一种压力容器外部冷却试验系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了属于压力容器外部冷却技术领域的一种压力容器外部冷却试验系统和方法，该试验系统包括试验件，高温熔池，冷却水供水回路和蒸汽冷却回路，氮气源，以及相应的配电柜、仪控设备和数据采集设备。试验方法是先将高温熔池内金属熔化为液态，并在氮气压力下输送至试验件。试验件采用叶轮驱动电加热的液态金属在试验件内循环流动，利用液态金属模拟严重事故下堆内熔融物，将热量传递至试验件下封头，浸没在冷却水中的下封头外表面将发生沸腾换热。冷却水供水回路和蒸汽冷却回路保障试验所需的冷却水。本发明专利技术可开展下封头外侧结构表面和流道结构对压力容器外部冷却性能的影响，此工作的开展将有助于提高压力容器外部冷却的安全裕度。

【技术实现步骤摘要】
一种压力容器外部冷却试验系统和方法
本专利技术属于压力容器外部冷却
，特别涉及一种压力容器外部冷却试验系统和方法，具体说是在反应堆严重事故条件下的大型核电反应堆压力容器半球下封头外表面沸腾换热性能研究。
技术介绍
大型核电反应堆在发生严重事故条件下，如果堆芯没有得到充分的冷却，堆芯产生的衰变热不断累积，最终到堆芯熔化。熔化后的熔融物将在重力作用下落入压力容器下腔室，并熔化下腔室内结构件形成熔融池。将熔融物冷却和持留在反应堆压力容器内是缓解事故的关键措施。在发生严重事故情况下，依靠非能动方式向反应堆堆坑内注水，使压力容器底部半球形封头淹没，在压力容器外部进行沸腾冷却，是缓解严重事故的一项重要措施。利用压力容器外侧水的沸腾换热和非能动自然循环流动，将半球形封头内熔融物的衰变热带走，从而保持压力容器的完整性，避免和延缓后续后果更为严重的事故进程的发生以及核泄漏造成的大量放射性物质向环境的释放。压力容器外部冷却技术的关键是保证压力容器半球形外表面的临界热流密度(CriticalHeatFlux,CHF)高于熔融物热传导给下封头外表面的实际热流密度。因此，提高压力容器下封头外表面的临界热流密度日益成为压力容器外部冷却技术亟待解决的研究热点。随着核电站的大型化和高功率发展，严重事故条件下堆内熔融物的衰变热也相应增加，从而造成压力容器下封头外表面的实际热流密度随之增大。因此开发更高热流密度的压力容器外部冷却试验系统显得尤为迫切。针对压力容器外部冷却技术，目前国内外都采用电加热器嵌入试验件内部提供热源来控制试验件表面的热流密度。美国西屋公司委托加州大学T.G.Theofanous教授开发了ULPU试验台，见文献(TheofanousT.G.,TuJ.P.,SalmassiT.,etal.QuantificationofLimitstoCoolabilityinULPU-2000ConfigurationIV.CRSS-02.05,2002)，ULPU试验台采用缩小比例的弧形切片来模拟半球形下封头外表面，电加热器嵌入弧形切片内，通过控制电加热器的功率进而控制弧形切片在倾角0°到倾角90°范围内的热流密度。半球形下封头外表面最低点定义为倾角0°。ULPU试验台的设计最高热流密度为2.4MW/m2，实验测量获得光表面倾角90°处的最高热流密度为1.8MW/m2。三维半球外表面的热流密度由于空间限制的原因，难以达到一维切片的热流密度。文献(DizonMB,YangJ,CheungFB,etal.EffectsofSurfaceCoatingonNucleateBoilingHeatTransferFromaDownwardFacingSurface.LasVegas,Nevada:2003,403-411.)介绍的缩小比例三维半球实验系统(SBLB试验系统)由美国宾夕法尼亚州立大学F.B.Cheung教授搭建，其采用直径为0.315m的半球形试验件模拟AP1000核电站直径约4m的压力容器下封头外表面沸腾换热现象，其将半球形试验件分块，并在试验件内嵌布置电加热器，控制各个分块内电加热器功率从而控制外表面的局部热流密度。SBLB试验系统的设计最高热流密度为1.8MW/m2。最近韩国的首尔大学Noh等搭建了CASA实验系统，CASA与SBLB同样采用电加热器内嵌在三维半球试验件内，其设计的最高热流密度为2.0MW/m2，见文献(NohSW,SuhKY.CriticalheatfluxforAPR1400lowerheadvesselduringasevereaccident.NuclearEngineeringandDesign,2013,258(0):116-129)。钟达文等人搭建了朝下一维倾斜平板表面的沸腾换热试验系统，其采用电加热棒内嵌于铜块的方法，试验件换热表面最高热流密度达到2.4MW/m2，详见文献(ZhongD.W.,MengJ.A.,LiZ.XandGuoZ.Y.,Criticalheatfluxfordownward-facingsaturatedpoolboilingonpinfinsurfaces,Int.J.HeatMassTran.87,pp.201-211(2015).)