一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置及演示方法

1.本发明创造属于能源动力行业核能应用演示与科普教育技术领域，尤其是涉及一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置及演示方法。


背景技术：

2.核能作为一种清洁高效的能源，目前已经广泛应用于发电领域，取得了良好的经济、环保和生态效益。与此同时，随着我国城镇化水平进程的加快，人们对生活质量要求的日益提高，冬季采暖供需矛盾加剧。尤其是当前我国采暖仍然依靠燃烧煤炭等化石能源为主，资源消耗大、运输成本高、碳减排压力巨大，亟需寻求一种高效清洁替代采暖能源。核能供热因而受到广泛关注，若能够应用于供热领域中，将有效改善我国能源结构并有望解决冬季因燃煤供热而产生的空气污染问题等。
3.国内核能研发机构设计了多种核能供热堆型，其中低温池式核供热堆由于固有安全性高、技术成熟、系统简单，具有“零”堆熔、“零”排放、易退役、投资少等显著特点，备受关注。低温池式核供热堆选址靠近居民区，在设计之初就已经充分考虑了安全性，采用燃料芯块，燃料包壳，反应堆冷却压力边界及反应堆堆芯深水池水下布置四道屏障，有效隔离放射性。即使发生最危险情况，深水池中的1800吨水也可以确保20多天堆芯不裸露，实现安全停堆。
4.但是由于核能本身的特殊性且低温池式核供热堆临近居民区，加之国内核能供热的科普程度低，主要以网页文字宣传和视频短片形式为主，形式单一、晦涩，民众对于核能供热的原理及其安全性能等并不十分理解，难以消除民众的恐核心理，造成群众对其的接受度普遍较低。因此为了向群众开展更高质量、及时有效的核科普宣传和教育，亟需设计一套专门用于低温池式核供热堆的科普宣传和可视化演示装置，生动直观的向民众展示低温池式核供热堆基本工作原理及其安全特性，更好的帮助民众消除顾虑，为未来核能供热应用奠定基础。
5.现有的一种用于核电站反应堆安全的科普教具及方法，其对核电站模型使用有色气体，来模拟核电站发生事故时放射性物质的扩散过程，将核电站三道安全屏障所发挥的作用，直观、生动地展示在大众面前。但是，所述发明专利针对的是常规壳式核电站，其反应堆结构及安全屏障设置与池式低温核供热堆有明显差别，同时，该科普装置无法演示池式低温核供热堆完整工作原理及其非能动安全手段。
6.又有一种核电站非能动冷却系统演示装置，包括安装基座，控制单元，以及通过循环管路相互连通的加热单元、冷却水箱和演示单元。所述

