自然循环及强迫循环回路系统的堆芯电加热元件设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种自然循环及强迫循环回路系统的堆芯电加热系统设计方法，包括堆芯模拟体中的单根电加热元件设计、一盒燃料组件的模拟以及燃料组件模拟体的结构及装配，该方法根据自然循环及强迫循环实验回路的设计参数和功能需求，准确模拟原型的水力学核释热，实验数据能够反映反应堆原型的相关特性，以达到研究原型水力学特性的目的。该方法采用降高度模拟，使实验装置更容易实现；流道几何尺寸和原型一致，减小流动失真；将一盒燃料组件模拟体分为四个区，首尾相联形成串联电路，增大其电阻，实现了直流电加热时电流和电压的匹配，能够提高非能动余热排除系统设计的安全可靠性，具有很高的工程价值。

【技术实现步骤摘要】
自然循环及强迫循环回路系统的堆芯电加热元件设计方法
本专利技术属于压水堆堆芯模拟体的设计领域，尤其涉及一种自然循环及强迫循环回路系统的堆芯电加热元件设计方法。
技术介绍
非能动余热排除系统设计的安全可靠需要进项相应的实验研究，对于目前电站反应堆，其几何尺度及流量规模均很大，且造价较高，不可能实现原型规模的实验研究，需要进行模型简化。模型设计是否合理，决定了实验数据能否反映反应堆原型的相关特性。只有当模型内流体流动正确模拟了原型时，实验数据才具有工程使用价值和意义。对堆芯进行设计的关键是需要一个较小几何尺度的模型上，实现对原型的水力学模拟及核释热模拟，以达到研究原型水力学特性的目的。减小流动失真、解决直流电加热时电流和电压的匹配、使装置更容易实现是堆芯电加热元件设计的技术难题。鉴于此，有必要提供一种用于自然循环和强迫循环回路系统的堆芯电加热元件的设计方法。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于通过采用相似理论，以AFA3G为原型，提供一种自然循环及强迫循环回路系统的堆芯电加热元件的设计方法，目的是在一个较小几何尺度的模型上，实现对原型的水力学模拟及核释热模拟，以达到研究原型水力学特性的目的。本专利技术是这样实现的，一种自然循环及强迫循环回路系统的堆芯电加热元件的设计方法包括堆芯模拟体中的单根电加热元件设计、一盒燃料组件的模拟以及燃料组件模拟体的结构及装配方法，所述自然循环及强迫循环回路系统的堆芯电加热元件的设计方法根据自然循环及强迫循环实验回路的设计参数和功能需求，确定电加热元件的加热方式、单根加热元件的设计参数及一盒燃料组件模拟体的结构及装配方法。进一步，以AFA3G为原型进行模拟，堆芯电加热元件所在的自然循环一回路相关设计参数为：设计压力：17.2MPa运行压力：15.5MPa设计温度：360℃最高运行温度：320℃堆芯模拟体最大功率：1000kW。进一步，电加热元件采用不锈钢管作为加热元件，电加热元件采用定位格架固定，定位格架拟采用原型中的定位格架，电加热元件的上下端和铜板相连，铜板分别和电源的正负极相连，电加热元件的加热方式采用直流电加热，电加热元件可重复利用。进一步，单根燃料棒的设计高度比选取1:4，AFA3G燃料棒长为4.0m，采用直流电加热长1.0m的不锈钢管模拟燃料棒核释热，不锈钢管的规格为，其外径与FA3G燃料棒相同，用一根的铜棒连接不锈钢管的一端与电源正极，用另一根的铜棒连接不锈钢管的另一端与电源负极，连接方式均采用银铅焊接。进一步，一盒燃料组件模拟体的结构及装配方式采用将一盒组件分为四个区，并串联这四个区，具体的做法为：第一区的上端和电源正极相联，第一区下端和第二区的下端相联，第二区上端和第三区的上端相联，第三区下端和第四区的下端相联，第四区的上端和电源负极相联，区与区之间用陶瓷棒隔离，且流道几何尺寸与AFA3G燃料组件相同。本专利技术提高了超设计基准事故设置的措施的可靠性和核电厂安全系统的多样化，具有很高的工程价值。附图说明图1是本专利技术实施例提供的单根电加热元件设计图；图2是本专利技术实施例提供的电加热元件设计总图；图3是本专利技术实施例提供的电加热元件设计总图俯视图；图4是本专利技术实施例提供的图3的A-A视图；图5是本专利技术实施例提供的图2的B-B视图。图中：1-螺栓；2-螺母；3-垫圈；4-上铜排；5-铜块；6-陶瓷棒；7-不锈钢管；8-下铜棒；9-下铜排；10-连接铜板；11陶瓷块；12-陶瓷块；13-螺母；14-垫圈；15-螺钉；16-上铜棒。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。针对原型(ACPR1000)中有157盒燃料组件，本堆芯拟模拟一盒燃料组件主要模拟核释热的及阻力特性。具体的模拟实施过程如下：1.核释热形式模拟电加热元件采用不锈钢管作为加热元件。电加热元件的加热方式采用直流电加热，各实验室者具有大型直流电源，它提供可精细调节的大电流的能力，无需要重新配置相关电源，并且电加热元件可重复利用，当加热元件数量很多时，该种加热方式优点更为凸显。2.单根燃料棒的设计如图1所示，根据堆芯的模拟，单根燃料棒的设计高度比选取1:4。