综上所述，现有的试验系统包括一维切片和缩小比例的三维半球试验件等，前者的热流密度能够达到2.4MW/m2，后者最高热流密度只能达到2.0MW/m2。随着核电站的高功率化，压力容器下封头外表面的热流密度越来越高，目前的技术研究路线包括开发沸腾换热性能更优越的结构表面和优化设计流道结构。结构表面能够通过增加换热面积、提高液体润湿性、改善汽泡脱离路径和冷却液体润湿路径；流道结构能够加快汽液两相流的流动速率，减小阻塞效应，从而促进CHF的提高。三维半球试验件相比一维切片试验件能够更真实的研究汽液两项流对CHF的影响，为更好的开发强化结构表面和流道结构对压力容器外部冷却性能的影响，迫切需要能够实现更高热流密度的三维半球试验系统。因此，针对这一背景，本专利技术提出了一种压力容器外部冷却试验系统，并给出了试验方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种压力容器外部冷却试验系统和方法，其特征在于，所述压力容器外部冷却试验系统包含压力容器外部冷却试验件，用于存放和熔化低熔点金属的高温熔池，存放试验过程所需冷却水的试验水箱，试验件外侧的流道结构，氮气源，备用水箱、去离子水设备，空冷器、配电柜、仪表控制设备和数据采集设备；具体组成为试验件1外侧设置流道结构3，并放置在试验水箱2中，试验水箱2内布置有第二电加热器502，在试验水箱2上部和备用水箱6上部之间的旁通管道上安装有404阀门和第三流量计203，同时试验水箱2与氮气源5相连接，该连接管道上布置有407阀门、410阀门和第二压力传感器702；试验水箱2下部通过水泵301、第一流量计201和403阀门与备用水箱6下部连接；备用水箱6上部通过401阀门和去离子水设备7下部连接；备用水箱6顶部通过402阀门、第一温度传感器601与空冷器8连接；所述备用水箱6内安装有第一电加热器501和第二温度传感器602，备用水放净阀412；空冷器8再通过第二流量计202、405阀门与试验水箱2连接；试验水箱2底部安装有试验水放净阀411；试验件1顶部通过第一压力传感器701、406阀门与407阀门、410阀门的公共节点连接；试验件1顶部通过液态金属接管106、408阀门与高温熔池4及其内的液态金属输送管109相连，高温熔池4通过第三压力传感器703、409阀门与氮气源5相连接；高温熔池4内布置有第三电加热器503，高温熔池4安装有第四温度传感器604；在压力容器外部冷却试验系统外配置配电柜9、仪表控制设备10和数据采集设备11。所述试验件1顶盖中央安装驱动电机101及其叶轮102，试验件1内腔内，围绕叶轮102固定内循环流道结构103，在内循环流道103与内壁之间，用于加热液态金属的电加热系统104固定在顶盖上，试验件1壳体105中间设置隔热层110，试验件1壳体105和压力容器下封头107通过试验件壳体连接件113和下封头连接件114的螺栓进行连接，两个连接件中间设置有凹台，并放置耐高温、不与液态金属反应的密封本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压力容器外部冷却试验系统，其特征在于，所述压力容器外部冷却试验系统包含压力容器外部冷却试验件，用于存放和熔化低熔点金属的高温熔池，存放试验过程所需冷却水的试验水箱，试验件外侧的流道结构，氮气源，备用水箱、去离子水设备，空冷器、配电柜、仪表控制设备和数据采集设备；具体组成为试验件(1)外侧设置流道结构(3)，并放置在试验水箱(2)中，试验水箱(2)内布置有第二电加热器(502)，在试验水箱(2)上部和备用水箱(6)上部之间的旁通管道上安装有404阀门和第三流量计(203)，同时试验水箱(2)与氮气源(5)相连接，该连接管道上布置有407阀门、410阀门和第二压力传感器(702)；试验水箱(2)下部通过水泵(301)、第一流量计(201)和403阀门与备用水箱(6)下部连接；备用水箱(6)上部通过401阀门和去离子水设备(7)下部连接；备用水箱(6)顶部通过402阀门、第一温度传感器(601)与空冷器(8)连接；所述备用水箱(6)内安装有第一电加热器(501)和第二温度传感器(602)，备用水放净阀(412)；空冷器(8)再通过第二流量计(202)、405阀门与试验水箱(2)的上部连接；试验水箱(2)底部安装有试验水放净阀(411)；试验件(1)顶部通过第一压力传感器(701)、406阀门与407阀门、410阀门的公共节点连接；试验件(1)顶部通过液态金属接管(106)、408阀门与高温熔池(4)及其内的液态金属输送管(109)相连，高温熔池(4)通过第三压力传感器(703)、409阀门与氮气源(5)相连接；高温熔池(4)内布置有第三电加热器(503)，高温熔池(4)安装有第四温度传感器(604)；在压力容器外部冷却试验系统外配置配电柜(9)、仪表控制设备(10)和数据采集设备(11)。...

