带有运动控制的压力容器下封头热流密度淬火测试系统的制作方法

本发明涉及核反应堆严重事故技术领域，具体的说，是一种带有运动控制的压力容器下封头热流密度淬火测试系统。

背景技术：

核能作为一种绿色、高效的能源，得到了各能源消耗大国的青睐，但三起核泄漏事故依旧让大多数人谈核色变。针对严重事故，世界上已提出了许多应对策略，其中，保持压力容器完整性，将堆芯熔融物滞留在压力容器内(In-Vessel Retention,IVR)是目前严重事故缓解措施研究的重点之一。IVR策略已成功用于许多在运核电站以及在建核电站。

一种实现IVR措施的重要方案是压力容器外部冷却，具体方法为：严重事故发生条件下，将水注入反应堆腔，水进入压力容器与保温层间的冷却流道，对压力容器冷却，带出堆芯衰变热，防止压力容器熔穿。保证IVR成功实施的关键是压力容器壁面各处实际热流密度必须小于该处临界热流密度(CHF)。

为了了解下封头外壁面传热特性及获得下封头外壁面临界热流密度分布情况，迫切需要一种便捷有效的压力容器下封头热流密度测试装置与方法。公开号为CN103354102的专利公开了一种严重事故下核反应堆压力容器下封头热流密度的模拟测试装置，解决压力容器球形下封头热流密度分布问题。但该装置在实验中一次只能获得单个角度处的临界热流密度值，且为了获得不同角度处临界热流密度值，需要使用不同的加热功率。

另外在一般的淬火装置中，浸没过程一般为手动控制，浸没速度无法控制，导致需要淬火部件，尤其是高度较高的测试部件，不同位置浸没的先后发生时间没法控制，影响测试结果的可重复性，给实验造成误差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带有运动控制的压力容器下封头热流密度淬火测试系统，该系统带有运动控制部件，可以保证淬火过程的可重复性。可经一次性实验得到下封头不同角度壁面处的临界热流密度值，且克服了大尺寸试样加热功率不足问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种带有运动控制的压力容器下封头热流密度淬火测试系统，其包括：密封水槽，液位计，支架，滑杆，步进电机，测试封头，水温控制系统，冷凝和压力调节系统，数据采集系统和可视化观测系统；其特征在于：测试封头与滑杆通过法兰和螺纹连接，滑杆与支架通过滑动轨道滑动连接，步进电机与支架通过螺栓连接，步进电机与滑杆通过齿轮和齿条的啮合进行连接，支架通过螺栓固定于密封水槽上方，液位计与密封水槽通过管路连接；水温控制系统由热电偶，温控器，自耦变压器和电加热棒组成，热电偶与温控器电连接，温控器与自耦变压器电连接，自耦变压器与电加热棒电连接；冷凝和压力调节系统由压力测试表，冷凝器和排气阀组成，压力测试表与密封水槽连通，冷凝器与密封水槽通过数根管路连接，排气阀置于冷凝器上方；数据采集系统由测试封头中的热电偶，数据采集器和PC机组成，热电偶与数据采集器电连接，数据采集器与PC机电连接；可视化观测系统由高速摄像机和照亮光源LED灯组成，置于密封水槽透视窗口处。

密封水槽用于盛装对测试封头进行相变冷却的冷却水，较好地，密封水槽形状为圆筒形，减少密封水槽中冷却水的流动死角。

密封水槽筒体上正对两侧面开有透视窗口，用于测试封头的可视化观测，较好地，透视窗口材料采用透光性较好的石英/有机玻璃。

密封水槽筒体上部装有进水阀，底部装有放水阀，在无需拆除密封水槽盖的情况下可实现冷却水的快速盛装与排放。

液位计用于监测密封水槽中的水位，安装在密封水槽筒体侧壁。

滑杆的内部端伸入密封水槽中，与测试封头通过法兰和螺纹连接，可实现快拆；外部端端部焊接一把手，作为下落限位装置。

较好地，滑竿采用中空管，减小质量和导热率，便于测试封头内热电元件导线的布置。

步进电机用于驱动滑杆，滑杆外壁带有齿条，步进电机驱动与齿条啮合的齿轮，可精确控制滑杆移动速度及测试封头在密封水槽中的高度。

支架固定于密封水槽上方，用于固定步进电机，并保证测试封头垂直入水。

水温控制系统用于维持密封水槽中水温，该系统包括：两置于密封水槽中的浸没式电加热棒，置于冷却水中的若干热电偶，温控器和自耦变压器；其特征在于：热电偶与温控器电连接，温控器与自耦变压器电连接，自耦变压器与电加热棒电连接。在人为设定好要求温度后，水温控制系统可自动调节维持冷却水温度。

