基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，其发热棒束模拟体通过沿轴向依次布置的燃料组件定位格架模拟体固定，按照堆芯棒束排列方式置于陶瓷流道腔室内，陶瓷流道腔室外侧为承压套筒，其两端筒壁上分别布置有进口接管和出口接管，发热棒束模拟体两端分别穿过固定在承压套筒两端的棒束密封端盖后与外界电源连接。本发明专利技术扩散焊接的方法使得发热棒束模拟体壁面温度可以超过银钎焊熔点，通过扩散焊接在棒束密封端盖内形成的冷却流道将高温密封圈的温度维持在设计标准之下，使得棒束燃料组件模拟体的使用工况可达到核反应堆的实际温度及压力水平，可用于精确模拟核反应堆全寿期内任一轴向功率分布下棒束通道内的高温高压流动传热状态。

High temperature resistant rod bundle fuel assembly simulation device based on diffusion welding

The invention discloses a high temperature diffusion welding rod bundle fuel assembly simulation device based on the hot rod body frame beam simulation simulation body fixed by fuel assembly location along the axial direction are arranged, in accordance with the arrangement of pile beam mandrel is arranged in the ceramic flow chamber, flow chamber for lateral bearing ceramic sleeve, both ends of the cylinder wall, respectively. Arrangement of inlet nozzle and the outlet nozzle, hot rod beam simulation body ends are through the bundle is fixed on the bearing sleeve at both ends of the sealing end cover and external power connection. The present invention diffusion welding method makes hot rod beam simulation wall temperature can exceed the melting point of silver brazing, will maintain high temperature seal temperature in the design standard by diffusion welding cooling passages in the bundle of the sealing end cover is formed, the actual temperature and pressure level operating conditions makes the rod bundle fuel assembly model can reach a nuclear reactor that can be used to accurately simulate the flow and heat transfer under the condition of high temperature and high pressure rod bundles with any axial power distribution in the life period of nuclear reactor.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高温高压热工水力试验模拟装置领域，具体涉及基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置。
技术介绍
