一种环形燃料内通道堵流实验装置及方法与流程

本发明涉及核电厂环形燃料技术领域，具体涉及一种环形燃料内通道堵流实验装置及方法。

背景技术：

为了降低燃料芯块温度过高的安全隐患，麻省理工学院最早设计了双面冷却环形燃料元件，这种燃料元件具有芯块径向导热路径短和冷却剂湿润周长大两大优势，使得燃料最高温度明显降低，并且相关文献指出采用该燃料元件，在保持甚至提高现有反应堆安全裕量的前提下，同时可以使堆芯功率密度提高至150％。在核反应堆运行过程中，可能会有电线、扁钢和金属片等碎片随着冷却剂流进堆芯入口处，导致堵流的发生。在棒状燃料组件中，不同流道之间存在搅混，因此堵流事故影响是相对可控的，但是环形燃料元件内通道是一个孤立的通道，流体不能发生横向搅混。所以，一旦内通道发生堵塞，冷却剂流量将迅速减小，可能会发生沸腾临界，燃料元件冷却急剧恶化，甚至造成大的安全事故。本发明正是基于这种需求而提供了一种环形燃料内通道堵流的实验装置，该实验装置主要目的是模拟燃料棒内通道不同位置和不同形状的堵塞物，并且对堵流下游区域的流动传热特性进行分析。

中国专利cn205824476u公开了一种气囊式管道堵塞器，包括囊体、取送仪表管、充气控制装置，囊体两端分别设置有第一端盖和第二端盖，端盖内都设有固定环，气囊固定绳索两端固定在所述固定环上，第二端盖设有通孔与取送仪表管连接。这种堵塞器的设计可以有效提高气囊周向密封力，具有良好的便利性和可靠性，但是其形状与反应堆内堵塞物形状有较大区别，难以用于环形燃料堵流实验中。

又如中国专利cn105206314a公开了一种用于研究燃料组件堵塞行为的可视化试验柱装置，其包括下腔室、堆芯试验板和上腔室。堆芯试验板上设置有用于连通上腔室和下腔室的流水孔；上腔室内布置有燃料组件棒束；下腔室内设置有是的含碎片杂质的流体在进入燃料组件下管座前能够充分混合的导流组件，确保全部碎片杂质可以达到燃料组件处而不会沉积在下腔室，有效的提升了试验结果的保守性。另外该实验装置还可在燃料组件实验件外侧全范围内可视化，便于观察碎片杂质在燃料组件上的阻塞行为。但是该发明只能用于棒状燃料组件的阻塞实验，对于环形燃料内通道的单棒实验并不适用，并且无法控制堵流物的形状和位置。

又如中国专利cn105931684a公开了一种核反应堆堆芯下管座异物过滤性能研究可视化试验装置，该试验装置主要由上下透明方形流道、上下方形法兰、上下圆形法兰、引压管、方形环肋等组成；该试验装置可用于开展堆芯下管座异物过滤性能试验，研究不同类型下管座的过滤效率、异物堵塞情况对下游流场的影响；同时还可开展下管座抗异物冲击破坏性能研究；该试验装置能够满足大流量下堆芯下管座异物过滤性能对外可视化试验研究的需要；此外，还具有试验过程可视化、安全性高、易于更换加装各类型下管座等优点。但是该装置主要用于研究下管座过滤异物性能和阻力特性研究，不能用于异物在燃料组件内的阻塞行为研究。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种环形燃料内通道堵流实验装置及方法，可用于研究堵流位置下游换热和流动影响。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种环形燃料内通道堵流实验装置，包括圆柱形套管2，设置在圆柱形套管2内的燃料元件4和堵流装置5，焊接在圆柱形套管2下端的入口接管1，焊接在圆柱形套管2上端的出口接管8，所述实验装置通过入口接管1和出口接管8与实验管道系统相连接。

所述燃料元件4包括三个环形圆柱，分别是外包壳4-1、环形加热段4-2和内包壳4-3，环形加热段4-2位于外包壳4-1和内包壳4-3间；内包壳4-3内的通道为内通道，外包壳4-1与圆柱形套管2间的通道为外通道；所述燃料元件4轴向上位于圆柱形套管2的中部，径向与圆柱形套管2同心，上端和下端分别留有入口段和出口段。

所述燃料元件4与圆柱形套管2之间通过定位格架3固定，所述定位格架3分三层，分别布置在接近燃料元件入口处、燃料元件中段和接近燃料元件出口处，每层包括三个定位件，沿周向均布；同时每个定位件中还布置有一个热电偶3-1，所述热电偶3-1从外部通过定位件插入，穿过燃料元件的内包壳4-3，用来测量工质温度；所述定位件中填充有屏蔽材料，一方面能够进行热电偶的电磁和热工屏蔽，同时也能够对热电偶进行固定。

所述堵流装置5由入口固定端5-1、堵流件5-2、固定件5-3、钢丝绳5-4和出口固定端5-5组成，所述入口固定端5-1和出口固定端5-5分别焊接在圆柱形套管2与入口接管1和出口接管7的连接处，是用两根细钢条垂直焊接而成，所述钢丝绳5-4两端分别连接在入口固定端5-1和出口固定端5-5上；所述固定件5-3和堵流件5-2成对设置并位于燃料元件4的内包壳4-3内，固定件5-3由两个钢片焊接成十字形，中心留有一个小孔，所述钢丝绳5-4从该小孔中穿过并与固定件5-3固结，固定件5-3的作用是固定堵流件5-2的轴向位置；所述堵流件5-2是一个圆形薄片，通过调整其其面积或形状用来获得不同的堵流率。

