液态金属反应堆热工水力特性实验系统

技术领域

本公开涉及液态金属反应堆热工水力特性实验技术领域，具体涉及一种液态金属反应堆热工水力特性实验系统。

背景技术

液态金属反应堆是一种以液态金属(如钠、铅、锑等)作为工质的核反应堆。它具有优异的热传导性能和较高的工作温度，因此被广泛应用于核能研究领域。然而，液态金属反应堆在运行过程中存在着热工水力问题，例如冷却剂循环、温度分布、流量分布等方面的特性需要被全面研究和评估。

相关技术中，对液态金属反应堆进行热工水力特性实验时所采用的实验系统的自然循环能力较差。

发明内容

本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本公开的目的在于提出一种液态金属反应堆热工水力特性实验系统，能够基于近似矩形设计有效提升自然循环能力。

为达到上述目的，本公开第一方面实施例提出的液态金属反应堆热工水力特性实验系统，其特征在于，包括：

主实验回路，用于进行液态金属反应堆热工水力特性实验，所述主实验回路为近似矩形设计，包括：加热段(1)、第一换热器(2)、缓冲罐(3)、电磁泵(4)以及流量计(5)，所述加热段(1)位于所述主实验回路的底部，所述第一换热器(2)位于所述主实验回路的顶部；

油冷却回路，用于导出所述主实验回路产生的热量，所述油冷却回路包括：导热油泵(6)、导热油罐(7)、所述第一换热器(2)、第二换热器(8)；

水冷却回路，用于导出所述油冷却回路产生的热量，所述水冷却回路包括：所述第二换热器(8)；

辅助气体工艺系统，包括：第一惰性气罐(9)、第二惰性气罐(10)、管道及阀门，所述第一惰性气罐(9)分别与所述缓冲罐(3)和储料罐相连，所述第二惰性气罐(10)与所述导热油罐(7)相连。

在本公开的一些实施例中，所述加热段(1)由外部包壳体和多个燃料棒模拟件构成，所述模拟件以预设排布方式布置，所述模拟件电缆接口及信号采集均置于底部，所述模拟件包含电加热段和非加热段。

在本公开的一些实施例中，所述第一换热器(2)为管壳式结构，管内流动液态金属，壳侧流动二次侧冷却工质导热油。

在本公开的一些实施例中，所述第一换热器(2)具有第一倾斜角度，以使所述第一换热器(2)内的液体金属在系统停止运行后自动回流至系统中位置最低的所述储料罐内，所述储料罐与尾气处理罐相连。

在本公开的一些实施例中，其中，

所述缓冲罐(3)，用于对所述主实验回路中的工质容积变化进行缓冲处理。

在本公开的一些实施例中，其中，

所述电磁泵(4)，用于驱动所述主实验回路中的工质进行流动循环。

在本公开的一些实施例中，其中，

所述流量计(5)，用于检测所述主实验回路中的工质流量情况。

在本公开的一些实施例中，其中，所述主实验回路外部配置有加热装置，所述加热装置用于保持所述主实验回路内部的工质温度。

在本公开的一些实施例中，其中，在所述油冷却回路进行冷却处理之前将所述导热油罐(7)中的导热油加热至预设温度，所述预设温度与所述主实验回路中的工质熔点温度相关。

在本公开的一些实施例中，所述系统还包括多个状态感知仪表，用于感知系统状态，所述多个状态感知仪表包括温度测量仪表和/或压力测量仪表。

本公开提供的液态金属反应堆热工水力特性实验系统，包括：主实验回路，用于进行液态金属反应堆热工水力特性实验，主实验回路为近似矩形设计，包括：加热段、第一换热器、缓冲罐、电磁泵以及流量计，加热段位于主实验回路底部，第一换热器位于主实验回路顶部；油冷却回路，用于导出主实验回路产生的热量，油冷却回路包括：导热油泵、导热油罐、第一换热器、第二换热器；水冷却回路，用于导出油冷却回路产生的热量，水冷却回路包括：第二换热器；辅助气体工艺系统，包括：第一惰性气罐、第二惰性气罐、管道及阀门，第一惰性气罐分别与缓冲罐和储料罐相连，第二惰性气罐与导热油罐相连。本公开的系统能够基于近似矩形设计有效提升自然循环能力。