世界上在运行的绝大多数核电站都是采用棒束燃料组件堆芯。棒状的燃料芯块采用锆合金包壳进行包裹，并将堆芯运行过程中所产生的放射性物质隔离在包壳内部。同时，燃料芯块裂变所产生的热量，也通过包壳传递至包壳外侧的冷却介质。堆芯燃料包壳的完整性是核反应堆设计中对放射性物质进行多层屏蔽的最重要一层。在反应堆运行工况下，当燃料芯块裂变产生热量的热流密度高于包壳传热所允许的临界热流密度限值时，将在包壳表面触发沸腾危机。包壳表面的传热性能急剧恶化，包壳壁温急剧飞升进而导致包壳熔毁，带来放射性物质外泄风险。堆芯燃料组件临界热流密度是核反应堆设计及安全分析最为重要的热工水力限值参数。针对核反应堆中将要采用的每一种燃料组件结构，均需通过开展大量沸腾临界试验，获得对应的临界热流密度值。在这些沸腾临界试验中，基于焦耳释热原理采用通电释热的方式来模拟堆芯燃料组件包壳表面极高的热流密度，燃料组件模拟体的结构决定了模拟体热流密度分布特性及在高温高压沸腾临界试验中的强度表现。目前的模拟体存在试验中的寿命短、耐受沸腾临界试验中的高温高压工况性能差的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，解决目前的模拟体存在试验中的寿命短、耐受沸腾临界试验中的高温高压工况性能差的问题。本专利技术通过下述技术方案实现：基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，发热棒束模拟体按照堆芯棒束排列方式置于陶瓷流道腔室内，发热棒束模拟体沿轴向依次布置燃料组件定位格架模拟体用以固定棒束排列方式，共同组成堆芯棒束燃料组件的流道模拟结构；陶瓷流道腔室外侧为承压套筒，承压套筒两端筒壁上分别布置有流体进口接管和出口接管；发热棒束模拟体的两端分别穿过固定在承压套筒两端的棒束密封端盖后与外界电源电极连接。陶瓷流道腔室外侧为承压套筒，承压套筒两端筒壁上分别布置有流体进口接管和出口接管，发热棒束模拟体的两端分别穿过固定在承压套筒两端的棒束密封端盖后于外部电源电极连接，其整体结构具有极强的耐压耐高温能力，大大提升了整体的使用寿命。所述的棒束密封端盖包括中间法兰、上法兰、以及下法兰，并采用扩散焊形成带有密封槽及冷却通道一体化端盖；上法兰和下法兰对称布置在中间法兰两侧；中间法兰、上法兰和下法兰上设置有棒束通道，其尺寸及布置方式与发热棒束模拟体相匹配；中间法兰的棒束通道侧壁上设置有用于安装绝缘密封垫片的环形凹槽；在上法兰和下法兰与中间法兰焊接面上设置冷却液沟槽；采用扩散焊接方式将中间法兰与上法兰和下法兰的两个接触面完全焊接。具体的讲，申请人在实际使用过程中发现，整个试验装置在实验过程中，最先损坏的一般都是发热棒束模拟体的端部密封结构，通过对上万次的试验总结和理论分析发现：当实验过程中，高温高压的环境差异最先作用在密封环上，为了提高密封环的耐高温、耐压能力，通过将棒束密封端盖设置成上法兰、中法兰、下法兰的三层叠加结构，在中法兰上发热棒束模拟体穿过的棒束通道侧壁设置环形凹槽，将绝缘密封垫片放置在该凹槽内，在使用过程中，由于环形凹槽对于绝缘密封垫片的位置限定作用，可以有效地保护绝缘密封垫片，可以降低其在发热棒束模拟体轴向上的损坏。同时，上法兰和下法兰与中间法兰焊接面上设置冷却液沟槽，可以利用冷却液来对密封部位进行冷却降温，从而提高其耐高温的能力，通过耐高温能力的提升以及耐磨损能力的提升，大大提高了整个试验装置的使用寿命。将棒束密封端盖端盖面上开有对应棒束位置的通道及环形凹槽，保证通电高温下棒束向两端的自由膨胀。基于扩散焊接技术，通过在上法兰和下法兰与中间法兰的焊接面上设置冷却液沟槽，控制高温下密封槽周围的局部温度，确保绝缘密封环始终工作在其允许温度范围，同时可防止模拟体紧急降温过程中带来的密封环失效。所述的冷却液沟槽围绕上法兰和下法兰的棒束通道，与中间法兰的环形凹槽在沿棒束轴线的方向上基本相重叠；冷却液沟槽与棒束通道之间留有基于承压套筒内压力计算确定的间隔距离，在扩散焊接完成后形成棒束密封端盖上的冷却通道。冷却液沟槽按照顺时针方向和逆时针方向交替绕制的方式依次绕过棒束通道，从而保证了其换热的效率，避免局部换热不均匀的问题。所述陶瓷流道腔室是基于发热棒束模拟体的长度由多段陶瓷沿轴向拼接而成，每段陶瓷筒在周向由四个陶瓷块拼接而成，陶瓷筒横截面的内部为模拟燃料组件流道一致的矩形、外部为与承压套筒内径相匹配的圆形。所述周向拼接的四块陶瓷块，其拼接面与内侧壁面的交点均位于各矩形通道边的中点，且拼接面与陶瓷流道腔室内壁面之间构成倾斜的夹角。具体的讲，承压套筒内侧采用四块陶瓷拼接成外圆内方的结构，将流道内压力直接传导至承压套筒内壁，陶瓷块与承压套筒之间无旁通流道，四块陶瓷块间的拼接方式为斜角，接触面积大，不易发生振动位移。高压下承压套筒向外膨胀后，陶瓷间为斜向的轻微错位，不会在流道壁面产生直通壁面的垂直裂隙，影响中心流道近壁面的流场。所述发热棒束模拟体包括中部的释热区和两端的导电区；发热棒束模拟体释热区采用高阻抗高强度金属材料，发热棒束模拟体导电区采用低阻抗金属材料；导电区和发散区采用扩散焊形成结构一体、发热分区的发热棒束模拟体。在所述陶瓷流道腔室与棒束密封端盖之间，在承压套筒管壁的进口接管和出口接管对应区域还设置有流量分配器；流量分配器的中间筒体上布置有分流孔；流量分配器中间筒体的内径大于模拟流道，外径小于承压套筒内径与承压套筒之间形成环形流道腔室；流量分配器的两端是限位环，限位环外径与承压套筒内径匹配。