一种螺旋形超长冷却回路辐照装置的制作方法

本发明涉及核工业技术领域，具体涉及一种螺旋形超长冷却回路辐照装置。

背景技术：

核工业进入蓬勃发展阶段，对于各类新型核材料的需求不断增大。在新材料投入使用之前，需要在试验堆上验证材料的物理、化学等性能，保证新材料能满足反应堆设计运行要求。样品在堆内的辐照，不能直接将样品放到堆内考验，需要将辐照材料加工成满足各项性能测试的辐照样品，并按一定的规律排列夹持，然后随辐照装置进入堆内。

目前，试验堆中的辐照装置多采用惰性气体调节温度的方式，针对不同位置的孔道，辐照装置结构存在差异，但基本原理一致。由于反应堆孔道内轴向中子注入量不同，致使孔道内轴向的温度存在较大差异。传统辐照装置温度调节系统利用导热系数差异较大的两种惰性气体交替通入，实现温度的控制。其主要问题在于调节速率低，且辐照装置轴向温差依旧较大。对实验结果影响明显。针对惰性气体调节辐照装置内温度的结构，国内外学者先后对其进行改进，包括环形夹块结构、阶梯型夹块结构、以及分段调节温度结构等。但其效果并不理想。分析其原因：一方面是夹块同辐照罐的空间要求较小，气体间隙有限，调节滞后，另一方面限于加工条件，辐照装置零件加工精度不够，空气间隙同设计值存在差异。针对现有辐照装置的不足，需要从新角度切入，改变温度调节系统的调节原理。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是由于反应堆自身的结构特点，辐照孔道轴向的中子注量存在差异，导致轴向温度不均匀，进而辐照装置内材料试样温度存在差异，目的在于提供一种螺旋形超长冷却回路辐照装置，解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种螺旋形超长冷却回路辐照装置，包括循环出水管、外层冷却管、外层辐照罐、中层辐照罐、内层辐照罐、夹块、单向阀和内层冷却管；所述内层辐照罐套装于所述中层辐照罐内，且所述中层辐照罐套装于外层辐照罐内；所述内层辐照罐和所述中层辐照罐之间形成内层环形空间，所述中层辐照罐和所述外层辐照罐之间形成外层环形空间；所述夹块上设置样品，且所述夹块设置于所述内层环形空间内；所述内层环形空间和所述外层环形空间之间封闭；所述外层冷却管和所述内层冷却管位于所述外层环形空间内，且所述外层冷却管和所述内层冷却管均缠绕于中层辐照罐外壁上，所述外层冷却管和所述内层冷却管的外径均匹配于所述外层环形空间的径向尺寸；所述外层冷却管的进水口接入外层冷却水，且所述外层冷却管的出水口在所述外层辐照罐底部连通于所述外层环形空间；所述内层冷却管的进水口接入内层冷却水，且所述内层冷却管的出水口连通于所述内层辐照罐的底部；所述内层辐照罐的顶部设置有单向阀，所述单向阀的导通方向为从所述内层辐照罐到所述内层辐照罐外部；所述内层辐照罐通过所述单向阀连通于所述外层环形空间；所述循环出水管设置于所述外层辐照罐顶部，且所述循环出水管连通于所述外层环形空间。

本发明应用时，引入整个装置的冷却水路分为两路，一路是外层水路，一路是内层水路。外层水路是通过外层冷却管进水再通过外层环形空间对夹块的外侧进行散热，而内层水路是通过内层冷却管再通过内层辐照罐对夹块的内侧进行散热；由于外层冷却管和内层冷却管均缠绕于中层辐照罐外壁上，且外层冷却管和内层冷却管的外径均匹配于外层环形空间的径向尺寸，这就使得外层冷却管和内层冷却管将外层环形空间分割成了多条回流水道，增加了散热效率。这里说的匹配是指外层冷却管和内层冷却管的外径等于或略小于外层环形空间的径向尺寸。本发明克服传统辐照装置气冷却调节范围小、缓慢及调节效果不明显的缺陷，采用螺旋管结构，形成超长程冷却回路，提高辐照装置对于轴向温度的调控能力，满足辐照装置在轴向温差小的要求。

进一步的，还包括外循环进水管、内循环进水管、水室盖板和外层上盖板；所述水室盖板设置于所述外层辐照罐顶部，所述外层上盖板设置于所述水室盖板下方，且所述外层上盖板、水室盖板和所述外层辐照罐内壁形成分割水室；所述分割水室内设置隔板，所述隔板将所述分割水室分割为内循环水室和外循环水室；所述外循环水室连通于所述外循环进水管的出水口和所述外层冷却管的进水口，所述内循环水室连通于所述内循环进水管的出水口和所述内层冷却管的进水口。

