一种微型反应堆蜂窝煤状基体高温实验系统及实验方法

1.本发明涉及微型反应堆领域中的实验回路设计方案，具体涉及一种微型反应堆蜂窝煤状基体高温实验系统及实验方法。


背景技术：

2.随着人类活动和生产空间的不断扩展，深海、深空、极地、孤岛等特殊物理空间的能源需求迅速增长。核能在能源密度、可靠性、持续性等方面相比于其他能源具有不可比拟的优势，是特殊空间中高强度探索和开发的首要能源选择。采用固体堆芯设计的微型反应堆(如热管堆和气冷微堆)，具有反应堆结构简单、固有安全特性高、易于模块化设计与扩展等突出优点，是潜在改变未来核动力格局的颠覆性技术之一，在深海潜航、深空探测、陆基核电源等场景中具有广阔的应用前景。
3.但固态反应堆在反应堆从冷态到热态、热态到冷态、变功率、长时间燃耗等过程中，由于全固态堆芯中燃料元件功率分布的变化，加之固固接触的热膨胀和应力变形，反应堆固态堆芯会出现显著的复杂非均匀几何变形，几何变形会影响热量从燃料棒向冷却通道传递，进而影响堆芯反应性和功率分布。因此，亟需开展非均匀载荷下蜂窝煤状基体形变模拟实验，揭示强瞬变热力冲击下基体形变特性和的高温蠕变特性，完成堆内运行环境下基体动态形变的定量评估。由于高温高压的实验伴随着很高的危险性，为了保证高温气体的实验安全，实验装置设计应充分考虑安全性、冗余性准则。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服上述现存的技术问题，提供一种微型反应堆蜂窝煤状基体高温实验系统及实验方法，能够根据实验目的模拟堆蜂窝煤状基体(及配套各管)遇到的稳态、瞬态工况条件，用于评估各种微型反应堆结构设计和制造材料，完成微型反应堆堆芯布置在高温、强瞬态条件下传热性能及形变特性和的高温蠕变特性研究，以验证微型反应堆设计概念的安全性。
5.为了实现上述目的，本发明采取了以下技术方案予以实施：
6.一种微型反应堆蜂窝煤状基体高温实验系统，包括主冷却系统、实验段前主回路低温区、高温实验段、实验段后主回路高温区、压力容器冷却系统、供气系统：
7.所述主冷却系统冷却工质为去离子水，由冷却水箱提供，主冷却系统与实验段后主回路高温区通过汽-水热交换器传递热量，冷却实验工质；
8.所述实验段前主回路低温区通过汽-水热交换器与实验段后主回路高温区连接，通过流量分配器与高温实验段连接，氦气填充于所述实验段前主回路低温区；
9.所述高温实验段通过流量分配器与实验段前主回路低温区连接，通过气体冷却长管与实验段后主回路高温区连接；所述高温实验段实验工质为氦气，用以冷却实验件，保护工质为氮气，由供气系统提供，用以防止管段氧化；
10.所述实验段后主回路高温区通过气体冷却长管与高温实验段连接，通过汽-水热
交换器与实验段前主回路低温区连接，氦气填充于所述实验段后主回路高温区，实验前由供气系统充入，实验段后主回路高温区与主冷却系统通过汽-水热交换器传递热量；
11.所述实验段前主回路低温区、高温实验段、实验段后主回路高温区相连接形成主回路系统；
12.所述压力容器冷却系统冷却工质为去离子水，由冷却水箱提供，压力容器冷却系统与压力容器的双层壳结构直接相连，保证压力容器表面温度不高于室温，保护高精度检测设备；
13.所述供气系统为实验段前主回路低温区、高温实验段及实验段后主回路高温区提供实验工质氦气，为高温实验段提供保护工质氮气。
14.所述主冷却系统中，冷却水箱1依次连接离心泵2、第一温度计31和第一压力变送器41，之后分别连接第一旋拧调节阀51、第二旋拧调节阀52，第一旋拧调节阀51后连有第一流量计61，第二旋拧调节阀52后连有第二流量计62，第一流量计61和第二流量计62后的冷却工质通过第一止回阀71后，再通过汽-水热交换器8，与主回路系统传递热量后回到冷却水箱1；所述离心泵2管段设有旁通。
