球床反应堆加热实验装置及其构建方法与流程

本申请涉及核反应堆，尤其涉及一种球床反应堆加热实验装置及其构建方法。

背景技术：

1、能源是全球经济发展的源动力，为人类社会的生存和发展提供重要的物质基础。随着资源日益短缺、环境污染加重，人们开始关注清洁、经济、安全、高效的第四代核反应堆技术。球床式高温气冷堆作为第四代先进反应堆堆型之一，具有固有安全性、发电效率高、系统简单、用途广泛、模块化建造等特点与优势。球床式高温气冷堆指使用氦气作为冷却剂、石墨作为中子慢化剂的核反应堆。球床式高温气冷堆的堆芯由装在反应堆压力容器内的球形燃料元件堆积而成。

2、实验研究作为科学研究的重要手段，是验证数值模拟和理论模型准确性的基准。在球床式高温气冷堆实验系统中，为了控制实验成本与方便实验测量，按照缩比实验，一般选取几十上百个石墨球进行实验。石墨球直径为60mm，排列紧密规则，充满堆芯，具有较高的体积功率密度，因此，整个堆芯构成含强内热源的球床通道。

3、在目前的球床反应堆加热实验中，最常规的加热方式是通过感应线圈以及内插电加热棒的方式，使球床反应堆内得到加热；而实际球床反应堆中热量来源于燃料球内部的裂变反应，与上述常规加热方式存在显著区别。

4、此外，也有使用电磁场对球床反应堆内石墨球进行加热的实验方法，但是该方法存在集服效应，石墨球表面热而内部冷，导致加热不均匀且难以控制。

5、因此，为了保证实验装置内的热量产生与温度分布符合球床式高温气冷堆内的实际情况，以期获得准确的流动传热预测模型，需要提出一种实现多点分布非均匀加热的实验装置。

技术实现思路

1、本申请提供了一种球床反应堆加热实验装置及其构建方法，以保证实验装置内的热量产生与温度分布符合球床式高温气冷堆内的实际情况。本申请的技术方案如下：

2、第一方面，本申请实施例提供了一种球床反应堆加热实验装置，包括：环形密封容器、球床堆、功率控制器和电源，

3、所述球床堆包括多层石墨球，所述球床堆密封在所述环形密封容器内；

4、每个所述石墨球的内部均设有加热电阻丝，处于同一层的多个石墨球中的加热电阻丝通过导线连接在一起并形成正极端和负极端，所述正极端穿过所述环形密封容器的侧壁连接一个所述功率控制器，所述负极端穿过所述环形密封容器的侧壁连接所述电源的负极；

5、所述多层石墨球对应的多个所述功率控制器连接所述电源的正极。

6、在一些实现方式中，所述同一层的多个石墨球中位于同一径向位置的石墨球通过导线连接在一起形成串联结构，位于多个径向位置的石墨球形成的多个串联结构各自的正极端分别连接所述功率控制器的一个端口，所述多个串联结构的负极端连接在一起。

7、在一些实现方式中，所述同一层的多个石墨球中的加热电阻丝呈现规则多边形分布。

8、在一些实现方式中，所述正极端和所述负极端均通过所述环形密封容器的侧壁上的开孔穿出并通过卡套密封结构密封。

9、在一些实现方式中，所述卡套密封结构包括螺帽、密封圈和开孔螺栓，所述螺帽焊接在所述环形密封容器的侧壁上，所述密封圈放置在所述螺帽中，所述开孔螺栓与所述螺帽通过螺纹配合，所述开孔螺栓的端部压紧所述密封圈，所述导线依次穿过所述螺帽、密封圈和开孔螺栓。

