一种反应堆模拟电加热棒

技术领域

本发明属于核电领域，具体涉及一种反应堆模拟电加热棒。

背景技术

压水堆核电厂一回路中的流体含气率低，根据大容器沸腾曲线规律，当达到偏离核态沸腾规律点后很容易发生沸腾临界，热流密度将导致燃料棒界面温度骤然升高近千摄氏度导致快速烧毁事故，严重威胁核电厂的系统安全。临界热流密度的机理复杂，难以通过理论计算或仿真模拟的方式获得准确数据，因此通常需要开展模拟试验测定不同试验工况下的相关数据。核反应堆热工水力试验通常采用电加热棒模拟燃料棒放热，通过流动换热系数作为试验条件判断工况，但是流动换热吸收无法直接测量，而需要通过测量加热棒的壁体温度来间接推算得到流动换热系数。由于将热电偶布置在电加热棒外壁会干扰流场产生卡门漩涡影响试验数据的准确性，因此需要将热电偶布置在加热棒的内壁面来实现温度测量。但是，加热棒结构细长，无法直接观察，难以确定热电偶是否贴合壁面，如果热电偶的安装不到位会导致温度测量不准确，影响试验的置信度。因此，提供一种能够准确测量壁体的温度的电加热棒对于提高一回路临界热流密度试验数据准确性有积极意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反应堆模拟电加热棒，提高表面壁体温度的测量精度。

根据本发明的实施例，提供一种反应堆模拟电加热棒，包括壳体和芯棒，所述芯棒包括加热器，所述壳体包覆在所述芯棒外侧。其中，所述反应堆模拟电加热棒还包括温度测量模块，所述温度测量模块包括弧形弹性支架与多个温度传感器，所述多个温度传感器固定连接在所述弧形弹性支架的外周侧；所述温度测量模块设置在所述芯棒与所述壳体之间，所述弹性支架使所述温度传感器抵接于所述壳体的内壁表面。

弧形弹性支架安装在壳体内产生弹性变形，通过弹性变形将温度传感器压紧在壳体的内壁表面能够确保温度测量的准确性，避免温度传感器与壳体内壁表面脱离导致的温度测量误差。通过对壳体内壁温度的测量能够根据壳体的导热性能计算得到壳体外表面的温度，从而得到电加热棒的准确工况。

进一步地，在部分实施例中，所述弧形弹性支架采用不锈钢和/或铜合金制造，所述多个温度传感器配置为铠装热电偶，所述多个温度传感器与所述弧形弹性支架成焊接连接。

进一步地，在部分实施例中，所述弧形弹性支架周向外侧设置有安装槽，所述温度传感器穿设在所述安装槽中。

进一步地，在部分实施例中，每个所述弧形弹性支架上设置有至少三个所述温度传感器，所述温度传感器沿所述弧形弹性支架的周向均匀排布。

进一步地，在部分实施例中，所述加热器配置为加热丝，所述加热丝采用铁铬铝合金或镍铬合金。

进一步地，在部分实施例中，所述芯棒采用氮化硼、氧化镁或氧化铝中的一种或多种制造，所述加热器穿设于所述芯棒内。

进一步地，在部分实施例中，所述壳体采用镍合金、不锈钢或锆合金制造。

进一步地，在部分实施例中，所述壳体轴向一端配置为半球形封头，另一端配置为密封接头，所述加热器的导线由所述密封接头引出。

进一步地，在部分实施例中，所述导线外设置有刚玉管绝缘层。

进一步地，在部分实施例中，所述反应堆模拟电加热棒包括多个温度测量模块，所述多个温度测量模块沿所述模拟电加热棒的轴向排布。

附图说明

图1为一个实施例中反应堆模拟电加热棒结构示意图；

图2为一个实施例中温度测量模块轴截面结构示意图。

上述附图的目的在于对本发明作出详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。为了表达简洁，上述附图仅示意性地画出了与本发明技术特征有关的结构，并未严格按照实际比例画出完整结构与全部细节。

具体实施方式

下面通过具体实施例结合附图对本发明作出进一步的详细说明。

本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。

本文的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，可以是活动连接，也可以是固定连接或成一体。对本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

本文的描述中，“上”、“下”、“左”、“右”、“横向”、“纵向”、“高度”、“长度”、“宽度”等指示方位或位置关系的术语目的在于准确描述实施例和简化描述，而非限定所涉及的零件或结构必须具有特定的方位、以特定方位安装或操作，不能理解为对本文中实施例的限制。

本文的描述中，“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同对象，而不能理解为指示相对重要性或限定所描述技术特征的数量、特定顺序或主次关系。本文的描述中，“多个”的含义是至少两个。

目前，反应堆模拟电加热棒的温度测量通常采用从端部在壳体内塞入热电偶的方式进行，但是由于电加热棒壳体直径较小，热电偶塞入后处于不可见的状态，无法确定热电偶是否贴合壳体壁面。当热电偶与壳体之间存在间隙，会导致温度测量不准确，进而影响临界热流密度试验数值的准确性，影响核电厂系统安全性的评估。