15.所述实验段前主回路低温区中，高温氦气通过汽-水热交换器8降温后，依次流经第二温度计32、第二压力变送器42和第三流量计63后，经流量分配器9分配流量通入高温实验段；回路管道采用承压25mpa，耐温800k的标准316l不锈钢管。
16.所述高温实验段，包括压力容器10、直流电加热器11和实验件12，实验件12后与实验段后主回路高温区相连，压力容器10为双层壳结构，与保护支路相连；所述压力容器10上的管路设有真空泵14，并设有第二止回阀72；所述实验件12与直流电加热器11相连，以提供非均匀功率分布；所述实验件12内部测量参数为温度、应力、应变和裂纹尺寸，根据实验目的不同，分为稳态/瞬态流动换热实验、基体力学性能实验及反应堆模化验证实验三部分。
17.所述实验段后主回路高温区中，氦气通过一回路供气支路供气，气体预热器15仅在主回路系统启动时开启，用于将氦气加热至600k，以保证实验段传热性能模拟真实工况，正式实验时气体预热器15管段处于关闭状态，旁通打开；在高温实验中，流出高温实验段的氦气温度高，先通过一段气体冷却长管13，实现高温气体-室温空气的对流散热，再通过第三温度计33、第三压力变送器43和第四流量计64测量，最后通过汽-水热交换器8；回路管道采用承压25mpa，耐温800k的标准316l不锈钢管。
18.所述供气系统包括一回路供气支路与保护支路。一回路供气支路并联氦气瓶16与实验段后主回路高温区管路接口处设有第三旋拧调节阀53、第一安全阀181，通过并联氦气瓶16提供稳定高入口压力的氦气作为气体实验工质；保护支路氮气瓶17与管路接口处设有第四旋拧调节阀54、第二安全阀182，通过氮气瓶17向压力容器10提供氮气，以维持压力容器10内的实际压力高于实验件内12的最高气压，防止实验气体外泄，并保护实验件在高温下不被氧化。
19.所述压力容器冷却系统中，冷却水箱1与压力容器10的双层壳结构直接相连并提供冷却，保护高精度检测设备。
20.所述的微型反应堆蜂窝煤状基体高温实验系统的实验方法，包括以下步骤：
21.1)实验开始前，检查实验装置阀门是否打开，仪器仪表的状态是否完好，供气系统气量是否充足，保证实验件12前后管道流通，避免实验件12承压；
22.2)启动真空泵14，将压力容器10抽真空；
23.3)通入氮气，填充满压力容器10；
24.4)调整真空泵14、氮气瓶17压力，维持压力容器10内压力基本稳定；
25.5)向主回路系统内通入惰性气体，排空主回路系统内空气；
26.6)打开第三旋拧调节阀53和第一安全阀181，向实验段后主回路高温区内通入一段时间的氦气，并校对第三流量计63和第四流量计64示数，防止气体泄漏；
27.7)打开气体预热器15，缓慢提升主回路系统内氦气温度，并校对第二温度计32和第三温度计33示数；
28.8)氦气温度超过600k时关闭气体预热器15，打开气体预热器15管段旁通；
29.9)启动离心泵2，检查主冷却系统密封性；
30.10)调整离心泵2，并校对第一流量计61和第二流量计62示数；
31.11)氦气未泄露条件下，进行低温传热实验，基体平均温度不超过900k，校对第一流量计61和第二流量计62示数；
32.12)逐渐提高直流电加热装置11功率，重复实验步骤6，监测实验系统的稳定性；
33.13)功率升高至指定功率，基体平均温度达到实验要求后，持续观察一段时间，待各项参数稳定后，开展传热实验及基体力学性能实验；
34.14)实验结束后，保持离心泵2功率，缓慢降低直流电加热器11功率，实现慢速降温，避免实验件破坏；
35.15)直流电加热器11功率降为0后，持续通入实验气体，带走主回路系统余热；
36.16)实验系统完全冷却后，持续通入惰性气体排出实验气体，重复多次后，关闭管路阀门，保持实验管道密闭；
37.17)真空泵14开启，维持压力容器10常压状态；