在堵流装置5的固定件5-3和堵流件5-2设置的轴向位置下部布置有一个取压装置6，用来测量流体在堵流之前的压力，上部布置有四个取压装置6，用来测量堵流位置下游的压力分布；在内包壳4-3内的内通道出口处布置有一个皮托管7，用来测量内通道在堵流之后的冷却剂流量。

所述热电偶3-1、取压装置6和皮托管7与整个实验管道系统的数据采集系统相连接，为环形燃料内通道堵流时的热工水力研究提供实验基础。

所述实验装置外表面设置有保温层。

所述的一种环形燃料内通道堵流实验装置的实验方法，所述实验装置连接在实验管道系统的管道上，冷却水经泵加压通过入口接管1进入实验装置，实验装置入口处留有一定长度的入口段，使得进入实验装置的流体相对稳定；冷却剂向上流动分别进入内外通道，在内通道布置有堵流装置5，内外通道流体在出口处汇合，通过出口接管8流回实验管道系统；内通道流体各位置温度由热电偶3-1测得，堵流位置前后压力变化由取压装置6测得，堵流后的冷却剂流量由皮托管7测得。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明实验装置，为研究环形燃料内通道堵流而发明的实验装置，能够合理的模拟环形燃料的结构，整体结构简单，易于加工，成本低廉。

2、本发明的核心部件堵流装置5的设计，采用钢丝绳5-4固定堵流件的径向位置，采用固定件5-3固定堵流件的轴向位置，可以对内通道堵流事故进行合理的模拟。

3、本发明的核心部件堵流装置5中，堵流件的形状和大小以及堵流件的位置都可以根据不同的工况进行调整，以适应不同堵流位置和不同堵流率的实验要求。

附图说明

图1为本发明实验装置整体示意图。

图2为图1沿a-a方向视图。

图3为堵流装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的说明：

如图1所示，一种环形燃料内通道堵流实验装置，包括圆柱形套管2，设置在圆柱形套管2内的燃料元件4和堵流装置5，焊接在圆柱形套管2下端的入口接管1，焊接在圆柱形套管2上端的出口接管8，所述实验装置通过入口接管1和出口接管8与实验管道系统相连接。所述燃料元件4包括三个环形圆柱，分别是外包壳4-1、环形加热段4-2和内包壳4-3，环形加热段4-2位于外包壳4-1和内包壳4-3间；内包壳4-3内的通道为内通道，外包壳4-1与圆柱形套管2间的通道为外通道；所述燃料元件4轴向上位于圆柱形套管2的中部，径向与圆柱形套管2同心，上端和下端分别留有入口段和出口段。

作为本发明的优选实施方式，所述实验装置外表面布置有保温层。

如图1和图2所示，所述燃料元件4与圆柱形套管3之间通过定位格架3固定，所述定位格架3分三层，分别布置在接近燃料元件入口处、燃料元件中段和接近燃料元件出口处，每层包括三个定位件，沿周向均布。同时每个定位件中还布置有一个热电偶3-1，所述热电偶3-1从外部通过定位件插入，穿过燃料元件的内包壳4-3，用来测量工质温度。所述定位件中填充有屏蔽材料，一方面可以进行热电偶的电磁和热工屏蔽，同时也可对热电偶进行固定。在堵流装置5设置的轴向位置下部布置有一个取压装置6，用来测量流体在堵流之前的压力，上部布置有四个取压装置6，用来测量堵流位置下游的压力分布。在内通道出口处布置有一个皮托管7，用来测量内通道在堵流之后的冷却剂流量。

如图1和图3所示，所述堵流装置5由入口固定端5-1、堵流件5-2、固定件5-3、钢丝绳5-4和出口固定端5-5组成，所述入口固定端5-1和出口固定端5-5分别焊接在圆柱形套管3与入口接管1和出口接管7的连接处，是用两根细钢条垂直焊接而成，所述钢丝绳5-4两端分别连接在入口固定端5-1和出口固定端5-5上。所述固定件5-3由两个钢片焊接成十字形，中心留有一个小孔，所述钢丝绳5-4从该小孔中穿过并与固定件5-3固结，固定件5-3的作用是固定堵流件5-2的轴向位置。所述堵流件5-2是一个圆形薄片，其面积或形状可以调整用来获得不同的堵流率。

如图1所示，一种环形燃料内通道堵流实验方法，所述实验装置连接在实验管道系统的管道上，冷却水经泵加压通过入口接管1进入实验装置，实验装置入口处留有一定长度的入口段，使得进入实验装置的流体可以相对稳定。冷却剂向上流动分别进入内外通道，在内通道布置有堵流装置5，内外通道流体在出口处汇合，通过出口接管8流回实验管道系统。内通道流体各位置温度由热电偶3-1测得，堵流位置前后压力变化由取压装置6测得，堵流后的冷却剂流量由皮托管7测得。

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，对于本技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。