棒束通道硼输运测量系统

1.本发明涉及核反应堆的研究测量技术领域，具体而言，涉及一种棒束通道硼输运测量系统。


背景技术：

2.硼(b
10
)元素因其较大地中子吸收截面，会影响堆芯的中子通量。通常地，反应堆长期运行时，需要通过硼(以硼酸的形式)来控制堆芯反应性的变化。因此，准确地获得硼在堆芯不同区域的分布，对准确调节和控制反应堆的功率具有重要意义。
3.反应堆堆芯由包括燃料棒在内的多个开式子通道(四根燃料形成一个子通道)构成，燃料棒束构成的开式通道会使冷却剂在相邻子通道间存在动量和能量交换，即子通道交混。引起子通道两相交混现象的原因包括压差驱动的横向流动交混、空泡漂移和湍流交混。伴随着冷却剂在子通道交混作用下的能、质交换，硼浓度在不同子通道内具有差异。因此，要准确获得硼在不同子通道内的分布，需要明确横向流动交混、空泡漂移和湍流交混对硼输运带来的影响。
4.目前，大量研究还是集中在子通道间的单相湍流交换。采用交混系数β来表述交混的程度，而湍流交混系数的实验研究主要是测定湍流交混率，通常基于质量平衡法(示踪剂法)和能量平衡法(热扩散系数法)。其中，质量平衡法通过测定示踪剂浓度在子通道中沿轴向的变化来推算湍流交混率的有效值，而能量平衡法则是通过加热棒使周围子通道中的冷却剂升温，测量各子通道内的冷却剂在下游不同距离的地方或出口处温度，进而计算子通道间的湍流交混量。
5.如前所述，压水堆正常运行时，子通道间存在两相交混，引起子通道两相交混现象的原因除了湍流交混，还包括压差驱动的横向流动交混和空泡漂移，并且两相的湍流交混比单相湍流交混更加复杂，与两相的空泡份额相关。然而，针对两相交混现象的研究相当匮乏，无法明确横向流动交混、空泡漂移和湍流交混对硼输运带来的影响。


技术实现要素：

6.本发明的第一个目的在于提供一种棒束通道硼输运测量系统，以解决现有技术中针对两相交混现象对硼输运影响的研究不足的技术问题。
7.本发明提供的棒束通道硼输运测量系统，包括子通道棒束实验段、混合器、水支路、气支路和硼酸注入支路，所述子通道棒束实验段包括n根子通道棒，所述n为≥2的自然数，相邻的所述子通道棒之间设有连通区，所述混合器与所述子通道棒的底部连通，所述水支路、所述气支路和所述硼酸注入支路均与所述混合器连通。
8.本发明棒束通道硼输运测量系统带来的有益效果是：
9.通过设置多根子通道棒，可以模拟实际的反应堆中燃料棒之间的区域，而使得各个子通道棒之间只通过连通区连通，以控制子通道交混只发生在较小范围内，从而便于更加精确地测量子通道交混所在区域的情况，减少其它因素，诸如重力因素造成的影响。而采
用水支路、气支路和硼酸注入支路与混合器相连的方式，则可以模拟出实际的核反应堆中，含有硼酸的冷却剂因从燃料棒吸热而产生气泡的情形，以供实验之用。
10.优选的技术方案中，每根所述子通道棒均设置高度不同的至少两个取样口，每个所述取样口均连通电感耦合等离子质谱仪。
11.优选的技术方案中，所述棒束通道硼输运测量系统还包括高速摄像仪，所述高速摄像仪朝向所述连通区，所述连通区的材质为透明材质。
12.优选的技术方案中，所述棒束通道硼输运测量系统还包括微压差表，所述微压差表在高于所述连通区的位置连接相邻的所述子通道棒。
13.优选的技术方案中，每根所述子通道棒均设有所述混合器，每个所述混合器均分别独立地连通有供气装置和供液装置。
14.优选的技术方案中，每个所述供气装置包括串联设置的第一调节阀、气体流量计和第一止回阀，所述第一止回阀与所述混合器连接。
15.优选的技术方案中，所述气支路包括依次串联的空压机、第二止回阀、缓冲罐和减压阀，所述减压阀的出口连接n个所述第一调节阀。
16.优选的技术方案中，每个所述供液装置包括串联设置的第二调节阀和液体流量计，所述液体流量计与所述混合器连接。
17.优选的技术方案中，所述水支路包括串联的水箱、水泵和水压表，所述水压表的出口连接n个所述第二调节阀；所述硼酸注入支路包括依次串联设置的含硼水箱、注射泵和逆止阀，所述逆止阀的出口与n个所述第二调节阀连接。
18.优选的技术方案中，所述水泵的出口还通过截止阀连接所述水箱。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对实施例或背景技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的棒束通道硼输运测量系统的结构示意图；
