一种核反应堆工程量级双层熔池传热特性试验装置的制作方法

本发明涉及核电厂严重事故下封头熔融池传热特性研究技术领域，具体涉及一种核反应堆工程量级双层熔池传热特性试验装置。

背景技术：

当核电厂压水堆发生严重事故时，产生的堆芯熔融物会迁移至压力容器下封头内形成熔融池。熔融池的流动传热特性对下封头壁面热负荷分布以及外部冷却能力有着重要的影响，是严重事故缓解策略ivr关注的重点对象。目前，国内外已经开展过一些关于熔融池传热特性的试验研究，所得出的换热关系式无法满足核反应堆工程量级下的实际需求。此外，国内外的大部分研究都是针对单层熔池构型开展的，对于两层构型熔融池的传热特性研究很少。而基于真实反应堆材料所开展的rasplav和masca试验结果表明，熔融池在稳态下会形成上部金属层下部氧化层的两层熔融池构型。

例如，文献(zhangl.t.,zhangy.p.,zhaob.,maw.m.,zhouy.k.,sug.h.,tianw.x.,qius.z.,(2016a),copra:alargescaleexperimentonnaturalconvectionheattransferincoriumpoolswithinternalheating.prog.nucl.energy86,132-140.)公开了一种熔池换热特性试验装置，试验装置主体为1/4圆切片结构。试验采用电加热棒模拟衰变热，选择非共晶硝酸盐混合物模拟熔融物，得到了单层氧化熔融池的向下传热关系式。但该试验没有拟合出下部氧化熔融池向上传热的换热关系式，也无法模拟上部金属层的导热过程。同时，它还忽略了1/4圆切片试验段所存在的壁面效应影响。

又如，中国专利申请号cn201310550382，公开了一种高瑞利数耦合传热特性测量和评估装置，包括试验本体和辅助系统，其特征在于：所述试验本体为圆筒状容器，包括上板、下板和侧壁，下板用于加热，上板和侧壁采用独立的循环冷却回路进行冷却。试验研究了单层金属层的传热特性，验证了相关传热关系在高功率核反应堆真实工况下的适用性。但该试验装置并没有获得熔融池自然对流换热关系式，更无法模拟双层熔融池的传热特性。

再如，文献(theerthansa,kolbg,sehgalbr.doublediffusiveconvectioninasemicircularslicewithinternalheatgenerationinoneorbothlayers[j].experimentalheattransfer,2001,14(4):283-297.)公开了一种熔融池传热特性试验装置，试验装置的主体为半圆切片结构，分别采用盐水和纯水、纯水和石蜡油作为试验工质模拟双层熔池结构。试验研究了两层熔池混溶性、密度差和内热源分布等因素对传热特性的影响。由于该装置尺寸较小，无法获得核反应堆工程量级下熔融池的特性参数，而且水、盐水和石蜡油也无法反映真实熔融物作为非共晶混合物的凝固特性。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种双层熔池传热特性试验装置，能够模拟核反应堆工程量级下双层熔池在多种工况下的传热特性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种核反应堆工程量级双层熔池传热特性试验装置，所述试验装置包括试验段1、盖板2、电加热元件3、隔板4和测温组件5；所述试验段1由前侧壁面101、后侧壁面102以及连接前侧壁面101和后侧壁面102的圆弧壁面103组成；设置在试验段1内并与前侧壁面101和后侧壁面102垂直的隔板4将试验段1划分为两个区域形成双层熔池，上部区域为模拟金属层区域，下部区域为模拟氧化熔融池区域，通过升降隔板4的高度能够改变双层熔池上部区域和下部区域的大小，从而研究不同双层熔池结构上部金属层厚度和高度对熔池传热特性的影响，隔板4一侧开有小孔；试验段1上方放置有盖板2，盖板2左右两端分别开设有冷却水进口和出口，通水后能为试验段1内形成的双层熔池提供近似等温的边界条件，盖板2一侧与隔板4开有小孔相对应的位置处开有试验工质注入口，试验工质通过隔板4小孔与注入管道之间的缝隙流动；多层电加热元件3沿水平方向插入试验段1的模拟氧化熔融池区域内，用于模拟堆芯熔融物产生的衰变热，每层电加热元件3由调压器单独控制加热功率；设置于试验段1内测温组件5用于测量双层熔池各区域的温度分布。

所述试验段1的直径为4000mm，内宽为300mm，相应的，所述隔板4宽为300mm，厚10mm。

所述试验段1的前侧壁面101和后侧壁面102与圆弧壁面103焊接而成，材料为304不锈钢；前侧壁面101与隔板4接触的中央位置处开有长方形石英玻璃视窗6，用于观察和拍摄试验过程中双层熔池交界面处的对流搅浑情况和硬壳凝结特性；后侧壁面102与隔板4接触位置处依次开有多个采光孔7，作为可视化拍摄的光源入口；圆弧壁面103外部焊接有冷却通道104，冷却通道104底部为进水口，顶部为出水口，通水后能够带走试验段1内双层熔池产生的热量。

所述隔板4由304不锈钢材料制成，水平放置于试验段1内壁面焊接的金属支架上；隔板4的安装位置能根据实际需求进行调整，不同工况下隔板4与试验段1中熔池底部的距离分别为1600mm、1700mm和1800mm；隔板4右侧开小孔，小孔孔径为60mm，试验工质通过小孔与注入管道之间的缝隙流动，最终在隔板4的作用下将熔融池划分为两个区域。