冷凝和压力调节系统用于维持密封水槽中水位和气压，该系统包括：冷凝器，压力测试表，排气阀。

压力测试表连通于密封水槽顶端，用于监测密封水槽中的压力；冷凝器置于密封水槽上方，通过数根管路与密封水槽连通，用于冷凝产生的蒸汽，维持密封水槽中液位；排气阀置于冷凝器顶端，与大气相通，用于排出不凝性气体，且维持密封水槽中气压。

数据采集系统用于采集测试封头壁面温度变化信号，包括：若干与测试封头连接的热电偶，数据采集器和PC机；其特征在于：热电偶与数据采集器电连接，数据采集器与PC机电连接。通过数据采集系统可得到淬火实验中测试封头不同倾角壁面处的温度变化曲线。

可视化观测系统置于密封水槽外，用于对测试封头进行观测，该系统包括：一高速摄像机和一放大镜头，用于从密封水槽侧面的透视窗口对生成气泡进行观测；所述观测系统还包括一观测时照亮用的光源，比如可采用平行光束冷光LED灯。

测试封头内部分布若干热电偶，沿不同倾角依次排布，用于采集淬火过程中壁面温度变化信号。

采用电连接一直流稳压电源的电热丝对测试封头进行加热，这只是作为一种优选的实施方式，对封头的加热也可以不用电加热法，而采用其他加热方法对封头进行加热。

所述电热丝缠绕分布于测试封头内壁面，能够提供稳定均匀的热流密度。

测试封头只有外壁面与密封水槽中冷却水接触换热，内部进行密封处理。

本发明中所用的冷却剂除所述的冷却水外，还可以是FC-72等氟化液，R113等制冷剂。

整个系统的工作原理是：通过水温控系统将冷却水加热到实验要求温度，并始终保持该温度；通过电加热元件对测试封头加热到实验要求温度，停止加热；通过滑杆以恒定速度将测试封头沉入冷却水，开始淬火实验；淬火实验进行中，冷凝和压力调节系统对产生的蒸汽进行冷凝，保持密封水槽中液位高度，同时，保证实验在标准大气压下进行；数据采集系统对测试封头壁面温度变化信号进行采集，得到若干壁面“温度—时间”变化曲线；同时，通过可视化观测系统对封头壁面气泡动力行为进行观察和记录；基于能量守恒方程，对“温度—时间”曲线进行数学推导，得到测试封头壁面临界热流密度分布情况。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

1、本发明的测试系统和方法，首要解决的是提供一种用于模拟测试严重事故下核反应堆压力容器下封头壁面沸腾传热系数、临界热流密度分布的测试系统。其次，通过高速摄像机和放大镜头，对封头壁面气泡行为进行可视化观测，获得气泡动力学参数。

2、本发明所具有的运动控制系统可以保证淬火浸没过程以恒定速度进行，保证测试结果可重复性，降低实验误差。

3、本发明的测试系统和方法基于瞬态淬火实验，和稳态沸腾实验相比(对于稳态实验，采用电加热法一般难以产生足够大的壁面过热度，较难得到壁面临界热流密度，尤其是封头垂直壁面区)，在沸腾传热各个阶段停留的时间短暂，对加热元件要求较低；本发明所采用的淬火实验法不受试样尺寸约束，有足够高的壁面温度，封头试样为大尺寸试样，可以得到完整的池沸腾曲线。

