[發(fā)明專利]一種可測量壁面溫度場的耐高溫環(huán)形電加熱棒

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111520253.8
• 申請日: 2021-12-13
• 公開（公告）號: CN114222383B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 桂淼;單建強;陳鎧東;吳攀;單嘉潤
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué);浙江青核軟件科技有限公司
• 主分類號: H05B3/40
• 分類號: H05B3/40;G21C17/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發(fā)明一種可測量壁面溫度場的耐高溫環(huán)形電加熱棒，包括環(huán)形金屬包殼、內(nèi)部發(fā)熱芯體、貫穿式上端塞和封閉式下端塞；環(huán)形金屬包殼包括由外至內(nèi)套裝的外包殼和內(nèi)包殼；內(nèi)部發(fā)熱芯體包括陶瓷芯、電熱絲和鎧裝熱電偶；陶瓷芯固定于外包殼和內(nèi)包殼之間，電熱絲采用直布式結(jié)構(gòu)布置于陶瓷芯的圓形貫穿孔道中，采用蛇形結(jié)構(gòu)依次穿過不同的圓形貫穿孔道進(jìn)行限位，鎧裝熱電偶布置于陶瓷芯邊壁處的半圓形貫穿孔道中，通過陶瓷芯的擠壓作用實現(xiàn)與外包殼和內(nèi)包殼的緊密接觸；貫穿式上端塞和封閉式下端塞分別設(shè)置在環(huán)形金屬包殼的頂部和底部。本發(fā)明填補了環(huán)形燃料熱工水力實驗中耐高溫實驗段關(guān)鍵部件的缺失，為開展環(huán)形燃料熱工安全實驗研究提供新的技術(shù)支持。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆熱工水力實驗技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可測量壁面溫度場的耐高溫環(huán)形電加熱棒。

背景技術(shù)

環(huán)形燃料是一種內(nèi)外面同時冷卻的核反應(yīng)堆新型燃料型式，與傳統(tǒng)棒狀燃料相比，具有傳熱路徑短、傳熱面積大、燃耗深度高、剛度大等諸多優(yōu)勢。采用環(huán)形燃料替代現(xiàn)有棒狀燃料，有望在保持或增進(jìn)現(xiàn)有反應(yīng)堆安全性能的前提下大幅提升堆芯功率密度。因此，環(huán)形燃料是高性能輕水堆核燃料元件的主要發(fā)展趨勢之一，具有良好應(yīng)用前景。我國在環(huán)形燃料自主化設(shè)計與研發(fā)方面已取得了顯著進(jìn)展，進(jìn)一步深入開展環(huán)形燃料在商用壓水堆中的熱工水力安全分析研究，是確保我國環(huán)形燃料實現(xiàn)自主化商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。

冷卻劑喪失事故(LOCA)一直是研究核反應(yīng)堆安全的重要對象，準(zhǔn)確模擬LOCA事故對反應(yīng)堆安全分析至關(guān)重要。LOCA事故中的再淹沒過程是整個事故中的重要階段，在此階段中，堆芯熱工水力現(xiàn)象復(fù)雜多變，棒束傳熱最差，導(dǎo)致燃料包殼溫度達(dá)到最高。因此，開展棒束再淹沒實驗研究、建立精確再淹沒模型是模擬LOCA事故的關(guān)鍵。

與傳統(tǒng)棒狀燃料相比，環(huán)形燃料具有開放通道與閉式通道并存、大棒徑小間隙、雙面冷卻等特征，其再淹沒過程的物理現(xiàn)象比傳統(tǒng)棒束組件更為復(fù)雜，現(xiàn)有基于棒狀燃料開發(fā)的再淹沒模型對環(huán)形燃料不再適用。由于缺乏對環(huán)形燃料再淹沒物理過程的深入研究，目前，對環(huán)形燃料再淹沒關(guān)鍵傳熱規(guī)律及機理認(rèn)識不夠深入，缺少適用于環(huán)形燃料LOCA事故分析的再淹沒模型。為了進(jìn)一步開展環(huán)形燃料事故分析工作，確保準(zhǔn)確模擬環(huán)形燃料LOCA事故進(jìn)程，有必要開展環(huán)形燃料再淹沒實驗研究，探究環(huán)形燃料再淹沒過程特有的物理規(guī)律，建立精確的環(huán)形燃料再淹沒物理模型，為環(huán)形燃料工程化安全分析軟件的開發(fā)和驗證提供關(guān)鍵參考。

在開展再淹沒等反應(yīng)堆熱工水力實驗研究時，常用幾何尺寸相同的電加熱棒模擬反應(yīng)堆燃料棒。根據(jù)電加熱方式的不同，電加熱棒可分為直接加熱棒和間接加熱棒，前者直接使加熱棒金屬外包殼通電，利用焦耳熱形成一定的熱流密度，常用于高熱流密度或恒熱流邊界條件的熱工實驗，如臨界熱流密度實驗；后者在加熱棒內(nèi)部布置發(fā)熱絲，并通過絕緣且導(dǎo)熱性能良好的金屬陶瓷隔絕電熱絲與金屬外包殼并導(dǎo)出熱量，常用于模擬事故工況或?qū)^緣要求較高的實驗，如再淹沒實驗。在加熱棒內(nèi)部，通常需布置熱電偶用于壁面溫度的測量。

針對模擬傳統(tǒng)燃料棒的棒狀電加熱棒的設(shè)計與加工已較為成熟，被廣泛應(yīng)用于再淹沒、臨界熱流密度和湍流交混等實驗研究中。為開展環(huán)形燃料再淹沒實驗研究，需采用模擬環(huán)形燃料的間接電加熱棒，而關(guān)于環(huán)形間接電加熱棒的設(shè)計加工并未見公開報道。由于采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，棒狀電加熱棒常用的加工方式和結(jié)構(gòu)對環(huán)形加熱棒均不再適用。環(huán)形燃料包含內(nèi)外兩個通道且內(nèi)外包殼的間隙較小，導(dǎo)致等尺寸設(shè)計的環(huán)形電加熱棒內(nèi)部空間十分局促，為發(fā)熱絲和熱電偶在環(huán)腔內(nèi)的布置和導(dǎo)線引出帶來極大難度。同時，再淹沒實驗對加熱棒壁面溫度的要求較高，高溫易引起加熱棒內(nèi)部電熱絲出現(xiàn)熱膨脹并斷裂，同時對加熱棒內(nèi)部的導(dǎo)熱和絕緣性能的提出了極高的要求。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，滿足實驗需要，本發(fā)明的目的是提供一種可測量壁面溫度場的耐高溫環(huán)形電加熱棒。本發(fā)明填補了環(huán)形燃料熱工水力實驗中耐高溫實驗段關(guān)鍵部件的缺失，為開展環(huán)形燃料熱工安全實驗研究提供新的技術(shù)支持。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：