并进行缓冲。该结构仅适用于棒束型控制棒组件，未考虑控制棒导向管内存在较大的冷却剂流量以及低工作位置的悬浮保持，因此也不适用于液力悬浮式非能动停堆装置。
为满足液力悬浮式非能动停堆实验装置落棒缓冲的需求，我们研究小组曾设计加工了一种直通式的水力缓冲器，如图1所示，包括：水力缓冲器1’、可视化套管2’、控制棒导向管3’、限位机构4’、上部联箱’及非能动停堆棒模型6’；其原理是冷却剂从水力缓冲器1’中心的通孔直接进入可视化套管2’和控制棒导向管3’向上流动提供水力推力维持非能动停堆棒模型6’悬浮在上工作位置；开展落棒试验时流量下降，非能动停堆棒模型6’受重力作用下插进入水力缓冲器1’，压缩缓冲弹簧和缓冲器内部及下方进口段的冷却剂转换冲击能量直至终止落棒。但在其实验和校核计算中，发现这种设计由于进水不均匀对控制棒的悬浮稳定性影响较大，增加了实验数据测量的不确定性，并且在落棒时会出现明显的水锤效应，不利于保护试验段和离心泵的安全。鉴于上述情况，目前需要对这种直通式水力缓冲器进行改进。
技术实现要素：
本发明的目的就是克服上述现有技术的缺点和不足，提供了一种能够在高温下长期可靠使用实现有效落棒减速缓冲、保证控制棒稳定悬浮并且能够抑制水锤效应，适用于钠冷快堆液力悬浮式非能动停堆实验装置的水力缓冲器。
本发明的目的是通过采用以下技术方案实现的：
一种用于液力悬浮式非能动停堆实验装置的水力缓冲结构，所述缓冲结构包括在可视化套管15内设置水力缓冲器和非能动停堆棒模型下端塞结构；所述水力缓冲器包括水力缓冲器圆筒7，水力缓冲器圆筒7垂直安装在可视化套管15的进口管法兰2上端面中心，水力缓冲器圆筒7下端为冷却剂进口流道1，水力缓冲器圆筒7被其内的压缩弹簧底座挡板4分隔为上下两部分，下部在环向设置有若干进水孔3，上部在环向开有若干卸压孔9，上部末端加工为渐缩形通孔8；圆柱压缩弹簧5一端固定在压缩弹簧底座挡板4上，另一端连接有缓冲垫圈6；非能动停堆棒模型下端塞结构包括阻尼块12和设置在阻尼块12下端的下端盖11，其中阻尼块12沿环向等间距均匀开有若干通流孔以保证低流量工况时停堆棒模型不会上浮，阻尼块12上方连接非能动停堆棒模型中间套管13，所述阻尼块12外径小于水力缓冲器圆筒7内径，非能动停堆棒模型中间套管13外径大于水力缓冲器圆筒7内径，水力缓冲器圆筒7长度小于阻尼块12与下端盖11长度之和；若干根正三角排列的吸收体棒模型14压紧固定在非能动停堆棒模型中间套管13内，且随着非能动停堆棒模型沿重力方向下落，阻尼块12和下端盖11能够被引导插入到对应的水力缓冲器圆筒7中。
所述进水孔3为键槽形孔，数量为M个，所述M为大于等于2的偶数，各进水孔沿水力缓冲器圆筒7下部环向间隔360°/M均匀分布，进水孔3上边缘与压缩弹簧底座挡板4下端面齐平，所述进水孔3提供的总流道截面积不小于冷却剂进口流道1截面积的三分之一。
所述卸压孔9为圆形孔，数量为12个，沿水力缓冲器圆筒7上部以一定间距分三排布置，每排4个卸压孔沿环向间隔90°均匀分布，所述各卸压孔9孔径的范围为0.5mm-2mm。
所述渐缩形通孔8位于水力缓冲器圆筒7上部末端，与轴向夹角为15°，且上边缘加工为带0.5mm圆角的减缩进口段，下边缘加工有圆角过渡。
所述圆柱压缩弹簧5外径与水力缓冲器圆筒7内径相匹配，自由高度低于渐缩形通孔8下端，圆柱压缩弹簧5两端磨平，下端焊接在压缩弹簧底座挡板4上端面，与水力缓冲器圆筒7同心，上端用防水胶粘接缓冲垫圈6，并使用钢丝缠绕加固；所述缓冲垫圈6为环形直角三角形截面，斜边与非能动停堆棒模型下端盖11相匹配，优选地，斜边内角角度为15-30°。
