铅冷快堆过冷水与熔融铅合金相互作用压力特性实验系统的制作方法

1.本发明涉及铅冷快堆领域，具体涉及一种铅冷快堆过冷水与熔融铅合金相互作用压力特性实验系统。


背景技术：

2.相对于前三代核电技术，第四代核电技术具有安全性更好、经济性更高、核废物产生量少以及能有效防止核扩散等优点。2001年成立的“第四代核能系统国际论坛”选定了六种最具发展前景的第四代反应堆堆型，其中铅冷快堆因具备良好的增殖核燃料和嬗变核废料潜力以及拥有突出的经济性和安全性，被认为有望率先实现工业示范化。铅冷快堆是指采用液态铅或铅铋作为冷却剂的快中子反应堆。我国政府高度重视铅冷快堆等先进核能系统的研发。
3.蒸汽发生器是铅冷快堆系统中最核心的热交换设备，是一、二回路的枢纽。目前，铅冷快堆多采用池式结构设计，蒸汽发生器、主泵等设备与堆芯一起浸没在一回路主容器冷却剂内。这种设计省去了中间回路，简化了反应堆的结构，使得堆芯设计较紧凑，提高了经济性。为便于传热，蒸汽发生器存在大量壁薄、细小的传热管。二回路加压水通过传热管管侧引入主容器与壳侧高温液态铅合金进行热量交换，使得水与液态铅合金只有传热管一壁之隔。由于传热管两侧具有较大的温差和压差，容易产生较大的机械应力和热应力，加上一、二回路流体的振动和腐蚀作用，使得发生蒸汽发生器传热管破裂(steam generator tube rupture,sgtr)事故的风险不容忽视。一旦sgtr事故发生，二回路加压水将直接喷射到一回路低压高温液态铅合金中，虽然一回路冷却剂铅或铅铋与水不发生剧烈的化学反应，但是他们之间依然存在着强烈的相互作用，如高压水迅速沸腾、蒸汽爆炸等。
4.目前，国际上一般认为，铅冷快堆蒸汽发生器传热管破口事故中高压水与液态铅合金相互作用大致可分为四个阶段：第一阶段，由于压力骤然下降，高压水急速沸腾(闪蒸)，产生瞬时压力冲击波；第二阶段，由于接触界面水力不稳定性，水/蒸汽在液态铅合金中破碎，形成弥散的水滴
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蒸汽
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熔融铅合金混合物，同时液态重金属发生晃动，对堆内构件造成冲击；第三阶段，发生水滴
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熔融铅合金相互作用(coolant
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coolant interaction,cci)，水滴迅速蒸发，甚至引发蒸汽爆炸；第四阶段，在浮力、流动液态铅合金曳力以及泵吸引力等作用下，蒸汽泡可能向堆芯迁移，带来潜在的正反应性，并可能恶化堆芯换热。铅冷快堆sgtr事故带来的危害包括：迅速沸腾或蒸汽爆炸产生的压力波通过在液态金属中传播可能对反应堆压力容器和堆内构件造成严重冲击；单一传热管破裂可能导致相邻管道发生破损；产生的蒸汽可能进入堆芯引发反应性扰动，并恶化堆芯换热。
5.因此，对铅冷快堆蒸汽发生器传热管破口事故中二回路过冷水第一阶段高压水柱和第三阶段液滴或液块与熔融铅合金相互作用压力特性进行研究，对于改进铅冷快堆的安全性评价以及堆内关键安全设施的设计具有重要的意义。


技术实现要素：

6.本发明为解决上述的技术问题而提供一种铅冷快堆过冷水与熔融铅合金相互作用压力特性实验系统，通过再现铅冷快堆蒸汽发生器传热管破口事故中二回路水与熔融铅合金的相互作用过程，便于技术人员对相关作用的机理进行研究，对于改进铅冷快堆的安全性评价以及堆内关键安全设施的设计具有重要的意义。
7.为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
