用于模拟气冷微堆燃料元件热工水力特性的试验装置的制作方法

本发明属于高温气冷堆压力容器堆芯冷却，具体涉及一种用于模拟气冷微堆燃料元件热工水力特性的试验装置。

背景技术：

1、高温气冷堆是一种更具固有安全性和广泛应用前景的先进堆型。微型高温气冷堆体积小、重量轻，运输更灵活，具有更广泛的应用场景，可满足远距离和极端气候条件下车载运输用能需求。

2、新型棱柱式气冷微堆采用含有triso包覆颗粒燃料弥散在碳化硅基体内形成密实体燃料棒，然后插入到石墨燃料柱块的燃料孔道内构成棱柱形石墨燃料元件。作为一种新型气冷微堆技术，需要通过开展试验研究加以验证堆芯的热工水力设计，以满足核安全监管要求。试验的总体目标是验证设计工况下堆芯的换热能力，为反应堆迭代设计提供压力、流量、温度等热工参数，确保满足各种工况下反应堆安全性要求。

3、为了验证新型气冷微堆堆芯热工水力设计方案，需要通过开展气冷微堆堆芯正常运行工况和事故工况的热工水力特性试验研究。但是现有大型综合性试验装置中并没有适用于开展棱柱形反应堆堆芯的热工特性研究装置，因此，有必要设计一种理念先进、结构合理、成本不高、能很好实现物理现象相似的试验装置。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种用于模拟气冷微堆燃料元件热工水力特性的试验装置，该装置能够进行棱柱形气冷微堆燃料元件氦冷却性能热工水力特性试验研究。

2、解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种用于模拟气冷微堆燃料元件热工水力特性的试验装置，包括压力容器壳体、设置于压力容器壳体内的吊篮单元，吊篮单元与压力容器壳体之间形成空腔，吊篮单元包括吊篮壳体、设置于吊篮壳体内的石墨组件、冷却剂通道、加热棒通道、加热棒组件、保温层组件、测量单元，冷却剂通道和加热棒通道分别设置于石墨组件上，保温层组件设置于石墨组件外围，加热棒通道用于盛放加热棒组件，冷却剂通道用于通过试验气，测量单元用于测量石墨组件上测量点压力、温度等热工参数，压力容器壳体包括压力容器壳体本体、设置于压力容器壳体本体上的第一入口、第二入口、第一出口，第一入口与冷却剂通道连接，通过第一入口向冷却剂通道内通入试验气，第二入口与空腔联通，通过第二入口向空腔内通入保护气，第一出口用于排出压力容器壳体内的混合气体。

3、优选的是，空腔为环形空腔。

4、优选的是，石墨组件上设置有至少一个测量单元的测量点，测量点所在的石墨组件的第一径向位置上开设有第一导线槽，第一导线槽用于将测量单元的引线由测量点引出石墨组件；

5、保温层组件的第二径向位置上开设有第二导线槽，第二导线槽与第一导线槽联通，保温层组件的轴向外表面上开设有第三导线槽，第三导线槽与第二导线槽联通，通过第一导线槽、第二导线槽、第三导线槽将测量单元的引线引出吊篮单元。

6、优选的是，石墨组件包括至少一个石墨块，测量单元的测量点为温度测量点，当温度测量点在石墨块的轴向端面上，第一导线槽在石墨块的轴向底面的正投影视图为折线形状或直线形状；当温度测量点在石墨块的其它位置，第一导线槽在石墨块的轴向底面的正投影视图为直线形状。

7、优选的是，沿着石墨块的轴向方向，在石墨块的两端、中间均设置有温度测量点。

8、优选的是，温度测量点至少为两个，在石墨块的轴向端面上，温度测量点分布在加热棒通道外围、冷却剂通道外围。

9、优选的是，石墨组件包括至少一个石墨块，测量单元的测量点为压力测量点，压力测量点在石墨块的轴向端面上，第一导线槽在石墨块的轴向底面的正投影视图为直线形。

10、优选的是，第二导线槽在保温层组件的轴向底面的正投影视图为直线形。

11、优选的是，压力容器壳体还包括设置于压力容器壳体本体上的第二出口，相对于压力容器壳体本体第二端，第二出口更靠近压力容器壳体本体第一端，石墨组件径向第一端靠近压力容器壳体本体第一端，石墨组件径向第二端靠近压力容器壳体本体第二端，相对于压力容器壳体本体第一端，第一出口靠近压力容器壳体本体第二端。

12、石墨组件上靠近压力容器壳体本体第一端的测量点对应的测量单元的引线，通过第三导线槽导向石墨组件径向第一端方向，再通过空隙进入第二出口，该空隙为吊篮与压力容器壳体之间的空隙；

13、石墨组件上靠近压力容器壳体本体第二端的测量点对应的测量单元的引线，通过第三导线槽导向石墨组件径向第二端方向，再通过空腔进入第二出口。

14、优选的是，所述的用于模拟气冷微堆燃料元件热工水力特性的试验装置，还包括设置于压力容器壳体上的三通密封组件，三通密封组件包括三通筒体、设置于三通筒体上的三通入口、三通密封盖、三通出口，测量单元的引线通过三通入口进入三通筒体，再由三通出口导出，三通密封盖用于打开三通筒体进行线路连接和检查。