本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

本公开上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本公开一实施例提出的液态金属反应堆热工水力特性实验系统的结构示意图；

图2是根据本公开提出的加热段模拟件和外部包壳的横切面示意图；

图3是根据本公开提出的加热段入口段结构示意图；

图4是根据本公开提出的电磁泵结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。相反，本公开的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

图1是本公开一实施例提出的液态金属反应堆热工水力特性实验系统的结构示意图。

如图1所示，该液态金属反应堆热工水力特性实验系统，包括：

主实验回路，用于进行液态金属反应堆热工水力特性实验，主实验回路为近似矩形设计，包括：加热段(1)、第一换热器(2)、缓冲罐(3)、电磁泵(4)以及流量计(5)，加热段(1)位于主实验回路的底部，第一换热器(2)位于主实验回路的顶部；

油冷却回路，用于导出主实验回路产生的热量，油冷却回路包括：导热油泵(6)、导热油罐(7)、第一换热器(2)、第二换热器(8)；

水冷却回路，用于导出油冷却回路产生的热量，水冷却回路包括：第二换热器(8)；

辅助气体工艺系统，包括：第一惰性气罐(9)、第二惰性气罐(10)、管道及阀门，第一惰性气罐(9)分别与缓冲罐(3)和储料罐相连，第二惰性气罐(10)与导热油罐(7)相连。

即是说，本公开实施例所提出的液态金属反应堆热工水力特性实验系统中，除了主实验回路之外还包括油冷却回路和水冷却回路，以及时导出主实验回路产生的热量，提升系统的稳定性。

本公开实施例中，为了防止导热油氧化，提高系统可靠性，延长寿命，导热油罐通入了惰性气体实现保护。

本公开提供的液态金属反应堆热工水力特性实验系统，包括：主实验回路，用于进行液态金属反应堆热工水力特性实验，主实验回路为近似矩形设计，包括：加热段、第一换热器、缓冲罐、电磁泵以及流量计，加热段位于主实验回路底部，第一换热器位于主实验回路顶部；油冷却回路，用于导出主实验回路产生的热量，油冷却回路包括：导热油泵、导热油罐、第一换热器、第二换热器；水冷却回路，用于导出油冷却回路产生的热量，水冷却回路包括：第二换热器；辅助气体工艺系统，包括：第一惰性气罐、第二惰性气罐、管道及阀门，第一惰性气罐分别与缓冲罐和储料罐相连，第二惰性气罐与导热油罐相连。本公开的系统能够基于近似矩形设计有效提升自然循环能力。

在本公开的一些实施例中，加热段(1)由外部包壳体和多个燃料棒模拟件构成，模拟件以预设排布方式布置，模拟件电缆接口及信号采集均置于底部，模拟件包含电加热段和非加热段。

即是说，本公开实施例中在冷却剂流动至电加热段前，可以预留一段流动充分发展段，保证在实验工况下，冷却剂已经达到稳定状态。主要用于研究铅冷快堆等液态金属冷却反应堆燃料棒在不同冷却剂流速、棒径、棒间距、搁架或绕丝结构等条件下的燃料棒与冷却剂间传热、燃料棒束流动阻力性能。

举例而言，如图2和图3所示，图2是根据本公开提出的加热段模拟件和外部包壳的横切面示意图，图3是根据本公开提出的加热段入口段结构示意图。

在本公开的一些实施例中，第一换热器(2)为管壳式结构，管内流动液态金属，壳侧流动二次侧冷却工质导热油。

在本公开的一些实施例中，第一换热器(2)具有第一倾斜角度，以使第一换热器(2)内的液体金属在系统停止运行后自动回流至系统中位置最低的储料罐内，储料罐与尾气处理罐相连。