进一步的，所述外循环进水管的出水口和所述内循环进水管的出水口均设置于所述水室盖板上；所述外层冷却管的进水口和内层冷却管的进水口均设置于所述外层上盖板上。

进一步的，所述循环出水管的进水口穿过水室盖板并设置于所述外层上盖板上。

进一步的，还包括稳流隔板；所述稳流隔板设置于外层辐照罐内，且位于所述中层辐照罐下方；所述稳流隔板上开有多个通孔，且所述外层冷却管的出水口设置于所述稳流隔板上，且所述外层冷却管内的外层冷却水通过所述通孔进入所述外层环形空间。

进一步的，还包括集水盖和内层下盖板；所述集水盖和内层下盖板均设置于外层辐照罐内，且所述集水盖设置于所述内层辐照罐底部，所述内层下盖板设置于所述集水盖下方；所述集水盖、内层下盖板和所述外层辐照罐的内壁形成集水室，所述集水室连通于所述内层辐照罐；所述内层冷却管的出水口设置于所述集水盖上，且所述内层冷却管内的内层冷却水通过所述集水室进入所述内层辐照罐。

进一步的，还包括导叶；所述导叶设置于所述内层辐照罐内，且所述导叶上设置螺旋凹槽；所述内层冷却水通过所述螺旋凹槽进入所述内层辐照罐内。

进一步的，还包括进气管和保护管；所述夹块上设置用于检测样品温度的热电偶；所述进气管伸入所述内层环形空间内并向所述夹块输送惰性气体；所述保护管伸入所述内层环形空间内，且所述热电偶的外接线路设置于所述保护管内，所述保护管同时作为惰性气体出口。

进一步的，还包括定位法兰；所述定位法兰设置于外层辐照罐开口上方，且所述螺旋形超长冷却回路辐照装置通过定位法兰安装于反应堆上。

进一步的，还包括下垫块和上垫块；所述下垫块和上垫块均设置于所述内层环形空间内，且所述下垫块和上垫块夹持固定所述夹块。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种螺旋形超长冷却回路辐照装置，解决了辐照装置轴向温度不均匀问题，设置内外两条螺旋形冷却循环回路对辐照装置内的温度进行控制，保证辐照装置内各材料试样温度接近；

2、本发明一种螺旋形超长冷却回路辐照装置，在传统气体控制温度的基础上，采用循环水调节辐照装置温度，可以调节循环水的流量，进而控制温度的调节范围，调节效率高，且比仅仅利用气体调节效果更加突出；

3、本发明一种螺旋形超长冷却回路辐照装置，在辐照灌内设置内外两条螺旋形冷却管，使外层环形空间形成上下行对流形态，提高了冷却水和辐照装置冷却效率，且螺旋形冷却管将外层环形空间分割成多个流道，使冷却水流动更加均匀。

4、本发明一种螺旋形超长冷却回路辐照装置，设置两条冷却回路，包括外循环冷却回路和内循环冷却回路，夹块内外层都设置冷却回路，不仅使辐照装置的控温更加均匀，同时螺旋形流道也增长冷却回路，夹块与冷却回路的接触面积增大，提高控温效率，实现快速平衡温差，保证辐照装置在轴向温度恒定。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明b-b断面结构示意图；