所述水力缓冲器圆筒7外径与可视化套管15进口法兰内径相匹配。
所述下端盖11为圆锥形结构，且可更换具有不同锥角的下端盖进行实验研究；阻尼块12为圆柱薄筒结构，壁厚为2-4mm，阻尼块12的高度为其外径的2-4倍，阻尼块12圆柱环向等间距均匀开有若干圆形通流孔，各通流孔的直径为5-10mm，通流孔为任意形状；下端盖11与阻尼块12、阻尼块12与非能动停堆棒模型中间套管13之间通过管螺纹同轴连接，从下向上外径逐渐增大，在下端盖11和非能动停堆棒模型中间套管13靠近连接处都加工有倒角过渡。
所述可视化套管15材料为有机玻璃，圆柱压缩弹簧5材料为锰钢且外表面经防锈处理，缓冲垫圈6材料为硅橡胶，吸收体棒模型14材料为尼龙，其他结构材料均为304不锈钢。
试验时冷却剂自冷却剂进口流道1经进水孔3进入可视化套管15内的可视化套管流道10，从下向上流动维持非能动停堆棒模型悬浮在工作位置；当流量下降到流体力小于重力时，非能动停堆棒模型开始下落，下端盖11最先沿渐缩形通孔8进入水力缓冲器圆筒7，挤出水力缓冲器圆筒7上部内孔中的冷却剂，实现了水力缓冲功能，随着阻尼块12进一步插入水力缓冲器圆筒7，下端盖11开始与缓冲垫圈6接触，受圆柱压缩弹簧5作用实现减速缓冲，通过缩径与压缩弹簧双重作用优化缓冲效果。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明所述水力缓冲器将缩颈过渡设计和压缩弹簧有机地结合在一起，显著减少了非能动停堆棒的落棒时间，实现了有效的落棒减速缓冲。
2.水力缓冲器圆筒采用了环向间隙进水设计使得冷却剂速度分布更加均匀，大大提高了非能动停堆棒的悬浮稳定性。
3.阻尼块通流孔的设计不仅能够防止停堆棒在低流量换料工况时意外上浮，还能有效减少落棒时间。
4.非能动停堆棒和水力缓冲器都位于可视化套管内，可对整个落棒缓冲过程进行观查和测量。
5.结构设计合理，可在高温环境下长期可靠使用(90℃)，性能不发生衰减。
总之，本发明装置可以有效的对停堆棒进行减速缓冲，保护相关部件和结构，设计合理，结构简单，坚固耐用，高效可靠，一体化设计节省空间，适合装配于液力悬浮式非能动停堆实验装置。
附件说明
图1为现有技术中液力悬浮式非能动停堆实验装置整体结构的三维剖视图。
图2为本发明所述用于液力悬浮式非能动停堆实验装置的水力缓冲结构三维剖视图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参照图2，本发明所述的一种用于液力悬浮式非能动停堆实验装置的水力缓冲器结构，包括进口管法兰2、进水孔3、压缩弹簧底座挡板4、圆柱压缩弹簧5、缓冲垫圈6、水力缓冲器圆筒7、渐缩形通孔8、卸压孔9、下端盖11、阻尼块12、非能动停堆棒模型中间套管13和可视化套管15。