8.一种铅冷快堆过冷水与熔融铅合金相互作用压力特性实验系统，包括反应容器、水运输模块、加热模块、数据采集模块以及控制模块，所述水运输模块包含有与铅冷快堆蒸汽发生器传热管破口事故中高压过冷水与液态铅合金相互作用的第三阶段和第一阶段分别对应的常压水运输子模块和高压水柱注射子模块。
9.作为优选，所述常压水运输子模块包括电机、丝杆和玻璃瓶，所述丝杆竖直向下设置，所述玻璃瓶连接在丝杆下端，所述丝杆与所述电机连接，所述电机与所述控制模块电性连接。
10.作为优选，所述高压水柱注射子模块包括稳压器和连接管，所述连接管一端与稳压器连接，所述连接管另一端伸入所述反应容器内。
11.作为优选，所述丝杆内部中空，所述丝杆内部设置有温度变送器，所述温度变送器位于玻璃瓶内，所述温度变送器通过数据采集模块与控制模块电性连接。
12.作为优选，所述连接管靠近稳压器处和/或靠近反应容器处设置有手动阀门，所述连接管中间位置设置有电磁阀，所述电磁阀与控制模块电性连接，所述连接管上设置有流量计、温度变送器和压力变送器，所述电磁阀、温度变送器和压力变送器均通过数据采集模块与控制模块电性连接，所述稳压器顶端设置有第一气体进口和第一气体出口，所述进气口连有高压气瓶，所述高压气瓶配置为给稳压器提供压力，所述稳压器侧壁上安装有压力表和压差计。
13.作为优选，所述反应容器内设置有隔热筒，所述隔热筒悬吊于反应容器内，所述隔热筒的顶端设有端盖，所述端盖上设置有第二气体进口和第二气体出口和设备进出口，所述设备进出口用于供玻璃瓶或连接管进出。
14.作为优选，所述加热模块还配置为用于对稳压器加热。
15.作为优选，所述连接管外表面包覆有高温绝热涂层，所述高温绝热涂层位于反应容器内。
16.作为优选，所述反应容器的底部设置有不锈钢水平碎裂面，所述不锈钢水平碎裂面背面设置有竖直支撑杆，所述竖直支撑杆与反应容器底部为螺纹连接。
17.工作过程如下：反应容器内盛有一定含量的铅合金，控制模块控制加热模块使其对反应容器进行加热后，熔化的铅合金模拟一回路冷却剂熔融铅合金液池；此时控制模块通过控制水运输模块将水运输至反应容器内，其中水用于模拟二回路冷却剂过冷水。
18.当运输至反应容器内的水与熔化的铅合金接触后，即开始对铅冷快堆sgtr事故时二回路冷却剂水进入一回路与一回路熔融铅合金相互作用的模拟，此时安装在反应容器内壁上的数据采集模块采集反应容器内的温度和压力环境数据并将其传输至控制模块，供技术人员进行研究。
19.本发明的有益效果为：水运输模块有两种模式，可以分别模拟铅冷快堆蒸汽发生
器传热管破口事故中高压水与液态铅合金相互作用的第一和第三阶段。
20.常压水运输模式中的玻璃瓶其容积和形状可以根据实验需求定制，玻璃材料制作容器的工艺较成熟，因此该方案可以可靠地模拟水滴
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熔融铅合金相互作用中水滴大小和形状对cci过程的影响。
21.玻璃瓶与置于反应容器底部的不锈钢碎裂面撞击过程中瓶的瞬间破碎和水的瞬间完全释放可以得到充分保证。同时，水的释放位置主要受不锈钢碎裂面安装位置的影响，而该安装位置可以通过改变竖直支撑杆的有效支撑长度轻松实现。此外，相对金属容器壁，玻璃的隔热效果较好，因此玻璃瓶向下输送过程中能维持其瓶内水温基本不变。玻璃瓶内设有温度变送器，可以准确监测玻璃瓶内水的温度变化。
22.高压水柱注射模式时，为对注射入反应容器内水柱的尺寸和截面形状以及水与铅合金相互作用的位置进行控制，连接管其管径、形状和长度设有多种不同规格；连接管上设置有温度变送器与压力变送器，方便实时监测水运输过程中的温度与压力数据；连接管路中设置有电磁阀，通过与控制模块电性连接，从而在控制模块可以随时开启或关闭高压水注射管路。
23.连接管在反应容器内的部分其外表面包覆有高温绝热涂层，从而能有效防止高压水柱释放时不锈钢连接管内的初始水温变化过大。
24.反应容器内壁上设有多路温度变送器和压力变送器以采集熔融铅合金液池和覆盖气体的温度与压力数据。基于采集的数据可以迅速确定铅合金