图3为本发明c-c结构示意图；

图4为本发明d-d结构示意图；

图5为本发明e-e结构示意图；

图6为本发明f-f结构示意图；

图7为本发明导叶结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-定位法兰，2-循环出水管，3-外循环进水管，4-水室盖板，5-外层上盖板，6-外层冷却管，7-外层辐照罐，8-中层辐照罐，9-内层辐照罐，10-下垫块，11-内层下盖板，12-集水盖，13-外层下盖板，14-稳流隔板，15-导叶，16-夹块，17-上垫块，18-内层上盖板，19-单向阀，20-内层冷却管，21-分割水室，22-内循环进水管，23-进气管，24-保护管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明一种螺旋形超长冷却回路辐照装置，包括循环出水管2、外层冷却管6、外层辐照罐7、中层辐照罐8、内层辐照罐9、夹块16、单向阀19和内层冷却管20；所述内层辐照罐9套装于所述中层辐照罐8内，且所述中层辐照罐8套装于外层辐照罐7内；所述内层辐照罐9和所述中层辐照罐8之间形成内层环形空间，所述中层辐照罐8和所述外层辐照罐7之间形成外层环形空间；所述夹块16上设置样品，且所述夹块16设置于所述内层环形空间内；所述内层环形空间和所述外层环形空间之间封闭；所述外层冷却管6和所述内层冷却管20位于所述外层环形空间内，且所述外层冷却管6和所述内层冷却管20均缠绕于中层辐照罐8外壁上，所述外层冷却管6和所述内层冷却管20的外径均匹配于所述外层环形空间的径向尺寸；所述外层冷却管6的进水口接入外层冷却水，且所述外层冷却管6的出水口在所述外层辐照罐7底部连通于所述外层环形空间；所述内层冷却管20的进水口接入内层冷却水，且所述内层冷却管20的出水口连通于所述内层辐照罐9的底部；所述内层辐照罐9的顶部设置有单向阀19，所述单向阀19的导通方向为从所述内层辐照罐9到所述内层辐照罐9外部；所述内层辐照罐9通过所述单向阀19连通于所述外层环形空间；所述循环出水管2设置于所述外层辐照罐7顶部，且所述循环出水管2连通于所述外层环形空间。

本实施例实施时，引入整个装置的冷却水路分为两路，一路是外层水路，一路是内层水路。外层水路是通过外层冷却管6进水再通过外层环形空间对夹块16的外侧进行散热，而内层水路是通过内层冷却管20再通过内层辐照罐9对夹块16的内侧进行散热；由于外层冷却管6和内层冷却管20均缠绕于中层辐照罐7外壁上，且外层冷却管6和内层冷却管20的外径均匹配于外层环形空间的径向尺寸，这就使得外层冷却管6和内层冷却管20将外层环形空间分割成了多条回流水道，增加了散热效率。这里说的匹配是指外层冷却管6和内层冷却管20的外径等于或略小于外层环形空间的径向尺寸。本发明克服传统辐照装置气冷却调节范围小、缓慢及调节效果不明显的缺陷，采用螺旋管结构，形成超长程冷却回路，提高辐照装置对于轴向温度的调控能力，满足辐照装置在轴向温差小的要求。

为了进一步说明本实施例的工作过程，如图1～7所示，一种螺旋形超长冷却回路辐照装置，包括定位法兰1、循环出水管2、外循环进水管3、内循环进水管22、进气管23和保护管24，所述的循环出水管2、外循环进水管3、内循环进水管22、进气管23和保护管24穿过定位法兰1，安装辐照装置时，定位法兰1安装在反应堆顶的固定法兰上，定位法兰1以下的部分处于反应堆压力容器内部，本发明还包括外层辐照罐7、中层辐照罐8和内层辐照罐9，其直径依次减小，其中外层辐照罐7最长，接着是内层辐照罐9，中层辐照罐8最短，所述的外层辐照罐7和中层辐照罐8形成外层环形空间，中层辐照罐8和内层辐照罐9形成内层环形空间；外层冷却管6和内层冷却管20安装在外层环形空间，夹块16安装在内层环形空间内，夹块16为环形结构，套在内层辐照罐9外层，一般为了组装方便，夹块16切割为两半，在夹块16上环形线切割样品盒和假样盒，样品和假样都组装在夹块16中，其中在假样上焊接热电偶，一般在上中下三个位置安装热电偶，检测上中下三个位置的温度，并穿过保护管引到堆外。单向阀19安装在内层辐照罐9内侧顶部，只允许内层辐照罐9中的循环水单向通过；导叶15安装在内层辐照罐9内侧底部，导叶15上加工螺旋形凹槽，进入内层辐照罐9的循环水通过导叶15造旋，不仅加快了水流动速度，并且冷却水快速旋转沿着内层辐照罐16的内壁流动，极大地增强了冷却水流程和流速，冷却效果明显；集水盖12安装在中层辐照罐8外侧底端，内层冷却管20中的循环水进入集水盖12然后再通过导叶15进入内层辐照罐9；稳流隔板14安装在外层辐照罐7内侧底部，将来自外层冷却管6的水重新分配稳流，进入外层环形空间，分割水室21安装在外层辐照罐7外侧顶端，主要是为了分割进入内层冷却管20和外层冷却管6的冷却水。

内层冷却管20缠绕在中层辐照罐8外侧，其外径等于外层环形空间的径向距离，上端连通分割水室21，下端连通集水盖12，将外层环形空间分割成螺旋形流道；外层冷却管6缠绕在中层辐照罐8外侧，上端连通分割水室21，下端穿过稳流隔板14，将外层环形空间分割成螺旋形流道。外层冷却管6和内层冷却管20外径等于外层环形空间的径向距离，且外层冷却管6和内层冷却管20将外层环形空间分割成至少4条螺旋形流道。外层冷却管6和内层冷却管20呈螺旋形结构，其螺距为30～50mm，且两者形成的螺旋间距相等，均匀分布。外层冷却管6和内层冷却管20各自至少1根。