38.18)实验结束时，采集数据，并关闭离心泵2、真空泵14和采集箱电源；
39.19)更换实验件，重复以上过程。
40.本发明具有以下优点和有益效果：
41.1.可以结合回路中的若干支路与实验段接点，根据具体实验需要扩展所需实验件12，可以针对不同类型的微型反应堆，如热管堆、气冷微堆(球床型或棱柱状)等，根据其冷却方法，修改实验段，开展稳态/瞬态流动换热实验、基体力学性能性实验及反应堆模化验证实验，用以测试、评估不同类型的微型反应堆可靠性及安全性能。
42.2.实验段置于压力容器10内，并通以氮气作为环境气体，以维持压力容器10内的实际压力高于实验件12内的最高气压，防止实验件与氦气输送管道的接口接触不够严密而导致冷却剂流道内的氦气泄漏。
43.3.通过直流电加热器10对元件实行分区加热，分布控制不同区的功率分布。
44.4.实验段后高温主回路系统增加一根较长的非保温管道，利用高温气体-室温空气的对流散热，对实验件12出口高温气体进行冷却，以符合后段测量仪器的工作温度，便于实验数据采集。
附图说明
45.图1为本发明的微型反应堆蜂窝煤状基体高温实验系统工作原理图。
46.图中：1、冷却水箱 2、离心泵 31、第一温度计 32、第二温度计 33、第三温度计 41、第一压力变送器安全阀 42、第二压力变送器 43、第三压力变送器51、第一旋拧调节阀 52、第二旋拧调节阀 53、第三旋拧调节阀 54、第四旋拧调节阀 61、第一流量计 62、第二流量计 63、第三流量计 64、第四流量计 71、第一止回阀72、第二止回阀8、汽-水热交换器9、流量分配器10、压力容器11、直流电加热器 12、实验件 13、气体冷却长管 14、真空泵 15、气体预热器16、氦气储藏罐 17、氮气瓶 181、第一安全阀 182、第二安全阀
具体实施方式
47.下面结合附图具体实施方式对本发明方法作进一步详细说明：
48.如图1所示，本发明一种微型反应堆蜂窝煤状基体高温实验系统，包括主冷却系统、实验段前主回路低温区、高温实验段、实验段后主回路高温区、压力容器冷却系统、供气系统：
49.所述实验段前主回路低温区、高温实验段、实验段后主回路高温区相连接形成主回路系统；
50.所述主冷却系统中，冷却水箱1依次连接离心泵2、第一温度计31和第一压力变送器41，之后分别连接第一旋拧调节阀51、第二旋拧调节阀52，第一旋拧调节阀51后连有第一流量计61，第二旋拧调节阀52后连有第二流量计62，第一流量计61和第二流量计62后的冷却工质通过第一止回阀71后，再通过汽-水热交换器8，与主回路系统传递热量后回到冷却水箱1，并联流量计设计保证了较高的检测精度；所述离心泵2管段设有旁通，保证事故工况下实验系统不会失去冷却。
51.所述实验段前主回路低温区中，高温氦气通过汽-水热交换器8降温后，依次流经第二温度计32、第二压力变送器42和第三流量计63后，经流量分配器9分配流量通入高温实验段；回路管道采用承压25mpa，耐温800k的标准316l不锈钢管；为模拟堆芯内若干冷却通道的冷却形式，需通过流量分配器9保证各冷却通道内流量分配均匀。
52.所述高温实验段，包括压力容器10、直流电加热器11和实验件12，实验件12后与实验段后主回路高温区相连，压力容器10为双层壳结构，与保护支路相连；所述压力容器10上的管路设有真空泵14，并设有第二止回阀72；所述实验件12与直流电加热器11相连，以模拟实际反应堆功率分布的不均匀特点；所述实验件12内部测量参数为温度、应力、应变和裂纹尺寸，根据实验目的不同，分为稳态/瞬态流动换热实验、基体力学性能实验及反应堆模化验证实验三部分，为防止热量损失，需在实验件12上涂上耐高温绝缘保温涂料；所述压力容器10表面开窗，以保证实验时能对实验件12状态进行实时观测，为保实验安全，压力容器10表面透明材料为石英玻璃。