21.图2为本发明实施例提供的棒束通道硼输运测量系统中的子通道棒束实验段的结构示意图；
22.图3为本发明实施例提供的棒束通道硼输运测量系统中的电感耦合等离子质谱仪测量硼浓度的结构示意图；
23.图4为本发明实施例的棒束通道硼输运测量系统中的高速摄影仪拍摄到的图像；
24.附图标记说明：
25.10-子通道棒；11-取样口；12-连通区；20-混合器；31-空压机；32-第二止回阀；33-缓冲罐；34-减压阀；41-水箱；42-水泵；43-水压表；44-截止阀；51-含硼水箱；52-注射泵；53-逆止阀；61-第一调节阀；62-气体流量计；63-第一止回阀；71-第二调节阀；72-液体流量计；81-微压差表；91-地漏。
具体实施方式
26.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.实施例一：
28.图1为本发明实施例提供的棒束通道硼输运测量系统的结构示意图；图2为本发明实施例提供的棒束通道硼输运测量系统中的子通道棒束实验段的结构示意图，其中对于连通区所处的局部进行了局部放大，局部放大图的下方是对连通区所在的子通道棒的横截面的剖视图。如图1和图2所示，本发明提供的棒束通道硼输运测量系统，包括子通道棒束实验段、混合器20、水支路、气支路和硼酸注入支路，子通道棒束实验段包括n根子通道棒10，n为≥2的自然数，相邻的子通道棒10之间设有连通区12，混合器20与子通道棒10的底部连通，水支路、气支路和硼酸注入支路均与混合器20连通。
29.其中，本实施例中，n为2。相应的连通区12则设置在相邻的两个子通道棒10之间。在另外的实现方式中，n可以为3或4或5或更大的自然数，具体大小取决于所希望研究的子通道的数量。例如，倘若核反应堆中，相邻的燃料棒采用正三角形分布，n也可以为3，三个子通道棒10成顶角为120
°
的等腰钝角三角形布局，连通区12设置在两腰上。或者n也可以为4，四个子通道棒10成正方形布局，连通区12设置在正方形的每条边上。
30.具体的，每根子通道棒10的内部截面为倒角十字形，或者理解成一个正方形在其四个角各挖去一个相同大小的四分之一圆，两个四分之一圆并不相接触。其中，每个四分之一圆对应于燃料棒的1/4部分。所以，每根子通道棒10的内部空间，可以模拟反应堆中的燃料棒之间的空间区域。
31.而连通区12则设置在相邻的子通道棒10高度方向上的中上部，混合器20则位于子通道棒10的底部，在各根子通道棒10的顶部设置回流口，流体自回流口流动至地漏91中，并进行后续处理。由于在实际的反应堆中，各个燃料棒之间的液体从燃料棒吸收热量后受热向上流动，所以连通区12、混合器20如此设置，可以充分模拟流体在核反应堆中的实际流动状况。
32.通过设置多根子通道棒10，可以模拟实际的反应堆中燃料棒之间的区域，而使得各个子通道棒10之间只通过连通区12连通，以控制子通道交混只发生在较小范围内，从而便于更加精确地测量子通道交混所在区域的情况，减少其它因素，诸如重力因素造成的影响。而采用水支路、气支路和硼酸注入支路与混合器20相连的方式，则可以模拟出实际的核反应堆中，含有硼酸的冷却剂因从燃料棒吸热而产生气泡的情形，以供实验之用。
33.如图2所示，优选的，每根子通道棒10均设置高度不同的至少两个取样口11，每个取样口11均连通电感耦合等离子质谱仪(图中未示出)。
34.需要说明的是，每根子通道棒10均设置高度不同的至少两个取样口11，指的是，每根子通道棒10中的至少两个取样口11高度是不同的，但是，各根子通道棒10的对应取样口11高度可以是相同的。例如，在两根子通道棒10、每根子通道棒10设置两个取样口11的情形中，两根子通道棒10的较低的取样口11高度相同，两根子通道棒10的较高的取样口11高度相同。
35.电感耦合等离子质谱仪对硼浓度的精度测量可以达到ppb(十亿分之一)，可以满
足计算湍流交混率的硼浓度的测量，具体如图3所示，图3中的横坐标，即为向1l去离子水中加入硼的实际重量，而纵坐标，则为利用电感耦合等离子质谱仪所测量的硼浓度，从图中可以看出二者是匹配的。
