一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却三维试验段的制作方法

本发明涉及核电发电实验技术领域，特别是涉及熔融物堆内滞留压力容器外部冷却三维试验段。

背景技术：

在核电发展历程中，核安全一直是人们所关心的重点问题。目前世界范围内已经有400多个在役核电站，绝大部分按照二代核电技术建造。虽然核电厂已经采取了一系列的措施来避免严重事故的发生，但是极端条件下仍可能发生超设计基准的严重事故，如三里岛事故，切尔诺贝利事故和福岛事故。一旦严重事故发生，很有可能造成蒸汽爆炸，放射性物质大量释放等严重后果。现有研究表明，核电厂一旦发生堆芯熔融的严重事故，使熔融物得到冷却保证压力容器和安全壳的完整性，就能大量减少放射性物质的释放，减轻事故影响。自此之后，国际上逐渐形成了熔融物堆内滞留(in-vesselretention,ivr)的压力容器外部冷却(externalreactorvesselcooling,ervc)严重事故缓解策略。即冷却水流过压力容器外壁与保温层之间形成的流道，将通过压力容器下封头壁面导出的熔融物的热量带出，从而防止压力容器下封头表面发生沸腾临界，保证下封头的完整性。目前，ivr-ervc已经成为以ap1000系列为代表的第三代先进核电技术中一项核心的严重事故缓解措施。同样，在其他先进核反应堆型中，evr-ervc同样具有广阔的应用前景。

kymalaiinen等针对loviisa电厂进行了研究，并首次系统提出了ivr-ervc严重事故缓解措施及外部冷却有效性的评价方法。试验采用的是一维全高度回路，对流道内流体的流动状况和chf进行了研究。得出结论，ervc能够保证ivr的实现。

最具代表性的试验为美国加利福尼亚州大学开展的ulpu系列实验。旨在测量下封头表面的临界热流密度，优化保温层结构。试验采用的是全尺寸试验回路和切片结构的试验段。ulpu试验项目共包括五个阶段的试验，其中ⅰ、ⅱ、ⅲ试验针对的是ap600堆型，ⅳ、ⅴ针对的是ap1000堆型，对保温层的结构和进出口结构等参数进行了研究试验。

另外，韩国也针对其先进堆型apr1400展开了sblb试验，采用的是缩比方法，但是是对三维台架的缩比。

美国sandia实验室开展了cybl试验采用1：1比例的压力容器对外部冷却过程沸腾传热和流动过程进行了实验研究。

可见，国外的研究大部分都是采用1:1比例的模型来模拟下封头，即使是取切片模型也是全尺寸模拟的。这样耗费的时间较多，工程量比较大。

国内方面，上海交通大学也开展了1:1的repec实验，针对的是cpr1000先进大功率堆型，采用的是二维切片结构，全尺寸模拟压力容器的二维切片结构。试验台架还有一些利用软件计算和利用倾斜的加热壁面模仿加热壁面进行实验的项目。

现有技术存在对于ivr-ervc的相关研究，大部分都是针对下封头的全尺寸模型或二维切片进行分析，由于原型尺寸较为庞大，用原型切片进行试验，存在不仅建造时间长，花费金额较大，而且实验过程中也会出现很多的问题。由于试验段所模拟的是反应堆极端状况下的状况，缺少实际数据支持，所以对于二维切片模拟结果的可靠性无从确定。

因此希望有一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却三维试验段能够解决现有技术中实验工期长、成本高、准确性的问题。

技术实现要素：

本发明公开了一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却三维试验段，其为了研究非均匀热流密度下下封头外壁面的chf的分布规律，阐明循环高度、入口过冷度等对非能动自然循环特性的影响，本发明采用缩比方法对原型尺寸进行缩比，并采用了三维切片模型，在缩短了工期和减少成本的情况下，又能保证实验的准确性。

一种熔融物堆内滞留压力容器外部冷却三维试验段，所述试验段设置在试验台架上，所述实验台架包括：水箱、换热器、涡流流量计、过渡区、加热系统、上升管、下降管段、出口阀、进口阀、加热系统、数据采集及信号控制系统和电源控制系统，试验段设置在所述加热系统上，所述试验段上端连接所述上升管段经过所处出口阀连接所述水箱，所述试验段下端连接所述过渡区通过涡流流量计连接所述水箱，所述水箱连接所述换热器，所述数据采集及信号控制系统采集出口阀处和过渡区处信号，所述电源控制系统控制所述数据采集及信号控制系统和加热系统；

所述试验段其特征在于，包括：流道和加热板，所述流道呈半球三维切片型，所述封头角度为30度，所述流道两侧均匀间隔开设有4个视窗，以观察流道内介质流动状态、气泡产生和chf发生时流道内的变化；所述试验段具有9段加热板，每段加热板均匀分布有加热棒安装孔，所述加热棒安装孔可用于安装加热棒，通过调节加热棒功率来控制热流密度分布，每段加热板上分布有多跟热电偶安装孔，所述热电偶安装孔可用于安装热电偶，以监控整个加热段的温度分布情况。

优选地，各段加热棒既可以大度加热调节，也可以同时调节，用于研究不同加热状况对于chf和温度分布的影响，以及各区域的加热状态对于外部冷却的影响。

优选地，所述每段加热板上设置有23个加热棒安装孔；每段所述加热板上分布有14根热电偶安装孔；所述加热板为纯铜材质。

优选地，每段加热板上的热电偶安装孔的设置方式为：靠近流道的壁面处设置有3根热电偶安装孔，用以检测壁面温度的分布并确定chf发生点的位置；对应的径向位置也设置有3根热电偶安装孔；在下两排加热棒中间设置有4根热电偶安装孔，监测纵向温度分布，确保加热板热流方向以纵向为主；加热板左右两侧对称位置也设置有2根热电偶安装孔，观察加热板温度横向分布是否均匀；加热板最上面设置有1根热电偶安装孔，测该区域温度，作为超温保护预警信号；两段加热板连接处设置1根热电偶安装孔，以确认热流的连续性。