15、优选的是，三通出口包括第一三通出口、第二三通出口，测量单元的引线包括用于测量温度的第一引线、用于测量压力的第二引线，第一引线由第一三通出口导出，第二引线由第二三通出口导出。

16、优选的是，所述的用于模拟气冷微堆燃料元件热工水力特性的试验装置，还包括：加热棒法兰盖、套筒、密封件，加热棒法兰盖、套筒、密封件均位于压力容器壳体外，加热棒组件包括至少一根加热棒，加热棒包括依次连接的加热棒加热段、加热棒非加热段，加热棒加热段放置于加热棒通道内，加热棒贯穿压力容器壳体，加热棒非加热段穿过压力容器壳体，在压力容器壳体外用于与调功装置连接，加热棒法兰盖上设置有沉孔，套筒设置于沉孔内，套筒套设于加热棒非加热段外，沉孔内设置有第一内螺纹，套筒外设置有第一外螺纹，套筒内设置有第二内螺纹，加热棒非加热段外设置有第二外螺纹，加热棒法兰盖通过沉孔与套筒通过螺纹连接，套筒与加热棒通过螺纹连接，密封件位于沉孔内，密封件位于加热棒与沉孔之间，密封件一侧与沉孔面相接触，密封件另一侧与套筒相接触。

17、优选的是，所述的用于模拟气冷微堆燃料元件热工水力特性的试验装置，还包括：前端电器保护罩、保护罩法兰、支座，前端电器保护罩通过保护罩法兰与压力容器壳体连接，前端电器保护罩罩设于加热棒法兰盖、套筒、密封件外，前端电器保护罩上开有半槽型孔用于加热棒的线路引出，支座设置于前端电器保护罩上，支座用于支撑于加热棒连接的传感器。

18、优选的是，测量单元包括：温度测量单元、压力测量单元，温度测量单元用于测量石墨组件的温度，压力测量单元用于测量冷却剂通道内试验气的压力和压损。

19、优选的是，所述的用于模拟气冷微堆燃料元件热工水力特性的试验装置，还包括：设置于空腔内的导流板，导流板用于对空腔内的保护气进行导流和增速。

20、优选的是，导流板为螺旋状，可以使保护气以螺旋线状向前流动，可减小吊篮与压力容器壳体之间的间距，进而减小螺旋槽道内的横截面积，进而可使保护气的截面流速相比进入筒体时增大。

21、优选的是，冷却剂通道通过的冷却剂为试验气，试验装置还包括：设置于压力容器壳体内的均流孔板组件，均流孔板组件设置于石墨组件与第一出口之间的空隙，均流孔板组件用于将石墨组件的试验气、空腔内的保护气均匀混合后由第一出口流出。

22、优选的是，压力容器壳体包括筒体、前封头、后封头、鞍座，鞍座设置于筒体底部，筒体包括依次连接的前部筒体、中部筒体、后部筒体，前部筒体与前封头连接，后部筒体与后封头连接。

23、本发明中用于模拟气冷微堆燃料元件热工水力特性的试验装置，在接入大型氦气回路系统后可开展热工综合试验，通过调节加热棒组件的电功率来模拟高温气冷堆堆芯内燃料棒的发热，按照设定工况参数，试验气通过第一入口进入试验装置，穿过石墨组件的冷却剂通道，由此将加热棒组件所产生的热量带走，同时，试验气经冷却剂通道出口温度会升高，并伴随产生流动阻力压降，与此同时，保护气通过第二入口进入试验装置，沿吊篮外侧流动，在均流孔板组件处与试验气有效均匀混合，经第一出口流出试验装置；通过测量整个过程的石墨组件温度和冷却剂通道压力，主要研究了氦气在棱柱式气冷微堆中的流动换热特性和热工水力重要物理现象。本装置可以重点研究多种影响因素下燃料元件换热特性并验证设计工况下堆芯的换热能力，为反应堆迭代设计提供压力、流量、温度等热工参数，确保满足各种工况下反应堆安全性要求。和现有技术相比较，本发明具有以下优点：

24、1、本发明能够进行棱柱式气冷微堆燃料元件氦冷却性能热工水力试验研究，通过在石墨组件内部布置多种形式的导线槽，实现了试验装置内部不同区域的温度和压力测量。该装置在石墨组件的轴向和径向上的测点分布密集，便于试验进行时温压数据的采集，使得本装置可以重点考察堆芯内各种关键测点的数据差异和变化，从而更有针对性地对影响堆芯内换热的各种因素开展试验研究和设计验证；

25、2、本发明的试验装置整体结构简单，试验规模较小，具有物理现象相似性高，灵活性高，维护方便的特点。其中，加热棒通过套筒等装置实现加热棒与压力容器壳体本体的快捷密封，加热棒故障时可以迅速更换，保证了在高温条件下试验的连续、安全、可靠，加快了试验进度，降低了试验综合成本；

26、3、本发明从设备与系统安全的角度出发，将循环工质分为了进入第一入口的试验气和进入第二入口的保护气。在均流孔板组件的作用下，试验气与保护气得以充分均匀混合后再由第一出口流出，这样就避免了混合不均匀的高温冷却剂直接冲刷压力容器壳体和管道，保证了在高温条件下试验研究的安全可靠性。