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水的接触时刻、反应持续时间以及计算反应中释放的熔体冲量和机械能等信息。
25.通过再现铅冷快堆蒸汽发生器传热管破口事故中二回路水与熔融铅合金的相互作用过程，便于技术人员对相关作用的机理进行研究，对于改进铅冷快堆的安全性评价以及堆内关键安全设施的设计具有重要的意义。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明一种铅冷快堆过冷水与熔融铅合金相互作用压力特性实验系统的模块连接图。
28.图2为本发明一种铅冷快堆过冷水与熔融铅合金相互作用压力特性实验系统的常压水运输子模块的示意图。
29.图3为本发明一种铅冷快堆过冷水与熔融铅合金相互作用压力特性实验系统的高压水柱注射子模块的示意图。
30.图4为常压水块与熔融铅合金相互作用试验示例。
31.图中：
32.10、反应容器；11、隔热筒；12、端盖；121、第二气体进口；122、第二气体出口；111、冷却水管路；13、不锈钢水平碎裂面；14、竖直支撑杆；
33.20、水运输模块；21、常压水运输子模块；22、高压水柱注射子模块；211、电机；212、
丝杆；213、玻璃瓶；221、稳压器；222、连接管；223、手动阀门；224、电磁阀；225、压力表；226、压差计；227、第一气体进口；228、第一气体出口；229、流量计。
34.30、加热模块；31、温控器；32、加热棒；
35.40、数据采集模块；41、温度变送器；42、压力变送器；
36.50、控制模块；
37.60、支架；
38.70、保护容器。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
40.在实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
41.另外，在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，安装、连接和相连等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
42.实施例1
43.如图1和2所示，一种铅冷快堆过冷水与熔融铅合金相互作用压力特性实验系统，包括反应容器10、水运输模块20、加热模块30、数据采集模块40以及控制模块50，水运输模块20包含有与铅冷快堆蒸汽发生器传热管破口事故中高压过冷水与液态铅合金相互作用的第三阶段和第一阶段分别对应的常压水运输子模块21和高压水柱注射子模块22。数据采集模块40包括设置在反应容器10内壁上的温度变送器41、压力变送器42、信号放大器(未图示)和模数转换器(未图示)，温度变送器41、压力变送器42通过信号放大器、模数转换器与控制模块50连接，反应容器10呈柱状，其底端密封，顶端开口。
44.在本实施例中，常压水运输子模块21包括电机211、丝杆212和玻璃瓶213，丝杆212竖直向下设置，玻璃瓶213连接在丝杆212下端，丝杆212电机211连接，电机211与控制模块50电性连接。该模块对应蒸汽发生器传热管破口事故中高压水与液态铅合金相互作用的第三阶段。
45.在本实施例中，还包括一支架60，反应容器10、丝杆212和电机211均安装在支架60上。
46.在本实施例中，还包括一保护容器70，反应容器10和支架均位于保护容器70内。
47.在本实施例中，丝杆212内部中空，丝杆212内部设置有温度变送器(未图示)，温度变送器位于玻璃瓶213内，该温度变送器通过信号放大器和模数转换器与控制模块50电性连接。
48.在本实施例中，反应容器10内设置有隔热筒11，隔热筒11悬吊于反应容器10内，隔
热筒11的顶端设有端盖12，端盖12上设置有第二气体进口121、第二气体出口122和设备进出口(未图示)，设备进出口用于供玻璃瓶213进出。实验开始前通过往端盖12上设置的第二气体进口121注入惰性气体将反应容器10内的空气排空。