为了解决上述问题，本发明的实施例提供一种反应堆模拟电加热棒，能够准确测量试验过程中壳体的温度。该模拟电加热棒结构如图1所示，包括：管状壳体2，为了准确模拟反应堆中的实际工况，壳体2选择与待模拟的反应堆中燃料棒相同的尺寸与材料，在不同实施例中可以采用镍合金、不锈钢或锆合金等；壳体2底部为半球形封头1，顶部为密封接头8，半球形封头1焊接在壳体2端部形成封闭，密封接头8与壳体2之间通过安装螺纹部件7连接在一起，密封接头8设置有轴向贯穿通孔以容许引线穿过；壳体2内设置有芯棒3，芯棒3由多块陶瓷块体拼接而成，在不同实施例中可以采用氮化硼、氧化镁或氧化铝中的一种或多种制造；芯棒3内设置有管状通道，加热丝4穿设在管状通道内并沿轴向延伸；芯棒3与壳体2之间设置有一个或多个温度测量模块5用于测量壳体2的内壁温度；加热丝4与温度测量模块5的导线6通过密封接头8穿出，并通过引出线9接出，在优选实施例中加热丝4的导线6采用银合金或铂合金等低电阻的金属丝制造，导线6外设置有刚玉管绝缘层以避免短路。

温度测量模块的轴截面结构如图2所示，包括弧形弹性支架10和周向设置在弧形弹性支架10上的多个铠装热电偶11。在优选实施例中，弧形弹性支架10周向等间隔设置有多个安装槽12，铠装热电偶11通过焊接固定在安装槽12内。弧形弹性支架10本身具有弹性，其自由延伸状态下的半径略大于壳体2的内径，在将弧形弹性支架10压缩装入壳体2后，由于弧形弹性支架的弹性变形以及加热后芯棒3的热膨胀，每个铠装热电偶11都能够被压紧在壳体2的内表面，从而确保热电偶能够对壳体2的温度进行准确的测量。

在一个优选实施例中，反应堆模拟电加热棒的结构如图1所示，壳体2、半球形封头1和密封接头8均采用镍合金制造，其中壳体2与半球形封头1通过焊接连接在一起，壳体2则通过氩弧焊焊接在壳体2端部的由304不锈钢制造的安装螺纹部件7与密封接头8连接，从而为内部结构提供支撑并模拟真实工况下燃料棒的外部结构。芯棒3采用氮化硼陶瓷制造，内部设置有两个大致成圆柱形的通道，两通道在靠近半球形封头1一侧相连通，通道直径略大于电热丝4的直径并预留一定的热膨胀冗余，电热丝4由一条通道穿入，沿芯棒3轴向延伸至靠近半球形封头1的末端后经由另一通道折回。电热丝4采用铁铬铝合金或镍合金制造，电热丝4的两端分别与铂合金导线6连接，导线6外设置有刚玉管作为绝缘层，以避免工作过程中发生短路。导线6穿过密封接头8并由引出线9引出。在壳体2与芯棒3之间设置有温度测量模块5，温度测量模块5的结构如图2所示，包括成半弧形的弧形弹性支架10与焊接固定在弧形弹性支架10上的铠装热电偶11。其中，弧形弹性支架10本体由304不锈钢制造，并在周侧设置有3个由铜合金片形成的C形安装槽12，安装槽12等间距排布，铠装热电偶11焊接在安装槽12内。在不同实施例中，沿壳体2的轴向，温度测量模块5可以设置一个也可以设置多个。在其他实施例中，弧形弹性支架10也可以整体由不锈钢或铜合金制造。

该模拟电加热棒的制造方法如下：提供各部分的零件，首先将铠装热电偶11装入弧形弹性支架10外周侧的安装槽12进行焊接固定，得到温度测量模块5；接下来在壳体2两端分别焊接半球形封头1与安装螺纹部件7；将温度测量模块5沿壳体2的轴向送入壳体2内部，装入温度测量模块5的过程中保持弧形弹性支架10与壳体2同轴，并将铠装热电偶11的导线6引出；在芯棒3中装入电热丝4，并将芯棒插入壳体2；安装密封接头8，将电热丝4与铠装热电偶11的导线6引出并与引出线9连接，使电热丝4接通电源，铠装热电偶11连接温度信号转换系统；通电预热，排出加热棒内的水蒸气等杂质气体，用密封胶对安装密封接头8的引线孔进行密封。

在试验过程中，电热丝4通电发热，并通过壳体2将热量输出至模拟的一回路冷却水中。在这一过程中，在弧形弹性支架10自身弹性变形、热膨胀以及芯棒3热膨胀的作用下，铠装热电偶11能够始终被压紧在壳体2的内表面，从而保持温度测量的准确性，提高临界热流密度试验结果的精度。

在不同实施例中，根据加热棒直径的不同，同一弧形弹性支架10上可以设置不同数量的铠装热电偶11，通常不超过4个。根据具体试验要求，当轴向上布置多个温度测量模块5时，不同温度测量模块5中的铠装热电偶11可以采用直线排布，也可以采用交错排布；不同温度测量模块5在轴向上的安装位置根据需要采集的轴向温度数据位点确定。

上述实施例中所提供的反应堆模拟电加热棒能够在试验过程中准确测量模拟电加热棒的壁体温度，提高测量试验的准确性，避免了常规模拟电加热棒使用过程中热电偶与壁体脱离导致的误差。

上述实施例的目的在于结合附图对本发明作出进一步的详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思。在本发明公开的范围内，对所涉及的零件结构及方法步骤进行优化或等效替换，以及在不发生结构与原理冲突的前提下对不同实施例中的实施方式进行结合，均落入本发明的保护范围。