图2所示的是本发明水力缓冲器及配套部件的结构示意图，水力缓冲器圆筒7垂直焊接在进口管法兰2上端面中心，有机玻璃制六边形可视化套管15与进口管法兰2通过带有定位键的法兰连接竖直安装，并用Y型圈和O型圈双重密封。水力缓冲器圆筒7内部被压缩弹簧底座挡板4分隔为上下两部分，下部在环向设置有M个键槽形进水孔3，M为大于等于2的偶数，各进水孔沿环向间隔360°/M均匀分布，进水孔上边缘与压缩弹簧底座挡板4下端面齐平，进水孔3提供的总流道截面积应不小于冷却剂进口流道1截面积的三分之一；上部在环向开有12个圆形卸压孔9，沿环向以一定间距分三排布置，每排4个卸压孔沿环向间隔90°均匀分布，各卸压孔9的推荐孔径为0.5mm-2mm；上部末端加工为渐缩形通孔8，与轴向夹角为15°，且上边缘加工为带0.5mm圆角的减缩进口段，下边缘加工有10mm圆角过渡。
锰钢制圆柱压缩弹簧5外径与水力缓冲器圆筒7内径相匹配，自由高度低于渐缩形通孔8下端，圆柱压缩弹簧5两端磨平，下端焊接在压缩弹簧底座挡板4上端面，与水力缓冲器圆筒7同心，上端用防水胶粘接缓冲垫圈6，并使用钢丝缠绕加固。硅橡胶缓冲垫圈6为环形直角三角形截面，斜边与非能动停堆棒模型下端盖11相匹配，推荐斜边内角角度为15-30°。
非能动停堆棒模型主体结构由304不锈钢冷拉管加工而成，其中下端塞结构包括了下端盖11和阻尼块12，其中下端盖11加工为圆锥形结构以增加悬浮稳定性和落棒速度，且可更换具有不同锥角的下端盖进行实验研究；阻尼块12为圆柱薄筒结构，壁厚为2-4mm，阻尼块12的高度为其外径的2-4倍，阻尼块12圆柱环向等间距均匀开有若干圆形通流孔，以保证低流量工况时停堆棒模型不会上浮，各通流孔的预设直径为5-10mm，通流孔也可为其他任意形状不以圆形为限。阻尼块12上方连接非能动停堆棒模型中间套管13，若干根正三角排列的尼龙吸收体棒模型14压紧固定在非能动停堆棒模型中间套管内，且随着非能动停堆棒模型沿重力方向下落，阻尼块12和下端盖11能够被引导插入到对应的水力缓冲器圆筒7中。下端盖11与阻尼块12、阻尼块12与非能动停堆棒模型中间套管13之间通过管螺纹同轴连接，从下向上外径逐渐增大，在下端盖11和非能动停堆棒模型中间套管13靠近连接处都加工有合适的倒角过渡；阻尼块12外径小于水力缓冲器圆筒7内径，中间套管13外径大于水力缓冲器圆筒7内径。
水力缓冲器圆筒7外径与可视化套管15进口法兰内径相匹配，水力缓冲器圆筒7长度小于非能动停堆棒模型阻尼块12与下端盖11长度之和。
在实际应用中，所述水力缓冲器是装配在一起的整体结构，位于可视化套管15内，冷却剂自进口流道1经进水孔3均匀地流入可视化套管流道10，由下往上流动维持非能动停堆棒模型悬浮在工作位置；当流量下降到流体力小于重力时，非能动停堆棒模型开始下落，下端盖11最先沿渐缩形通孔8进入水力缓冲器圆筒7，挤出水力缓冲器圆筒7上部内孔中的冷却剂，实现了水力缓冲功能，随着阻尼块12进一步插入水力缓冲器圆筒7，下端盖11开始与缓冲垫圈6接触，圆柱压缩弹簧5提供弹性阻尼减速缓冲，通过缩径与压缩弹簧双重作用优化缓冲效果。
经过在某液力悬浮式非能动停堆实验回路中使用并在实验时对落棒终止时刻速度、受力情况进行测量分析，证明该水力缓冲器设计能够满足相关实验要求，保护非能动停堆棒模型和套管结构不发生破坏。在多次实验后观察水力缓冲器和非能动停堆棒下端盖，未发现明显损坏或磨损。而且由于其设计简单、紧凑，极大地节约了试验成本，减少了试验段所需高度。因此，本发明非常适合液力悬浮式非能动停堆实验装置装配使用。
以上内容仅用来说明本发明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，只要对本发明进行各种改动和变型不脱离本发明的实质精神和范围，都应当视为在本发明的权利要求书及其等同技术的范围之内。