模拟混合堆次临界能源包层通道加热的偏心管及实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及模拟混合堆次临界能源包层通道特殊热边界条件的实验装置，具体的是一种模拟混合堆次临界能源包层单通道冷却剂周向非均匀加热特性实验装置。属于聚变驱动裂变反应堆新型能源开发领域，具体来说属于热工水力设计验证和热工安全准则制定所必需开展的实验技术领域。
【背景技术】
[0002]新世纪我国面临严重的能源短缺和能源结构缺陷问题。传统裂变核反应堆所需的易裂变核燃料储量有限，且面临核安全、废料处理及核扩散等诸多挑战。日本福岛核事故后，裂变反应堆的发展在世界范围内受到较大冲击，裂变反应堆的安全性再次遭到质疑。目前，实现纯聚变核能商业化还存在诸多技术和经济上的困难，短期内不能为人类提供清洁、安全和持久的能源。聚变-裂变混合堆作为一种折中方案，受到了美国、日本、欧洲及我国科研工作者的关注。我国依托国际热核聚变实验堆计划项目(ITER)，提出采用聚变中子源驱动装有核裂变燃料的次临界包层，开发出集能量输出、燃料增值、核废料利用及产氚等多功能一体的新型反应堆。
[0003]ITER装置驱动的混合堆次临界能源包层概念设计中采用模块化燃料包层代替ITER原来的包层，并将其沿环向分割成32个子模块；采用嵌入子模块内部的并联多通道圆管作为主冷却剂通道，每个子模块从等离子体侧向外共设置六层冷却剂管道。现有物理设计表明，ITER装置驱动的次临界能源包层径向功率梯度大(峰值因子1.33)，相应的冷却剂管道周向热流密度呈非均匀分布。另外，次临界能源包层空间狭小、冷却剂用量有限，冷却剂通道的设计和布置不可直接采用普通压水堆热工安全准则；需开展相应的验证实验，建立新的次临界能源包层热工安全准则，逐步解决混合堆次临界能源包层的工程可行性关键冋题。
[0004]模拟混合堆次临界能源包层单通道冷却剂流动传热特性的实验装置应能实现通道周向非均匀加热，且流道为圆形截面单管。目前周向非均匀加热管内流动传热特性研宄主要采用半圆周均匀加热半圆周绝热的通道，研宄对象主要为太阳能加热管或锅炉管道(常春，张强强，李鑫，周向非均匀热流边界条件下太阳能高温吸热管内湍流传热特性研宄，中国电机工程学报，2012，32(17): 104-109;王海军，唐人虎，罗毓珊等，非均匀加热条件下超临界压力水在垂直管中的传热特性，核动力工程，2008，29(4): 57-62.)。这些装置无法模拟ITER装置驱动的次临界能源包层冷却剂单通道全周向非均匀加热特性，不能用于混合堆次临界能源包层冷却剂单通道流动传热特性实验研宄和热工安全准则的建立。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供模拟混合堆次临界能源包层冷却剂通道特殊热边界条件的实验装置，即一种模拟混合堆次临界能源包层单通道冷却剂周向非均匀加热的偏心管及实验装置。设计的实验装置可用于全周向非均匀加热条件下流动传热特性实验研宄，以检验次临界堆燃料包层热工水力设计的合理性，进而制定相应的次临界堆热工安全准则，为ITER装置驱动的次临界混合堆燃料包层冷却系统的设计提供参考。
[0006]本发明的实现方案如下:模拟混合堆次临界能源包层通道非均匀加热的偏心管，偏心管内径圆的圆心为屮偏心管外径圆的圆心为02，O1到02的距离大于零，G连接的线段为线段O1I偏心管的外径壁上焊接有多个热电偶，热电偶与偏心管的连接焊接点以线段O1 (?为对称轴进行对称分布，偏心管外壁设置有连通到偏心管内部的引压管，偏心管外壁设置有绝热保护结构。