【技术特征摘要】
1.一种压力容器外部冷却试验系统，其特征在于，所述压力容器外部冷却试验系统包含压力容器外部冷却试验件，用于存放和熔化低熔点金属的高温熔池，存放试验过程所需冷却水的试验水箱，试验件外侧的流道结构，氮气源，备用水箱、去离子水设备，空冷器、配电柜、仪表控制设备和数据采集设备；具体组成为试验件(1)外侧设置流道结构(3)，并放置在试验水箱(2)中，试验水箱(2)内布置有第二电加热器(502)，在试验水箱(2)上部和备用水箱(6)上部之间的旁通管道上安装有404阀门和第三流量计(203)，同时试验水箱(2)与氮气源(5)相连接，该连接管道上布置有407阀门、410阀门和第二压力传感器(702)；试验水箱(2)下部通过水泵(301)、第一流量计(201)和403阀门与备用水箱(6)下部连接；备用水箱(6)上部通过401阀门和去离子水设备(7)下部连接；备用水箱(6)顶部通过402阀门、第一温度传感器(601)与空冷器(8)连接；所述备用水箱(6)内安装有第一电加热器(501)和第二温度传感器(602)，备用水放净阀(412)；空冷器(8)再通过第二流量计(202)、405阀门与试验水箱(2)的上部连接；试验水箱(2)底部安装有试验水放净阀(411)；试验件(1)顶部通过第一压力传感器(701)、406阀门与407阀门、410阀门的公共节点连接；试验件(1)顶部通过液态金属接管(106)、408阀门与高温熔池(4)及其内的液态金属输送管(109)相连，高温熔池(4)通过第三压力传感器(703)、409阀门与氮气源(5)相连接；高温熔池(4)内布置有第三电加热器(503)，高温熔池(4)安装有第四温度传感器(604)；在压力容器外部冷却试验系统外配置配电柜(9)、仪表控制设备(10)和数据采集设备(11)。2.根据权利要求1所述一种压力容器外部冷却试验系统，其特征在于，所述试验件(1)顶盖中央安装驱动电机(101)及其叶轮(102)，在试验件(1)内腔内，围绕叶轮(102)固定内循环流道结构(103)，在内循环流道(103)与内壁之间，用于加热液态金属的电加热系统(104)固定在顶盖上，试验件壳体(105)中间设置隔热层(110)，试验件壳体(105)与压力容器下封头(107)分别安装有试验件壳体连接件(113)和下封头连接件(114)，两个连接件通过螺栓连接，连接件间放置有特制的耐高温密封件(115)，连接件由耐高温隔热水泥(112)进行隔热保护，同时在耐高温隔热水泥(112)外侧安装耐高温防水隔热密封件(116)；在驱动电机(101)周围布置的液态金属接管(106)和第一压力传感器(701)固定在顶盖上，其中液态金属接管(106)插入液态金属(108)内；多个第五温度传感器(605)在电加热系统(104)附近固定在顶盖上，并插入液态金属(108)内，插入深度不同，以测量试验件内不同高度位置的液态金属(108)的温度；第六温度传感器(606)、第七温度传感器(607)分别固定在压力容器下封头(107)的内壁和外壁；第六温度传感器(606)用于测量试验件压力容器下封头(107)内侧附近不同倾角处的液态金属温度，第七温度传感器(607)用于测量压力容器下封头外表面的壁温；所述试验件内液态金属接管可延长至试验件的底部，通过向试验件上部注入氮气，同时对液态金属接管进行预热，从而将液态金属从试验件输送回高温熔池，如此能够实现压力容器下封头的更换，从而能够研究不同结构表面的沸腾换热性能。3.根据权利要求1所述一种压力容器外部冷却试验系统，其特征在于，所述高温熔池的体积容量必须大于试验件(1)内液态金属充满的体积容量，其两者容量比为(1.2:-1.5)：1。4.根据权利要求1所述一种压力容器外部冷却试...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟达文，孟继安，
申请(专利权)人：华北电力大学，清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11