在承压套筒管壁的进口接管和出口接管对应区域还设置有流量分配器，流量分配器的中间筒体上布置有分配孔，其内径大于模拟流道，外径小于承压套筒内径，与承压套筒之间形成环形流道腔室，流量分配器的两端是限位环，限位环外径与承压套筒内径匹配。流量分配器减小了进出口处侧向进出的流体对发热棒束模拟体的冲击作用。在所述的承压套筒棒束通道的环形凹槽内设置有高温绝缘密封圈，将发热棒束模拟体伸出的导电区与棒束密封端盖之间进行绝缘密封；棒束密封端盖与承压套筒端面之间设置高温高压密封垫片。发热棒束模拟体的两端为试验段导电区，中间为试验段释热区，导电区采用导电性能优异的低阻抗金属管，材料可选用黄铜或者镍，中间释热区采用高温下结构强度优异的高阻抗金属管，材料可选用不锈钢或铟科镍625，两端导电区的金属管和加热区的金属管采用扩散焊的方式连接到一起，此焊接方式可以使异种材料之间的接触电阻降至较低水平，同时两种材料在高温下的连接强度优于传统的银钎焊接方式。由于释热区和导电区金属材料的电阻能够相差2到3个量级，基于通电导热焦耳释热原理，加载到发热棒束模拟体上的电流绝大部分在释热区转化为金属导体释热，发热棒束模拟体的外径与模拟棒束对象的外径一致。释热区的金属管壁厚在满足结构强度的前提下，可以通过改变棒束轴向内径，调节发热管沿程壁厚，实现释热区沿程释热功率分布的模拟。本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：1、本专利技术基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，将棒束密封端盖设置成上法兰、中法兰、下法兰的三层叠加结构，在中法兰上发热棒束模拟体穿过的棒束通道侧壁设置环形凹槽，将绝缘密封垫片放置在该凹槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，其特征在于：发热棒束模拟体(1)按照堆芯棒束排列方式置于陶瓷流道腔室(3)内，发热棒束模拟体(1)沿轴向依次布置燃料组件定位格架模拟体(2)用以固定棒束排列方式，共同组成堆芯棒束燃料组件的流道模拟结构；陶瓷流道腔室(3)外侧为承压套筒(4)，承压套筒(4)两端筒壁上分别布置有流体进口接管(11)和出口接管(12)；发热棒束模拟体(1)的两端分别穿过固定在承压套筒(4)两端的棒束密封端盖(6)后与外界电源电极连接。

【技术特征摘要】
1.基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，其特征在于：发热棒束模拟体(1)按照堆芯棒束排列方式置于陶瓷流道腔室(3)内，发热棒束模拟体(1)沿轴向依次布置燃料组件定位格架模拟体(2)用以固定棒束排列方式，共同组成堆芯棒束燃料组件的流道模拟结构；陶瓷流道腔室(3)外侧为承压套筒(4)，承压套筒(4)两端筒壁上分别布置有流体进口接管(11)和出口接管(12)；发热棒束模拟体(1)的两端分别穿过固定在承压套筒(4)两端的棒束密封端盖(6)后与外界电源电极连接。2.根据权利要求1所述的基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，其特征在于：所述的棒束密封端盖(6)包括中间法兰(601)、上法兰(602)、以及下法兰(603)，并采用扩散焊形成带有密封槽及冷却通道一体化端盖；上法兰(602)和下法兰(603)对称布置在中间法兰(601)两侧；中间法兰(601)、上法兰(602)和下法兰(603)上设置有棒束通道(604)，其尺寸及布置方式与发热棒束模拟体(1)相匹配；中间法兰(601)的棒束通道(604)侧壁上设置有用于安装绝缘密封垫片(7)的环形凹槽(605)；在上法兰(602)和下法兰(603)与中间法兰(601)焊接面上设置冷却液沟槽(606)；采用扩散焊接方式将中间法兰(601)与上法兰(602)和下法兰(603)的两个接触面完全焊接。3.根据权利要求2所述的基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置，其特征在于：所述的冷却液沟槽(606)围绕上法兰(602)和下法兰(603)的棒束通道(604)，与中间法兰(601)的环形凹槽(605)在沿棒束轴线的方向上基本相重叠；冷却液沟槽(606)与棒束通道(604)之间留有基于承压套筒(4)内压力计算确定的间隔距离，在扩散焊接完成后形成棒束密封端盖(6)上的冷却通道...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵大卫，刘文兴，鲁晓东，李轶，昝元峰，黄彦平，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：四川;51