49.隔热筒11筒壁为双层结构，壁腔内形成有冷却水管路111，冷却水管路111连接有冷却水补给器(未图示)，冷却水补给器可以精确自动调节冷却水的流量等参数，从而确保筒内玻璃瓶213中水的温度在合理范围内。
50.隔热筒11底部设有铝箔(未图示)，既能在加热阶段隔离热辐射，又能确保在玻璃瓶213向下运输时极易被刺穿。
51.隔热筒11壁腔内设置的冷却水管路111以及底部的铝箔，可以防止加热过程中玻璃瓶213内水由于热辐射温度快速上升，从而确保初始水温在合理范围内。
52.在本实施例中，反应容器10的底部设置有不锈钢水平碎裂面13，不锈钢水平碎裂面13背面设置有竖直支撑杆14，竖直支撑杆14与反应容器10底部为螺纹连接。通过控制模块50可以控制电机211运转，从而带动丝杆212在竖直方向移动，进而将丝杆212下端连接的玻璃瓶213送入反应容器10内的熔融铅合金液池中。当玻璃瓶213与置于反应容器10底部的不锈钢水平碎裂面13接触撞击并破碎，其内盛有的水将瞬间释放出并与周围熔融铅合金相互作用。玻璃瓶213与置于反应容器10底部的不锈钢水平碎裂面13撞击过程中瓶的瞬间破碎和水的瞬间完全释放可以得到充分保证。同时，水的释放位置主要受不锈钢水平碎裂面13安装位置的影响，而该安装位置可以通过改变竖直支撑杆14的有效支撑长度轻松实现。此外，相对金属容器壁，玻璃的隔热效果较好；当玻璃瓶213向下运输时，玻璃瓶213通过撞击不锈钢水平碎裂面13造成瞬间破碎，从而完成瓶内所盛装冷却剂水的瞬间释放。通过螺纹连接可以自由旋进或旋出竖直支撑杆14，从而改变竖直支撑杆14的有效支撑长度，进而达到改变不锈钢水平碎裂面13的位置和玻璃瓶213内冷却水释放位置的目的。
53.反应容器10内壁上的多个温度变送器41和多个压力变送器42，多个温度变送器41和多个压力变送器42设置在不同高度上。
54.其中，设置在低于反应容器10内熔融铅合金液面位置的温度、压力变送器42可以测量反应容器10内熔融物的温度和压力参数；
55.其中，设置在高于反应容器10内熔融铅合金液面位置的温度、压力变送器42可以测量反应容器10内覆盖气体的温度和压力。
56.加热模块30包括温控器(未图示)和电炉(未图示)，电炉(未图示)设置在反应容器10的下方，加热面与反应容器10的底面贴合；电炉(未图示)与温控器电性连接，温控器与控制模块50电性连接。
57.如图2所示，玻璃瓶213向下输送过程中能维持其瓶内水温基本不变。另外，玻璃瓶213内还设有可以准确监测玻璃瓶213内水的温度变化的温度变送器。
58.反应容器10内设置有位置传感器(未图示)，位置传感器与控制模块50电性连接。在玻璃瓶213的传输过程中，位置传感器用于采集玻璃瓶213的实时位置信息并将其传输至控制模块50，控制模块50根据接收的信息来控制电机211的转动与否。通过位置传感器采集的位置信息来确定玻璃瓶213是否运输到位，或者确定玻璃瓶213是否已移出反应容器10。在具体的实施过程中，当玻璃瓶213随丝杆212向下运输至反应容器10内时，玻璃瓶213与安装在反应容器10底部的不锈钢水平碎裂面接触后会破碎，从而完成其内盛有的冷却剂水的
释放。
59.实施例2
60.如图1和3所示，一种铅冷快堆过冷水与熔融铅合金相互作用压力特性实验系统，包括反应容器10、水运输模块20、加热模块30、数据采集模块40以及控制模块50，水运输模块20包含有与铅冷快堆蒸汽发生器传热管破口事故中高压过冷水与液态铅合金相互作用的第三阶段和第一阶段分别对应的常压水运输子模块21和高压水柱注射子模块22。数据采集模块40包括设置在反应容器10内壁上的温度变送器41、压力变送器42、信号放大器和模数转换器，温度变送器41和压力变送器42通过信号放大器和模数转换器与控制模块50连接，反应容器10呈柱状，其底端密封，顶端开口。