4、受封头形状的影响，不同倾角壁面处对应的临界热流密度高低不一。现有的基于稳态实验的测试装置，对不同倾角壁面临界热流密度进行测量需采用不同加热功率，通常一次实验只能获得单个角度处的临界热流密度值，为获得不同角度处临界热流密度值需进行多次实验，过程繁琐。本发明的测试方法只需进行一次淬火实验，就可以获得不同角度壁面处的“温度—时间”变化曲线，通过简单的数学推导，一次性得到封头壁面临界热流密度的分布情况。

5、本发明的实验测试系统同样可适用于稳态实验测试方法。

附图说明

图1本发明装置的所有结构部件的正面视图；

图2带有测量、控制系统部件的装置左侧视图；

图3装置俯视图；

图4测试封头部位局部连接关系说明图；

附图中的标记为：

1测试封头，101壁温热电偶，102电热丝，2滑杆，3支架，4步进电机，401齿轮，402齿条，5密封水槽，6液位计，7压力测试表，8冷凝器，9排气阀，10进水阀，11排水阀，12热电偶，13温控器，14自耦变压器，15电加热棒，16数据采集器，17PC机，18高速摄像机，19照亮光源LED灯，20电源

具体实施方式

以下提供本发明一种带有运动控制的压力容器下封头热流密度淬火测试系统的具体实施方式。

实施例1

如附图所示，基于淬火实验的压力容器下封头热流密度模拟测试系统，其包括：密封水槽，液位计，支架，滑杆，步进电机，测试封头，水温控制系统，冷凝和压力调节系统，数据采集系统和可视化观测系统；其特征在于：测试封头1与滑杆2通过法兰和螺纹连接，滑杆2与支架3通过滑动轨道滑动连接，步进电机4与支架3通过螺栓连接，步进电机4与滑杆2通过齿轮和齿条的啮合进行连接，支架3通过螺栓固定于密封水槽5上方，液位计6与密封水槽5通过管路连接；水温控制系统由热电偶12，温控器13，自耦变压器14和电加热棒15组成，热电偶12与温控器13电连接，温控器13与自耦变压器14电连接，自耦变压器14与电加热棒15电连接；冷凝和压力调节系统由压力测试表7，冷凝器8和排气阀9组成，压力测试表7与密封水槽5连通，冷凝器8与密封水槽5通过数根管路连接，排气阀9置于冷凝器8上方；数据采集系统由测试封头1中的热电偶101，数据采集器16和PC机17组成，热电偶101与数据采集器16电连接，数据采集器与PC机17电连接；可视化观测系统由高速摄像机18和照亮光源LED灯19组成，分别置于密封水槽5透视窗口501和502处。

按照附图将组件连接好，形成整体系统，依据以下步骤进行测试封头壁面临界热流密度的测试：

(1)关闭密封水槽5底部的排水阀11，打开进水阀10，向密封水槽5中注入冷却水，通过液位计6监测水位，达到要求水位后，关闭进水阀10；

(2)启动电加热棒15，打开排气阀9，将冷却水加热至沸腾，保持约30分钟，排除水中不凝性气体；

(3)通过温控器13设定好实验要求水温，并由温控系统维持该温度；

(4)通过测试封头1内部的电热丝102连接电源20对封头进行加热，并通过数据采集系统监测封头壁面受热是否均匀，将壁温升至270℃左右，停止加热；

(5)紧接着，启动步进电机4，步进电机4带动齿轮401转动，驱动齿条403和滑杆2向下滑动，测试封头1以一定的速度沉入冷却水中，开始淬火实验；

(6)在淬火实验过程中，产生大量的蒸汽，通过冷凝器8将蒸汽冷凝并回流至密封水槽5中，保持液位，并通过压力测试表7监视气压，当压力高于实验要求时，通过排气阀9进行泄压；

(7)实验过程中，通过高速摄像机18对测试封头1壁面气泡行为进行采集记录，用于气泡动力学研究；

(8)实验过程中，排布于测试封头1内部的壁温热电偶101对壁面温度变化信号进行采集，信号经数据采集器16采集转换，由PC机17得到测试壁面“温度—时间”曲线。

(9)基于能量守恒方程，经简单数学推导，将“温度—时间”曲线转化为热流密度—时间曲线，得到测试封头1壁面临界热流密度分布。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。