优选地，所述流道底部开设2个打光孔，使用高速摄像机进行拍摄记录，经过图形处理后研究流道内介质流动状态和发生chf时的变化。

优选地，所述流道底部开设16度的孔作为冷却水进口，通过法兰与整个实验台架相连，构成完整回路。

优选地，试验过程中形成一个自然循环回路，在充满水的状态下，所述流道内的流体被加热，温度升高后密度下降，由于密度差，沿上升管段进入到上部的水箱，水箱中的低温水通过下降管段又重新补充进流道，下降管段设有涡流流量计，随时监控流量，进口阀门和出口阀门可以调节流量的大小。

本发明的熔融物堆内滞留压力容器外部冷却三维试验段针对的是先进大功率压水堆ap1000的下封头，采用功率-体积比例分析方法和h2ts方法确定实验台架的关键参数，保证缩比模型与反应堆原型的重要无量纲准则数相似。主要解决的关键问题如下：chf是决定ivr措施有效性的关键，对于下封头外壁面这种加热面朝下并且带有倾角的结构，chf的分布具有明显的局部特征。并且入口流体的过冷度、空泡份额、循环流量和循环角度等都会影响其分布特性，综合以上因素，获得chf的分布规律并建立可靠的预测模型是本发明拟解决的关键科学问题。

本发明的熔融物堆内滞留压力容器外部冷却三维试验段能够得到不同工况下的加热段的内壁温，试验段压差等一系列随时间变化参数，同时可以改变常数参数的值来研究其对实验结果的影响。试验过程中重点研究chf分布规律，自然循环特性和气液两相流的行为。本试验段的主要特点是针对特定堆型，通过一定的缩比手段对下封头进行缩比后取其三维切片进行试验，可以在节省时间和经费的条件下评估严重事故下的ervc措施的可行性。这可以为ivr-ervc系统的设计和有效性验证奠定实验基础。

附图说明

图1是本发明的熔融物堆内滞留压力容器外部冷却三维试验段连接关系示意图。

图2是本发明的熔融物堆内滞留压力容器外部冷却三维试验段的主视图。

图3是本发明的熔融物堆内滞留压力容器外部冷却三维试验段的主视图中a段的局部视图。

图4是本发明的熔融物堆内滞留压力容器外部冷却三维试验段的下视图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，采用功率-体积比例分析方法确定试验台架的尺寸，保证缩比模型与反应堆原型的重要无量纲准则数相似。对压力容器下封头，按1:2缩比，取下封头开角30°的三维切片进行分析。采用加热板内嵌的加热棒对下封头模型的外壁面进行加热。为模拟堆芯熔融物在下封头内的分层导致的热流密度分布不均，将加热面沿倾角方向划分为9个区域，每个区域加热棒的加热功率独立控制且连续可调。

加热板均匀分布有加热棒，可以调节加热棒功率来控制热流密度分布。各段加热棒既可以单独调节也可以同时调节，用以研究不同加热状况对于chf和温度分布的影响，以及各区域的加热状况对于外部冷却的影响。

每段加热板上布有14根热电偶，以监控整个试验段的温度分布状况。其中近流道壁面上有3根热电偶，用以检测壁面温度的分布并确定chf发生点的位置。对应的径向位置也布有3根热电偶，下两排加热棒中间也布有4根热电偶，监测纵向温度分布，确保加热板热流方向以纵向为主，左右两侧对称位置也放置有2根热电偶，观察加热板温度横向分布是否均匀。加热板最上面有1根热电偶，该面会布有保温层，会出现最高温度，为保证设备的完整性，用该热电偶检测该区域温度，作为超温保护预警信号，在温度超过600℃时停止加热。相邻两段加热板之间为分隔开的，仅在靠近流道的壁面保持连接状态，此面作为流道的上封面，与不锈钢做的流道构成整体，保证流道的密封性。此外还要保证各段之间热流的连续性，在两段加热板连接处放置1根热电偶，以确认热流的连续性。

流道两侧在均匀开有4个视窗，以观察流道内介质流动状态、汽泡的产生和chf发生时流道内的变化。并使用高速摄像机进行拍摄记录，经过图形处理后研究流道内介质流动状态和发生chf时的变化。由于高速摄像机拍摄需要进行打光，而且对光源要求比较高，为了方便满足拍摄打光条件以期得到较好的照明状况，拍摄出清晰的流道介质流动视频，并进行分析研究。除了流道两侧视窗外还在底部开了两个打光孔，详见附图3。

对下封头冷却水的两相沸腾传热特性进行实验研究，重点关注下封头外壁面的chf分布规律。分别调整试验段各部分加热板的热流密度，使其大致模拟严重事故下下封头的热流密度分布，测量在此热流密度下加热面壁面的温度以及流道的冷却水温度，得到传热系数的规律。整体升高加热功率，直至某一点壁面温度出现飞升，此时的热流密度即为临界热流密度。通过分析加热面上不同区域的chf值，得到下封头三维切片曲面加热条件下的chf分布规律，建立可靠的chf预测模型。

对下封头冷却水的两相流动进行观测研究，通过高速摄像的方式研究流道内汽泡的产生与流动状况，研究管道两相流空泡份额等重要参数，以及chf发生时加热壁面的汽泡状况，得到不同加热情况下管道内两相流的发生规律。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。