10、在一些实现方式中，多个所述功率控制器并联后通过总电路开关连接所述电源的正极，所述负极端通过保护器连接所述电源的负极。

11、在一些实现方式中，所述加热电阻丝为螺旋形状，位于所述石墨球的中心位置。

12、在一些实现方式中，所述加热电阻丝的材质为电热合金，长度为50毫米。

13、在一些实现方式中，所述加热电阻丝与其两端连接的导线的外部均覆盖有绝缘层。

14、第二方面，本申请实施例提供了一种实验装置的构建方法，所述方法包括：

15、在环形密封容器中放置一层石墨球，确定该层多个石墨球的排列方式，并规划加热电阻丝和导线的排列方式；以及标记所述多个石墨球之间的接触点位置、标记加热电阻丝和导线的位置及方向；

16、取出所述多个石墨球按照所述接触点位置进行剖切，并按照标记的所述加热电阻丝和导线的位置及方向将连接好的加热电阻丝与导线放置于所述多个石墨球中，再将所述多个石墨球缝合完整；并将所述多个石墨球按照确定的多个石墨球的排列方式重新放置于所述环形密封容器中，再延长导线到所述环形密封容器之外，在所述环形密封容器之外通过卡套密封结构进行密封；

17、按照上述步骤将所述环形密封容器中放置多层石墨球，构成球床堆；

18、在所述环形密封容器之外，将功率控制器和电源与所述导线连接起来。

19、本申请实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

20、通过内置加热电阻丝的石墨球形成球床堆，并置于环形密封容器内，在通过多个功率控制器分别控制多层石墨球的加热温度，实现用于球床式高温气冷堆的石墨球内热源非均匀加热控制，同时满足对实验中不同区域的不同加热温度要求，确保实验装置中石墨球热源分布的合理性。

21、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

技术特征：

1.一种球床反应堆加热实验装置，其特征在于，包括：环形密封容器、球床堆、功率控制器和电源，

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述同一层的多个石墨球中位于同一径向位置的石墨球通过导线连接在一起形成串联结构，位于多个径向位置的石墨球形成的多个串联结构各自的正极端分别连接所述功率控制器的一个端口，所述多个串联结构的负极端连接在一起。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述同一层的多个石墨球中的加热电阻丝呈现规则多边形分布。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述正极端和所述负极端均通过所述环形密封容器的侧壁上的开孔穿出并通过卡套密封结构密封。

5.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于，所述卡套密封结构包括螺帽、密封圈和开孔螺栓，所述螺帽焊接在所述环形密封容器的侧壁上，所述密封圈放置在所述螺帽中，所述开孔螺栓与所述螺帽通过螺纹配合，所述开孔螺栓的端部压紧所述密封圈，所述导线依次穿过所述螺帽、密封圈和开孔螺栓。

6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，多个所述功率控制器并联后通过总电路开关连接所述电源的正极，所述负极端通过保护器连接所述电源的负极。

7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述加热电阻丝为螺旋形状，位于所述石墨球的中心位置。

8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述加热电阻丝的材质为电热合金，长度为50毫米。

9.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述加热电阻丝与其两端连接的导线的外部均覆盖有绝缘层。

10.如权利要求1至9任一项所述的实验装置的构建方法，其特征在于，所述方法包括：

技术总结
本申请提供了一种球床反应堆加热实验装置及其构建方法。其中实验装置包括：环形密封容器、球床堆、功率控制器和电源，所述球床堆包括多层石墨球，所述球床堆密封在所述环形密封容器内；每个所述石墨球的内部均设有加热电阻丝，处于同一层的多个石墨球中的加热电阻丝通过导线连接在一起并形成正极端和负极端，所述正极端穿过所述环形密封容器的侧壁连接一个所述功率控制器，所述负极端穿过所述环形密封容器的侧壁连接所述电源的负极；所述多层石墨球对应的多个所述功率控制器连接所述电源的正极。实现用于球床式高温气冷堆的石墨球内热源非均匀加热控制，同时满足对实验中不同区域的不同加热温度要求，确保实验装置中石墨球热源分布的合理性。

技术研发人员：刘伟,汪景新,孟东旺,罗勇,周勤
受保护的技术使用者：华能核能技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13