AFA3G燃料棒长约为4.0m，本设计采用直流电加热长1.0m的不锈钢管来模拟燃料棒核释热。不锈钢管的规格为，其外径与FA3G燃料棒相同，这样就可以通过控制直流电加热量来实现核燃料棒表面热负荷的模拟。用一根的铜棒16连接不锈钢管7的一端与电源正极，用另一根的下铜棒8连接不锈钢管7的另一端与电源负极，其连接方式均采用银铅焊接。核燃料元件模拟体的电阻按以下方法计算：反应堆堆芯进出口温度分别为tin＝280℃和tout＝320℃，取流体平均温度则tf,av＝(tout+tin)/2＝(280+320)/2＝300℃(1)不锈钢管的截面积为若壁面平均温度以高于流体平均温度50℃计算，加热管壁面温度按照300+50＝350℃考虑，在该温度下，其电阻率为：ρ＝0.775+0.00055·tw,av＝0.775+0.00055×350＝0.9675Ω·mm2/m(3)每一根加热管的电阻：R＝ρL/Sw＝0.9675×1.0/23.58＝0.041Ω(4)3.一盒燃料组件原型中有157盒燃料组件，本实验拟模拟一盒燃料组件。AFA3G燃料组件中，核燃料棒的排列方式为17×17，考虑控制驱动机构，其核燃料棒并没有17×17那么多。如果本设计中取17×17排列，用直流电加热不锈钢管模拟核释热，且高度比取1:4，那将存在模拟体的电阻过小，无法实现其电流与电压的匹配。为解决这一问题，本范例中采用将一盒组件分区串联的方式。如图3所示电加热元件设计总图俯视图，采用将一盒组件分为四个区(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)，每个区域为8×8排列，串联这四个区以实现增大电阻(电阻约为原来的16倍)。具体的做法为：第一区Ⅰ的上端和电源正极相联，第一区Ⅰ下端和第二区Ⅱ的下端相联，第二区Ⅱ上端和第三区Ⅲ的上端相联，第三区Ⅲ下端和第四区Ⅳ的下端相联，第四区Ⅳ的上端和电源负极相联。区与区之间用陶瓷棒6隔离，且流道几何尺寸与AFA3G燃料组件相同，这样减小流动特性的失真。一盒燃料组件模拟体的电阻约为：(其中R＝ρL/Sw＝0.041Ω为单根电加热元件的电阻)根据模拟参数功率：Q＝1MW，计算电流：I＝19754.59A电压：U＝50.62V。4.燃料组件模拟体装配如图2、图3、图4、图5所示燃料组件模拟体包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区域，包括螺栓1；螺母2；垫圈3；上铜排4；铜块5；陶瓷棒6；不锈钢管7；下铜棒8；下铜排9；连接铜板10；陶瓷块11；陶瓷块12；螺母13；垫圈14；螺钉15；上铜棒16。如图3所示，所述的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区均由上铜排4、上铜棒16、下铜棒8、不锈钢管7、下铜排9组成，每区有64根不锈钢管7，按8×8方式排列，不锈钢管7上端与上铜棒16连接，上铜棒16进而与上铜排4连接，不锈钢管7下端与下铜棒8连接，下铜棒8进而与下铜排9连接，上述连接均采用银钎焊连接。区与区之间采用连接铜板10连接，所述的第Ⅰ区下端和第Ⅱ区的下端用同一块连接铜板10连接，第Ⅱ区上端和第Ⅲ区的上端与同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自然循环及强迫循环回路系统的堆芯电加热元件的设计方法，其特征在于，包括堆芯模拟体中的单根电加热元件设计、一盒燃料组件的模拟以及燃料组件模拟体的结构及装配方法，所述自然循环及强迫循环回路系统的堆芯电加热元件的设计方法根据自然循环及强迫循环实验回路的设计参数和功能需求，确定电加热元件的加热方式、单根加热元件的设计参数及一盒燃料组件模拟体的结构及装配方法。

【技术特征摘要】
1.一种自然循环及强迫循环回路系统的堆芯电加热元件的设计方法，其特征在于，包括堆芯模拟体中的单根电加热元件设计、一盒燃料组件的模拟以及燃料组件模拟体的结构及装配方法，所述自然循环及强迫循环回路系统的堆芯电加热元件的设计方法根据自然循环及强迫循环实验回路的设计参数和功能需求，确定电加热元件的加热方式、单根加热元件的设计参数及一盒燃料组件模拟体的结构及装配方法；以AFA3G为原型进行模拟，堆芯电加热元件所在的自然循环一回路相关设计参数为：设计压力：17.2MPa运行压力：15.5MPa设计温度：360℃最高运行温度：320℃堆芯模拟体最大功率：1000kW。2.如权利要求1所述的自然循环及强迫循环回路系统的堆芯电加热元件的设计方法，其特征在于，电加热元件采用不锈钢管作为加热元件，电加热元件采用定位格架固定，定位格架拟采用原型中的定位格架，电加热元件的上下端和铜板相连，铜板分别和电源的正负极相连，电加热元件的加热方...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳军，袁娇，于春雨，何霞，吴国凤，徐倩，黄志强，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51