36.通过测量两个子通道棒10中的硼浓度，利用浓度平衡方程，可以计算得到湍流交混率。
[0037][0038]
上述方程中，i、j分别表示两个子通道棒10中的子通道，例如以图2所示为准，i表示左侧的子通道，j表示右侧的子通道，z表示子通道中的高度，相应的mi和mj则分别表示两个子通道中的质量流速。例如ci(z)表示，图2中左侧的子通道在z高度处的硼浓度，单位为mg/l。w’表示湍流交混率，后面的下角标的字母则表示反方向，例如w’ij
表示从图2所示的左侧子通道流向右侧子通道的湍流交混率。
[0039]
由于湍流交混不会引起临近的子通道间净质量的改变，所以：
[0040]
mi＝mj[0041]
w'
ij
＝w'
ji
＝w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0042]
将公式(2)代入(1)中：
[0043][0044][0045]
由于两个子通道中，取样口11的高度对应相等，所以，
[0046]
z＝z
1 ci(z)＝ci(z1) cj(z)＝cj(z1)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0047]
z＝z
2 ci(z)＝ci(z2) cj(z)＝cj(z2)
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0048]
将公式(4)和公式(5)，带入公式(3)，可以得到：
[0049][0050]
对于每个取样点，分别测量质量流速m，在每个子通道中不同高度处的硼浓度ci(z1)、ci(z2)、cj(z1)、cj(z2)以及轴向高度z1和z2，便可以通过公式(6)得到湍流交混率w’。其中，质量流速为每个子通道内的液相质量流速，单位是kg/m2s，由液相支路的液体流量计72测量。轴向高度z1和z2的单位是m，与z1和z2对应的取样口11设置在连通区12的上端和下端。
[0051]
通过在高度不同的采样口设置电感耦合等离子质谱仪，可以测量出不同高度的硼浓度，并且计算出湍流交混率，从而得出两相湍流交混所带来的硼浓度变化。
[0052]
图4为本发明实施例的棒束通道硼输运测量系统中的高速摄影仪拍摄到的图像。如图4所示，优选的，棒束通道硼输运测量系统还包括高速摄像仪(图中未示出)，高速摄像仪朝向连通区12，连通区12的材质为透明材质。
[0053]
通过设置高速摄像仪朝向连通区12，可以观察到连通区12中的空泡漂移，即为图4
中连通区12内虚线椭圆形所圈出的现象，进而可以分析空泡漂移对硼浓度的影响。
[0054]
如图2所示，优选的，棒束通道硼输运测量系统还包括微压差表81，微压差表81在高于连通区12的位置连接相邻的子通道棒10。
[0055]
其中，微压差表81所连接两根子通道棒10之间的位置高度相等，以避免高度差产生压差，为测量带来误差。
[0056]
通过在高于连通区12的位置设置微压差表81连接相邻的子通道棒10，可以测量发生横向流动交混之后，每根子通道棒10在连通区12上方的溶液的压强差，进而得到横向流动交混对硼浓度的影响。
[0057]
如图1和图2所示，优选的，每根子通道棒10均设有混合器20，每个混合器20均分别独立地连通有供气装置和供液装置。
[0058]
需要说明的是，每个混合器20均分别独立地连通有供气装置和供液装置，指的是，以具有两个子通道棒10，每个子通道棒10设置一个混合器20为例，一个混合器20连接一个供气装置和一个供液装置，另一个混合器20则连接另一个供气装置和另一个供液装置，两个混合器20所连接的供气装置和供液装置并不混用。
[0059]
通过为每根子通道棒10均设置混合器20并分别独立地连通供气装置和供液装置，可以分别控制进入每个混合器20中的气体流量和液体流量，从而在每个混合器20中，分别混合出不同气液流量构成的两相工况，进而在子通道棒10中获得不同的两相工况下的硼输运。
[0060]
如图1所示，优选的，每个供气装置包括串联设置的第一调节阀61、气体流量计62和第一止回阀63，第一止回阀63与混合器20连接。
[0061]