即是说，本公开实施例中，第一换热器(2)在安装时，可以整体保持一定倾斜角度，保证系统停止运行后，换热器内铅铋等液态金属可以在重力的作用下，自动回流至系统中位置最低的储料罐内，以有效提升系统的自然循环能力。

本公开实施例中，当储料罐与尾气处理罐相连时，可以有效降低主实验回路系统液态金属蒸汽排入大气的浓度，从而提升系统的环保性。

在本公开的一些实施例中，其中，缓冲罐(3)，用于对主实验回路中的工质容积变化进行缓冲处理。

可以理解的是，当温度发生变化时，液态金属的体积也有可能发生变化，从而导致主实验回路中的压力产生变化，影响系统的安全性。本公开实施例中的缓冲罐(3)可以从其腔体上部充入一定压力的惰性气体。惰性气体既可以控制缓冲罐压力、进而对主实验回路系统压力进行控制，也可以实现对主实验回路系统液态金属工质的保护，防止接触空气、水等工质，发生氧化甚至剧烈化学反应，保证系统运行的安全性。

在本公开的一些实施例中，其中，电磁泵(4)，用于驱动主实验回路中的工质进行流动循环。

其中，电磁泵(4)是主实验回路系统流动的核心驱动部件，三相感应式，主要由附着在外侧管壁上的感应器线圈、感应器铁芯、内置铁芯等构成。其原理是当感应器线圈内通电后、会与内置圆柱形铁芯之间形成行波磁场，该磁场在液态金属中感应出电流，感应电流与磁场相互作用产生磁场力，从而在泵的进出口处产生推动液态金属运动的压力差。

举例而言，如图4所示，图4是根据本公开提出的电磁泵结构示意图。

在本公开的一些实施例中，其中，流量计(5)，用于检测主实验回路中的工质流量情况。

本公开实施例中，当基于流量计(5)检测主实验回路中的工质流量情况时，可以为系统控制过程提供可靠的参考信息。

在本公开的一些实施例中，其中，主实验回路外部配置有加热装置，加热装置用于保持主实验回路内部的工质温度。

可以理解的是，主实验回路内部流动工质的熔点通常较高，而实验过程中可能会发生工质温度下降的情况，本公开实施例中当在主实验回路外部配置加热装置时，可以保持主实验回路内部的工质温度，避免工质因温度下降而凝固，可以有效提升系统的稳定性。

在本公开的一些实施例中，其中，在油冷却回路进行冷却处理之前将导热油罐(7)中的导热油加热至预设温度，预设温度与主实验回路中的工质熔点温度相关。

可以理解的是，导热油罐(7)中的导热油的初始温度可能较低，如果直接用与第一换热器(2)进行换热处理，可能会导致主实验回路中的液态金属产生凝结现象，由此，本公开实施例中可以在油冷却回路进行冷却处理之前将导热油罐(7)中的导热油加热至预设温度，从而有效提升系统鲁棒性。

在本公开的一些实施例中，系统还包括多个状态感知仪表，用于感知系统状态，多个状态感知仪表包括温度测量仪表和/或压力测量仪表。

其中，温度测量仪表在图1中用T标注，压力测量仪表在图1中用P标注。

本发明所提出的液态金属反应堆热工水力特性实验系统至少包括如下特性：

从功能上，本系统可以用于研究燃料棒热工水力学特征、液态金属反应堆自然循环特性、强迫循环与自然循环之间的转捩特性、候选结构材料服役性能等。

燃料棒热工水力学特征研究方面。主实验回路加热段前后各设置一个压力测量点，用来测量燃料棒模拟件压力变化数值，研究液态金属反应堆燃料棒关键水力学规律和特征。燃料棒模拟体近壁面沿轴向、径向和轴向设置若干温度测量点，用于测量壁面接触处的液态金属温度值，为计算获得传热系数提供关键参数，即为热工特性研究。