53.所述实验段后主回路高温区中，氦气通过一回路供气支路供气，气体预热器15仅在主回路系统启动时开启，用于将氦气加热至600k，以保证实验段传热性能模拟真实工况，正式实验时气体预热器15管段处于关闭状态，旁通打开；在高温实验中，流出高温实验段的氦气温度高，先通过一段气体冷却长管13，再通过第三温度计33、第三压力变送器43和第四流量计64测量，最后通过汽-水热交换器8；回路管道采用承压25mpa，耐温800k的标准316l不锈钢管；所述气体冷却长管13采用耐高温高热导率材料，如钨，实现高温气体-室温空气的对流散热，对气体进行冷却，方便数据采集；
54.所述供气系统包括一回路供气支路与保护支路，一回路供气支路并联氦气瓶16与实验段后主回路高温区管路接口处设有第三旋拧调节阀53、第一安全阀181，通过并联氦气瓶16提供稳定高入口压力的氦气作为气体实验工质；保护支路氮气瓶17与管路接口处设有第四旋拧调节阀54、第二安全阀182，通过氮气瓶17向压力容器10提供氮气，以维持压力容器10内的实际压力高于实验件内12的最高气压，防止实验气体外泄，并保护实验件在高温下不被氧化。
55.所述压力容器冷却系统中，冷却水箱1与压力容器10的双层壳结构直接相连并提供冷却，保护高精度检测设备。
56.所述的微型反应堆蜂窝煤状基体高温实验系统的实验方法，包括以下步骤：
57.1)实验开始前，检查实验装置阀门是否打开，仪器仪表的状态是否完好，供气系统气量是否充足，保证实验件12前后管道流通，避免实验件12承压；
58.2)启动真空泵14，将压力容器10抽真空；
59.3)通入氮气，填充满压力容器10，保证压力容器10内的实际压力高于实验件12内的最高气压，一般高30kpa为宜，以防止试验件与氦气输送管道的接口接触不够严密而导致冷却剂流道内的氦气泄漏。此外还可带走因实验件加热而外散的部分热量，起到冷却作用；
60.4)调整真空泵14、氮气瓶17压力，维持压力容器10内压力基本稳定；
61.5)向主回路系统内通入惰性气体，排空主回路系统内空气，防止高温条件下管道氧化；
62.6)打开第三旋拧调节阀53和第一安全阀181，向实验段后主回路高温区内通入一段时间的氦气，并校对第三流量计63和第四流量计64示数，保证流量相同，防止气体泄漏；
63.7)氦气未泄漏条件下，打开气体预热器15，缓慢提升主回路系统内氦气温度，并校对第二温度计32和第三温度计33示数；
64.8)氦气温度超过600k时关闭气体预热器15，打开气体预热器15管段旁通；
65.9)启动离心泵2，检查主冷却系统密封性，重点观察各管段接口是否发生泄漏；
66.10)调整离心泵2，并校对第一流量计61和第二流量计62示数，确定冷却工质流量与实验要求相符；
67.11)氦气未泄露条件下，进行低温传热实验，基体平均温度不超过900k，校对第一流量计61和第二流量计62示数；
68.12)逐渐提高直流电加热装置11功率，重复实验步骤6，监测实验系统的稳定性，同时通过压力容器10开窗观察实验件12状态；
69.13)功率升高至指定功率，基体平均温度达到实验要求后，持续观察一段时间，待各项参数稳定后，开展传热实验及基体力学性能实验；
70.14)实验结束后，保持离心泵2功率，缓慢降低直流电加热器11功率，实现慢速降温，避免实验件破坏；
71.15)直流电加热器11功率降为0后，持续通入实验气体，带走主回路系统余热；
72.16)实验系统完全冷却后，持续通入惰性气体排出实验气体，重复多次后，关闭管路阀门，保持实验管道密闭；
73.17)真空泵14开启，维持压力容器10压力与环境压力相同；
74.18)实验结束时，采集数据，并关闭离心泵2、真空泵14和采集箱电源；
75.19)更换实验件，重复以上过程。