分割水室21中间设置隔板，水室盖板4和外层上盖板5将分割水室21分成内循环水室和外循环水室，其中内循环水室连通内层冷却管20，外循环水室连通外层冷却管6。分割水室21中间隔板上设置允许循环出水管2、进气管23和保护管24穿过的隔孔。集水盖12和内层下盖板11形成同外层环形空间隔绝的集水室，集水室同内层辐照罐9连通。

内层下盖板11和内层上盖板18焊接在中层辐照罐8两端，结合内层辐照罐9形成同外层环形空间隔离的内层环形空间；至少5个夹块依次叠加组装在内层环形空间内，下垫块10和上垫块17分别顶在内层环形空间两端。

外层下盖板13、外层辐照罐7和外层上盖板5将中层辐照罐8和内层辐照罐9包裹在内。循环出水管2穿过分割水室21同外层上盖板5焊接，并连通外层辐照罐7内部。进气管23和保护管24穿过分割水室21及外层上盖板5同内层上盖板18焊接，并连通中层辐照罐8内部。保护管24既作为惰性气体出气管，同时兼做热电偶丝保护装置。外循环进水管3连通外循环水室；内循环进水管22连通内循环水室。稳流隔板14上开有环形阵列小孔。

除了外层冷却管6和内层冷却管20外径等于外层环形空间的径向距离这一种情况外，外层冷却管6和内层冷却管20外径小于外层环形空间的径向距离，在外层冷却管6和内层冷却管20外侧对称分布侧翼，靠外的侧翼顶在外层辐照罐7内径，靠内侧翼顶在中层辐照罐8外径，将外层环形空间分割成至少4个螺旋形流道。且外层冷却管6和内层冷却管20上侧翼的轴向距离等于中层辐照罐8的长度。

为了进一步说明本实施例的工作过程，如图1～7所示，螺旋形超长冷却回路辐照装置，有两条冷却回路，即内循环冷却回路和外循环冷却回路，两条回路完成循环后汇合后一起流出。外层冷却管6和内层冷却管20呈螺旋形分布，且管间距相等，包裹在中层辐照罐8外侧，在外层环形空间内形成横截面相同的多个流道。由于外层冷却管6和内层冷却管20外径等于外层环形空间径向距离，因此，将外层环形空间分割成多条螺旋形流道，管内循环水向下流动，管外则向上流动，呈对流形态。

冷却水从内循环进水管22进入内循环水室，然后进入内层冷却管20，冷却水顺着内层冷却管20进入集水盖12，紧接着通过导叶15进入内层辐照罐9，内层循环水通过导叶15造旋，不仅加快了水的流动速度，并且冷却水快速旋转沿着内层辐照罐9的内壁流动，增加了冷却水的流程和流速，最后通过单向阀19。

冷却水从外循环进水管3进入外循环水室，然后流入外层冷却管6，冷却水通过外层冷却管6进入稳流隔板14以下，再穿过稳流隔板14后通过外层环形空间中的流道流出，最终和从单向阀19流出的冷却水汇合从循环出水管2流出。

作为本实施例的另一种实现方式，改变外层冷却管6和内层冷却管20方式，将原来的等间距布置改为外层冷却管6和内层冷却管20紧贴布置。这种方式的优点在于外层冷却管6和内层冷却管20同上行流循环水的接触面积减小，降低上行流同管内循环水接触面积，可以有效的保持较大的上下流之间温差，有利于快速平衡辐照装置轴向的温差。

作为本实施例的另一种实现方式，除了外层冷却管6和内层冷却管20外径等于外层环形空间的径向距离这一种情况外，外层冷却管6和内层冷却管20外径小于外层环形空间的径向距离，在外层冷却管6和内层冷却管20外侧对称分布侧翼，靠外的侧翼顶在外层辐照罐7内径，靠内侧翼顶在中层辐照罐8外径，将外层环形空间分割成至少4个螺旋形流道。且外层冷却管6和内层冷却管20上侧翼的轴向距离等于中层辐照罐8的长度。将外层环形空间分割成螺旋形流道。虽然这种方式会降低辐照装置内循环水的流量，但上行流循环水同中层辐照罐8的接触面积增大，进而与中层辐照罐8内部的换热面积增大，同样有利于平衡辐照装置轴向温差。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。