自然循环特性研究方面。自然循环是指液态工质在冷热源作用下产生一定温差，在温差作用下，工质实现自然非能动的流动的一种现象，其循环流量的大小可以决定热源与冷源间热量交换的大小。而流量大小受工质密度、冷热源温度及管道内阻力值等因素决定。因此，为了提高流量从而提高自然循环能力，主实验回路系统设置尽量低阻力的设备及结构形式，主要有：1、主实验回路为近似矩形设计，减少弯头等高阻力值设计。2、动力泵采用无接触式电磁泵，与常规机械泵相比，电磁泵具有圆环式流道，可以显著降低阻力值。3、流量计为无接触式测量设计，与侵入式等测量方式相比，可以避免流道形状变化而引发的阻力增加的问题。4、加热段采用侧面进入、上部流出的设计，恰好借用了系统的矩形折弯结构，进一步降低了阻力值。

强迫循环与自然循环之间的转捩特性研究方面。对于液态金属反应堆，强迫循环和自然循环是两个重要的状态，而其之间的转捩过程中，系统会呈现不同的特性。为了研究转捩过程，本系统仅需关停电磁泵运行，即可高精度高频次观测关键部件温度、流量等变化情况。

候选结构材料服役性能研究方面。候选结构材料在高温下研究是重要内容之一。为了研究其服役特性，在主实验回路温度最高区域设置了材料冲刷结构，用以进行材料动态腐蚀性能研究。

实验方法上，主要包括系统启动前液态金属充入、系统性能实验和实验结束液态金属回流等三个阶段。

系统启动前准备阶段。对于储料罐内处于熔融状态下的液态金属，通过气体系统阀门开启等操作，在罐体顶部惰性气体压力作用下，缓慢加压，逐渐将罐体内液态金属压入主实验回路系统，待系统充满主实验回路系统后，关闭储料罐与气罐、流量计间阀门，具备开展性能实验条件。

系统性能试验阶段。依次启动水冷却回路、油冷却回路、主实验回路系统，保证整个系统内热量可以及时排出。通过主实验回路电磁泵的开启与关闭，可以获得燃料棒前后压力温度流量等数值、自然循环条件下工质流量、转捩流量变化情况等。

实验结束液态金属回流阶段。在此阶段，打开缓冲罐与气罐间阀门、流量计与储料罐间阀门，在重力的作用下，主实验回路系统内液态金属工质逐渐回流至系统最低点，即为储料罐。为了保证尽量排空系统，矩形回路系统水平段设置了一定的斜度。

欲保护点包括但不限于：

1、通过加热段、电磁泵等特殊设计，提出矩形流道设计方式。

2、通过关键系统设备集成，具备开展燃料棒传热、自然循环、材料服役性能研究的条件，形成一套综合性实验设施。

3、具备不同形式燃料棒、换热器等设备的测试能力，且加热段上游直管道可以替换为S形管道，通过外壁面敷装的加热装置、增加加热量，进一步提高液态金属温度范围，具备一定的拓展能力。

通过本发明，可以同时研究液态金属反应堆系统关键性能，1、正常运行工况下燃料棒传热特性、阻力特性。2、自然循环状态下，系统非能动堆芯热量导出能力。3、强迫循环工况到自然循环工况转捩过程中，系统的状态与运行规律。4、部分结构所用材料在管道内的服役性能。效果如下。

1.系统采用近似矩形设计，尽量降低系统阻力，以获得最大自然循环流量。提升自然循环能力，为改进液态金属反应堆设计、提升安全性提供基础数据与平台。

2.具备观测研究强迫循环与自然循环工况转捩特性的研究条件。系统仅需要在强迫循环工况下关闭电磁泵，即可获得转捩过程，通过测量仪表可以得到转捩过程流量、温度分布等重要参数。特别的，系统近似矩形设计，提高系统转捩后状态自然循环能力，可以更加明显观测转捩过程。

3.可以用于研究候选材料的动态腐蚀性能。候选材料设置在高温区域，可以研究高温条件下材料的耐腐蚀性能。

4.系统可以同时开展多项性能实验，是一个综合性实验台架。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

需要说明的是，在本公开的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本公开的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本公开的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本公开的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本公开各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定是指相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本公开的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本公开的限制，本领域的普通技术人员在本公开的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。