[0007]设计的上述装置可用于全周向非均匀加热条件下流动传热特性实验研宄，以检验次临界堆能源包层热工水力设计的合理性，进而制定相应的次临界混合堆热工安全准则，为ITER装置驱动的混合堆次临界能源包层冷却系统的设计提供参考。
[0008]模拟混合堆次临界能源包层通道加热的实验装置，包括上述的模拟混合堆次临界能源包层通道周向非均匀加热的偏心管，偏心管两端分别各自连接有螺纹接头，螺纹接头远离偏心管的一端连接有螺纹法兰，偏心管外壁还焊接有加电铜排。
[0009]所述偏心管为不锈钢钢管。
[0010]偏心管连接的引压管连接有差压变送器。
[0011]螺纹法兰套装在螺纹接头的外径面上。
[0012]螺纹接头与偏心管进行氩弧焊连接。
[0013]偏心管的内径圆直径与次临界堆冷却剂通道内径保持一致。
[0014]偏心管的内径圆直径为16 mm。
[0015]基于上述结构，本发明提供一种模拟混合堆次临界能源包层单通道冷却剂周向非均匀加热特性的偏心管和实验装置，实验装置主要包括螺纹法兰、引压管、螺纹接头、加电铜排和偏心管。通过合理的模型抽象和结构设计，使得发明的装置能模拟混合堆次临界能源包层冷却剂单通道特殊的流动传热边界条件和典型的流道结构。
[0016]本发明的目标是这样实现的:通过加电铜排采用直流电加热壁厚不均匀的偏心管，获得周向非均匀加热功率；偏心管外壁做绝热结构，释热量主要经内壁通过冷却剂导出，以模拟混合堆次临界能源包层功率径向非均匀条件下冷却剂管道周向不均匀热流密度，偏心管采用高精度深孔钻加工。
[0017]按照本发明提供的偏心管横截面，主要用于模拟次临界堆冷却剂通道热流密度周向非均匀分布特性。其中，内圆直径与混合堆次临界能源包层冷却剂通道内径保持一致，夕卜圆直径么及偏心距由结构强度需求及热流密度确定。偏心管的外径壁上焊接有多个热电偶，热电偶与偏心管的连接焊接点以线段O1O2为对称轴进行对称分布，以获得周向局部壁温分布。
[0018]所述的偏心管采用高精度深孔钻加工获得，偏心管两端通过螺纹法兰和螺纹接头与回路相连。偏心管内径A=16 mm ;通过加电铜排采用直流电加热，利用偏心管周向厚度不同从而获得周向不均匀加热功率。通道外壁面做绝热处理，即在偏心管外壁设置有绝热保护结构，从而获得通道内壁面周向不均匀热流密度。沿程阻力通过引压管结合差压变送器测得，即偏心管连接的引压管连接有压差变送器，通过引压管测量流动方向的压降，本装置可用于混合堆次临界能源包层冷却剂单通道流动及传热特性实验研宄，为模块化燃料包层热工水力设计验证及热工安全准则的制定提供基准。
[0019]本发明的有益效果:利用本实验装置开展全周向非均匀加热条件下单相流动及传热特性实验，以模拟混合堆次临界能源包层冷却剂通道的热工水力特性。目前本实验装置正在开展次临界能源包层模块式燃料部件热工安全行为实验研宄，为次临界混合堆热工水力设计的可行性研宄提供实验支撑。
【附图说明】
[0020]图1为本发明偏心管的横截面不意图。
[0021]图2为偏心管构成的实验装置示意图。
[0022]图中的附图标识分别表示为:21、螺纹法兰；22、引压管；23、螺纹接头；24、加电铜排、25、偏心管。
【具体实施方式】
[0023]实施例一
如图1所示。模拟混合堆次临界能源包层通道加热的偏心管，偏心管25内径圆的圆心为屮偏心管25外径圆的圆心为02，^到02的距离大于零，Q连接的线段为线段O1O2,偏心管的外径壁上焊接有多个