隔板4下方加热区域能够模拟带衰变热的氧化熔融池，隔板4上方不加热区域能够模拟无内热源的金属层。

所述测温组件5包括设置于下部区域内十五个直径为2mm的第一热电偶201，用于测量试验段1内下部区域氧化熔融池的温度分布；设置于上部区域内十二个直径为2mm的第二热电偶301，用于测量试验段1内上部区域金属层的温度分布；设置于试验段1的圆弧壁面103内外壁面处共三十个直径为1mm的第三热电偶401，用于测量圆弧壁面103的内外温差；设置于隔板4处十个直径为1mm的第四热电偶501，用于测量隔板4的上下表面温差；分别设置于冷却通道104进水口和两个出水口处的直径为2mm热电偶第五热电偶601、第六热电偶701和第七热电偶801，分别用于测量冷却通道104进出口的水温变化。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明的试验装置是基于核反应堆压力容器下封头的大尺寸切片式结构，半圆形的试验段设计消除了1/4圆形试验段中存在的垂直壁面效应，同时直径4m的试验段尺寸充分考虑了核反应堆工程量级的实际需求，能够为真实条件下的熔池传热特性提供有效数据。

2、本发明的试验装置能够模拟核反应堆严重事故下压力容器下封头内形成的典型的双层熔池结构(上部金属层+下部氧化熔融池)。与之前的分离效应试验不同，本试验能够同时对金属层和氧化熔融池的传热特性展开综合研究，获得了不同工况下氧化熔融池向上和向下的以及金属层向侧壁面的传热特性。

3、本发明的试验装置能够快速便捷地调整隔板的位置以改变双层熔池结构，研究金属层高度和厚度对双层熔池传热特性的影响，为分析金属层的热聚焦效应提供了重要依据。

4、本发明的试验装置实现了对双层熔池交界面处对流换热及硬壳凝结特性的可视化研究，能够为双层熔池传热机理和模型开发提供丰富的影像资料。

附图说明

图1为本发明一种核反应堆工程量级双层熔池传热特性试验装置的示意图。

图2为本发明试验装置中测温组件的布置图。

图3a和图3b分别为本发明试验装置中盖板的正视图和俯视图。

图4a和图4b分别为本发明试验装置中隔板的正视图和俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：

如图1所示，本发明涉及一种核反应堆工程量级双层熔池传热特性试验装置，包括试验段1、盖板2、电加热元件3、隔板4以及相应的测温组件5。试验段1是基于真实反应堆压力容器下封头的半圆形切片式结构，由前侧壁面101、后侧壁面102以及圆弧壁面103焊接而成，直径4000mm，内宽300mm。前侧壁面101上部开有长方形石英玻璃视窗6，用于观察和记录试验过程中双层熔池交界面处的对流换热和硬壳凝结特性。后侧壁面102正上方开有4个采光孔7，作为试验可视化研究的光源入口。圆弧壁面103外部焊接有冷却通道104，冷却通道104底部为进水口，顶部为出水口，通水后可用于冷却试验段1内形成的双层熔池。

如图1所示，试验段1上方放置有盖板2，能够为试验段1内形成的双层熔池提供近似等温的上部边界条件。电加热元件3由四层沿水平方向插入试验段1内的电加热棒(每层2根)组成，分别通过8个套管接口固定于圆弧壁面103。每层电加热棒都由调压器单独控制，在试验时可依据相应加热区域的体积为双层熔池提供不同的加热功率，从而实现近似均匀的内热源模拟。

如图2所示，测温组件5包括为十五个直径为2mm的第一热电偶201，十二个直径为2mm的第二热电偶301，三十个直径为1mm的第三热电偶401，十个直径为1mm的第四热电偶501，直径为2mm热电偶第五热电偶601、第六热电偶701和第七热电偶801。第一热电偶201与第二热电偶301均通过焊接在后侧壁面102外的套管插入试验段1的上部区域和下部区域内，分别用于测量下部氧化熔融池和上部金属层的温度分布。第三热电偶401通过直径1mm、深度50mm的小孔垂直插入圆弧壁面103后侧，用于测量圆弧壁面103的内外温差，为壁面热流密度计算提供数据。第四热电偶501在穿透后侧壁面103后插入隔板4内，用于测量隔板4的上下表面温差，为隔板4热流密度计算提供数据。第五热电偶601、第六热电偶701和第七热电偶801分别位于冷却通道105的进出水口，用于测量冷却水的温度变化。

如图3a和图3b所示，盖板2为方腔结构，长4010mm、宽310mm、高120mm，材料为厚度10mm的304不锈钢。盖板2左右两端分别开设有冷却水进口和出口，通水后能为试验段1提供近似等温的边界条件。盖板2右侧设计有试验工质注入口，直径50mm。

如图4a和图4b所示，隔板4为水平放置的10mm厚不锈钢板，宽度300mm，水平放置于试验段1内壁面的金属支架上。隔板4右侧开孔，孔径为60mm。试验时工质可通过小孔与注入管道之间的缝隙流动，最终在隔板4的作用下形成双层熔融池。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，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。