[發明專利]次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置

有效

• 申請號: 201410726582.1
• 申請日: 2014-12-04
• 公開（公告）號: CN104407010B
• 公開（公告）日: 2016-10-26
• 發明（設計）人: 幸奠川;彭勁楓;黃彥平;徐建軍;劉文興;劉亮;楊祖毛
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 李朝虎

技術領域

本發明涉及新型核反應堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，具體的是一種模擬混合堆次臨界能源包層冷卻劑典型彎曲單通道流動傳熱特性的實驗裝置。屬于聚變驅動裂變反應堆新型能源開發領域，具體來說屬于熱工水力設計驗證和熱工安全準則制定所必需開展的實驗技術領域。

背景技術

日本福島核事故后，裂變反應堆的安全性遭到質疑；加之廢料處理困難、燃料儲量有限及防核擴散等問題，裂變核反應堆難以滿足人類長久的能源需求。以目前的技術條件，純氘氚聚變商用核能短期內難以實現，在此背景下，聚變-裂變混合能源系統有望成為實現裂變核能長期可持續發展和純聚變核能提前利用的有效途徑。

我國依托國際熱核聚變實驗堆計劃項目(ITER)，提出采用聚變中子源(ITER裝置)驅動次臨界能源包層和氚增殖包層以實現能量輸出和氚自持的新型核反應堆。ITER驅動的次臨界能源堆是一個快-熱耦合的系統，具有包層空間狹小、幾何結構復雜、徑向功率梯度大等特點。ITER驅動的次臨界能源包層概念設計中，采用模塊化燃料包層代替原來的包層，并將其沿環向分割成32個子模塊；采用嵌入子模塊內部的并聯圓管作為主冷卻劑通道，每個子模塊從等離子體側向外共設置六層冷卻劑管道。為適應ITER裝置“D形”等離子體截面，次臨界堆外包層冷卻劑通道為長彎管；內包層冷卻劑通道中部為直管，兩端為彎管。現有物理設計表明，ITER裝置驅動的次臨界能源包層徑向功率梯度大（峰值因子1.33），相應的冷卻劑管道周向熱流密度呈非均勻分布。為適應ITER裝置特殊的幾何形狀，大量冷卻劑管道為長彎管，且曲率半徑變化范圍較大。因此，主冷卻劑通道的設計和布置不可直接采用普通壓水堆熱工安全準則。通過實驗研究建立新的次臨界堆熱工安全準則，是次臨界能源堆實現工程應用的必經之路。

模擬次臨界能源堆燃料包層典型彎曲單通道冷卻劑流動傳熱特性的實驗裝置應能反映其原型最具代表的彎曲結構，且能實現全周向非均勻加熱。目前彎管內流動和傳熱特性研究主要針對特定彎曲角度或曲率半徑，尚無專門針對ITER裝置驅動的次臨界能源堆冷卻劑典型彎管內流動和傳熱特性相關研究。周向非均勻加熱管內流動傳熱特性研究主要采用半圓周均勻加熱半圓周絕熱的直管，主要研究對象為太陽能吸熱管和鍋爐傳熱管。現有裝置無法模擬ITER裝置驅動的次臨界包層冷卻劑彎曲通道周向非均勻加熱條件下流動和傳熱特性，需重新設計實驗裝置，為次臨界能源堆熱工設計和相關準則的建立提供實驗支撐。

發明內容

本發明的目的是提供次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，設計的實驗裝置可用于彎曲單通道全周向非均勻加熱條件下流動傳熱特性實驗研究和彎曲單通道周向均勻加熱條件下流動傳熱特性實驗研究，使得二者的研究數據具備對比分析條件，從而檢驗次臨界堆燃料包層熱工水力設計的合理性，進而制定相應的次臨界堆熱工安全準則，為ITER裝置驅動的次臨界能源堆燃料包層冷卻系統的設計提供參考。

本發明的實現方案如下：次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，包括彎曲的加熱單管，加熱單管的兩端連通有穩定直管，穩定直管遠離加熱單管的一端連通有螺紋接頭，螺紋接頭的外徑面套有螺紋法蘭，穩定直管外壁焊接有加電銅排，穩定直管還開有連通到穩定直管內部的引壓孔，其中，加熱單管為偏心彎管或同心彎管；偏心彎管內徑圓的圓心為O₁，偏心彎管外徑圓的圓心為O₂，O₁到O₂的距離大于零，O₁連接O₂的線段為線段O₁O₂，偏心彎管的外壁上焊接有多個熱電偶，熱電偶與偏心彎管的連接焊接點以線段O₁O₂為對稱軸進行對稱分布，偏心彎管外壁設置有絕熱保護結構；同心彎管內徑圓的圓心與同心彎管外徑圓的圓心重合于點X1，同心彎管的外壁上焊接有多個熱電偶，同心彎管外壁設置有絕熱保護結構。

設計的上述裝置可用于彎曲單通道全周向非均勻或均勻加熱條件下流動傳熱特性實驗研究，以檢驗次臨界堆燃料包層熱工水力設計的合理性，進而制定相應的次臨界堆熱工安全準則，為ITER裝置驅動的次臨界能源堆燃料包層冷卻系統的設計提供參考。