具体的，本实施例中，第一调节阀61、气体流量计62和第一止回阀63可以依次设置。当然，在另外的实现方式中，也可以按照气体流量计62、第一调节阀61和第一止回阀63的顺序依次连接。由于第一调节阀61和气体流量计62是串联的，所以流经第一调节阀61的流量也必然是气体流量计62的流量，气体流量计62也仍然能够准确反应该供气装置的流量。
[0062]
通过串联设置第一调节阀61和气体流量计62，可以利用第一调节阀61来调节每个供气装置中的气体流量，从而使得多个供气装置具有不同的气体流量，以与供液装置中不同的液体流量匹配而形成不同的两相工况。而设置第一止回阀63与混合器20连接，也可以防止混合器20中的两相混合物反向流动至气体流量计62和第一调节阀61中。
[0063]
如图1所示，优选的，气支路包括依次串联的空压机31、第二止回阀、缓冲罐33和减压阀34，减压阀34的出口连接n个第一调节阀61。
[0064]
其中，这里的n个第一调节阀61中的n，含义与上述的n根子通道棒10相同，由于有n根子通道棒10，每根子通道棒10均设置一个混合器20，而每个混合器20均独立地连接供气装置，所以减压阀34出口所连接的第一调节阀61的数量也是n个，即所有的第一调节阀61的入口端均是并联的，并与减压阀34的出口端连接。
[0065]
通过设置空压机31，将空气压缩后，经过第二止回阀送入到缓冲罐33中，可以防止空压机31的压力波动直接造成后续环节的气压波动，并经过减压阀34减压，从而输出到多个第一调节阀61中，由供气装置向混合器20供气。
[0066]
如图1所示，优选的，每个供液装置包括串联设置的第二调节阀71和液体流量计
72，液体流量计72与混合器20连接。
[0067]
通过串联设置第二调节阀71和液体流量计72，可以利用第二调节阀71来调节每个供液装置中的液体流量，从而使得多个供液装置具有不同的液体流量，以与供气装置中的气体流量匹配而形成不同的两相工况。
[0068]
如图1所示，优选的，水支路包括串联的水箱41、水泵42和水压表43，水压表43的出口连接n个第二调节阀71；硼酸注入支路包括依次串联设置的含硼水箱51、注射泵52和逆止阀53，逆止阀53的出口与n个第二调节阀71连接。
[0069]
其中，这里的n个第二调节阀71中的n，含义与上述的n根子通道棒10相同，由于有n根子通道棒10，每根子通道棒10均设置一个混合器20，而每个混合器20均独立地连接供液装置，所以水泵42的出口端和逆止阀53的出口端所连接的第二调节阀71的数量也是n个，即所有的第二调节阀71的入口端是并联的，并与水泵42的出口端和逆止阀53的出口端连接。
[0070]
具体的，水箱41中的水，可以是去离子水。
[0071]
通过串联的水箱41、水泵42和水压表43，可以利用水泵42从水箱41中抽取去离子水，并利用水压表43观测器压力，与注射泵52从含硼水箱51中抽取的硼酸溶液混合，综合含硼水箱51中的硼浓度、注射泵52的注射频率和液体支路的流速，调节出典型压水堆堆芯冷却剂的硼酸浓度——1300ppm。而止逆阀的设置，可以防止去离子水与硼酸溶液的混合物返回注射泵52和含硼水箱51，稀释含硼水箱51中的硼酸浓度，造成后续测试出现错误。
[0072]
如图1所示，优选的，水泵42的出口还通过截止阀44连接水箱41。
[0073]
通过在水泵42出口设置截止阀44连接水箱41，可以在第二调节阀71限制供液装置的流量时，使得水泵42的出水可以通过截止阀44回流至水箱41，避免水泵42压力过大而发生损坏。
[0074]
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
[0075]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0076]
上述实施例中，诸如“上”、“下”等方位的描述，均基于附图所示。
[0077]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
[0078]
因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。