61.在本实施例中，高压水柱注射子模块22包括稳压器221和连接管222，连接管222一端与稳压器221连接，连接管222另一端伸入反应容器10内。高压水柱注射子模块22对应蒸汽发生器传热管破口事故中高压水与液态铅合金相互作用的第一阶段。
62.在本实施例中，连接管222靠近稳压器221处和靠近反应容器10处均设置有手动阀门223，连接管222中间位置设置有电磁阀224，电磁阀224与控制模块50电性连接，连接管222上设置有流量计229、温度变送器41和压力变送器42，电磁阀224、温度变送器41和压力变送器42均通过信号放大器和模数转换器与控制模块50电性连接，稳压器221顶端设置有第一气体进口227和第一气体出口228，第一气体进口227连有高压气瓶(未图示)，高压气瓶配置为给稳压器221提供压力，稳压器221侧壁上安装有压力表225和压差计226。通过高压气瓶给稳压器221提供压力，稳压器221侧壁上安装有压力表225和压差计226，压力表225位置靠近上端用于测量稳压器221内气体区域压力，压差计226两端分别连接稳压器221气体部分和液体部分，通过压差计226读数可以计算出稳压器221内水池的高度，稳压器221中的水增压主要通过稳压器221顶端进气口连接的高压气瓶来实现，高压气瓶设计压力为15mpa，实验时通过控制模块50打开连接管222路中的电磁阀224，增压后的水便能通过连接管222注射至反应容器10内与熔融铅合金相互作用，实验中可以通过压差计226读数的变化量来计算注射入反应容器10内高压水的体积，当注入反应容器10内的水达到指定体积时，可以通过控制模块50关闭电磁阀224，停止往反应容器10内注入高压水。
63.在本实施例中，为了防止高压水柱释放前熔融铅合金流入连接管222内，连接管222末端出口处设置有堵头或单向阀，优先选用单向阀。
64.在本实施例中，加热模块30还配置为用于对稳压器221加热。加热模块30包含有加热棒32和温控器31，加热棒32用于加热稳压器221内高压水加热，加热棒32和温控器与控制模块50电性连接，通过温控器31可以控制加热棒32将稳压器221内的水加热至指定温度。
65.在本实施例中，加热模块30还包含有电炉(未图示)，电炉(未图示)设置在反应容器10的下方，加热面与反应容器10的底面贴合；电炉(未图示)与温控器电性连接，温控器与控制模块50电性连接。
66.在本实施例中，反应容器10设置有密封盖15，密封盖上设置有第二气体进口151、第二气体出口152和设备进出口(未图示)，设备进出口用于供连接管222进出。
67.在本实施例中，为防止连接管222内的初始水温变化过大，在连接管222外表面包覆有高温绝热涂层，高温绝热涂层位于反应容器10内。
68.实施例3
69.本实施了涵盖了实施例1和实施例2，其中不同的是反应容器10设置有两组，常压水运输子模块21和高压水柱注射子模块22分别运用在两个反应容器10上。
70.以上所述，仅为本发明的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。另外，如本文所用，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括结合冠词“该”引用的一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，术语“集”旨在包括一个或多个项目，例如相关项目、不相关项目、相关和不相关项目的组合等，并且可以与“一个或多个”互换使用。在仅意图一项的情况下，使用短语“仅一项”或类似语言。另外，如本文所用，术语“具有”及其变体等旨在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。另外，如在本文所用，术语“或”在被串联使用时意图是包括性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明，例如，如果与“或者”或“仅其中之一”结合使用。