技术实现要素：
主要也是针对大型先进壳式压水反应堆非能动冷却系统进行原理演示，而非整体建模，由于池式低温核供热堆基本机构和安全系统设置与大型先进壳式压水反应堆相比有较大差异，因此该装置无法用于池式低温核供热堆基本供热原理以及其安全特性的可视化演示和科普宣传。
7.再有一种压水堆核电站非能动余热排出系统的演示装置，所述装置包括加热器、冷却装置、循环水管和控制系统。所述发明仅仅是针对压水堆核电站非能动余热排出系统
开展原理性演示，没有对特定的堆芯进行建模，从而无法详细演示某型号核反应堆工作原理和安全系统设置。由于池式低温核供热堆的特殊性和差异性，该发明同样无法用于其基本供热原理以及其安全特性的可视化演示和科普宣传。
发明内容
8.有鉴于此，本发明创造旨在提出一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置，以解决现有没有用于低温池式核供热堆的科普可视化及安全特性演示装置的问题。
9.为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
10.一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置，包括低温池式核供热堆本体模型1、循环回路2、透明板3、居民房屋模型4和装置台架5，低温池式核供热堆本体模型1设置在装置台架5的下方，循环回路2固定在装置台架5的下表面，透明板3铺设在装置台架5的上表面，居民房屋模型4放置于透明板3上；
11.低温池式核供热堆本体模型1包括透明外壳1-5、堆芯加热段1-4、上升筒1-3、顶盖1-2和自然循环瓣阀1-1，堆芯加热段1-4和上升筒1-3均同轴设置在外壳1-5内且上下布置，堆芯加热段1-4的底端固定在透明外壳1-5底部，堆芯加热段1-4的上端与上升筒1-3的底端连接，透明外壳1-5内壁与上升筒1-3外壁和堆芯加热段1-4外壁之间形成堆水池1-6，堆芯加热段1-4的底部设有若干连通堆水池1-6和堆芯加热段1-4内部的进水口，在堆芯加热段1-4内设有若干加热棒1-7，在堆水池1-6和堆芯加热段1-4内充满水，在透明外壳1-5的顶端安装顶盖1-2，在上升筒1-3的下部靠近堆芯加热段1-4处安装自然循环瓣阀1-1；
12.在循环回路2内充满水，所述循环回路2包括一回路回水管道2-2、一回路出水管道2-3、射流管道2-1、一回路水泵2-7、一回路换热器2-8、二回路水泵2-4、二回路管道2-5、二回路换热器2-6、三回路水泵2-9和供热管道2-10，所述一回路出水管道2-3一端与上升筒1-3的内壁连通，另一端与一回路换热器2-8的热端进口连通，一回路换热器2-8的热端出口与一回路回水管道2-2的一端连通，一回路回水管道2-2的另一端与外壳1-5的上部连通，一回路水泵2-7设置在一回路回水管道2-2上，在一回路回水管道2-2上连通射流管道2-1，射流管道2-1的出水口朝向自然循环瓣阀1-1，射流管道2-1射流时使自然循环瓣阀1-1关闭，一回路换热器2-8的冷端入口通过管道与二回路换热器2-6的热端出口连通，一回路换热器2-8的冷端出口与二回路换热器2-6的热端入口通二回路管道2-5连通，在二回路管道2-5上设置二回路水泵2-4，二回路换热器2-6的冷端入口与供热管道2-10的一端连通，二回路换热器2-6的冷端出口与供热管道2-10的另一端连通，在供热管道2-10上设置三回路水泵2-9，供热管道2-10设置在居民房屋模型4内。
13.更进一步的，所述低温池式核供热堆本体模型1用于演示反应堆安全供热，居民房屋模型4用于展示供热效果，亚克力透明板3为观察者展示循环回路2的工作。
14.更进一步的，所述堆芯加热段1-4为空心圆柱段，在空心圆柱段内均匀布置八根加热棒1-7。
15.更进一步的，在空心圆柱段的底部轴向均匀布置若干大进水口，在空心圆柱段的底端径向均匀布置若干小进水口。
16.更进一步的，在堆芯加热段1-4上、一回路出水管道2-3上、一回路回水管道2-2上、供热管道2-10上及居民房屋模型4内部均安装有温度传感器。
17.更进一步的，顶盖1-2与外壳1-5螺纹连接，自然循环瓣阀1-1采用m2螺丝螺母安装在堆芯加热段1-4一侧并可以旋转启闭。
18.更进一步的，在上升筒1-3内布置有与若干加热棒1-7连接的电线。
19.更进一步的，所述透明板3、堆芯加热段1-4为和透明外壳1-5的材质均为亚克力板。
20.更进一步的，所述射流管道2-1通过三通与一回路回水管道2-2相连通；供热管路2-10为蛇形管路。
21.本发明的另一目的是提供一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置的演示方法，具体包括
22.在演示正常工况时，加热棒1-7、各水泵正常运行，自然循环瓣阀1-1在射流管道2-1及内外压差作用下关闭，通过在堆芯加热段1-4、一回路出水管道2-3、一回路回水管道2-2、供热管道2-10、居民房屋模型4内部安装的温度传感器并利用数采系统对数据进行可视化处理后，为观者展示供热原理；
23.在演示事故工况时，加热棒1-7功率逐渐降低，一回路水泵2-7关闭，自然循环瓣阀1-1在失去射流管道2-1的出水压力后可观察到自然循环瓣阀1-1依靠自身重力打开，建立堆芯加热段1-4内部与堆水池1-6的自然循环，堆芯加热段1-4温度不再增长，展示反应堆的安全特性。
24.与现有技术相比，本发明创造所述的一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置的有益效果是：
25.(1)本发明创造所述的一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置，相对于其他反应堆的展示装置，该装置模拟了低温池式核供热堆的供热原理，其整体采用亚克力材质，可清晰展示反应堆内部结构、一回路、二回路、三回路以及各回路的换热，为观者直观的展示了供热的方式和原理。通过在堆芯加热段、堆芯外部的堆水池、一回路出水管道、一回路回水管道、供热管道以及居民房屋模型内安装温度测量装置并利用数采系统处理后展示，为观者直观的展现了各个回路的温度。
26.(2)本发明创造所述的一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置，同时低温池式核供热堆本体模型内部设计有自然循环瓣阀，通过控制一回路水泵以及堆芯加热段加热棒的功率来模拟反应堆事故情况下反应堆以非能动手段排出堆芯余热的方法，体现反应堆的安全特性，提高民众对于核能供热的接受性。自然循环瓣阀作为低温池式核供热堆的安全手段之一，在射流管道的作用下关闭，当反应堆主泵停转，自然循环瓣阀打开，实现堆芯内部与堆水池的自然循环，进而实现堆芯余热的非能动排出。
27.(4)在测试中，正常工况下，堆芯加热段温度为98℃，堆芯外部水池温度为68℃；当主泵即一回路水泵停止，堆芯加热段中加热棒功率逐渐下降的情况下，自然循环瓣阀打开后建立的自然循环可以使低温池式核供热堆本体模型内部最高温度不超过59℃，展现了反应堆的安全特性。
28.(5)本发明创造所述的一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置，可以应用于科普和教学，推广核能供热以及消除民众的恐核心理。
附图说明
29.构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
30.图1为本发明创造实施例所述的一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置的整体结构示意图；
31.图2为本发明创造实施例所述的一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置中的低温池式核供热堆本体模型的结构示意图；
32.图3为低温池式核供热堆本体模型内部结构连接方式示意图；
33.图4为本发明创造实施例所述的一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置中的加热棒安装于堆芯加热段的示意图；
34.图5为本发明创造实施例所述的一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置中的换热器内部结构示意图；
35.图6为本发明创造实施例所述的一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置中的低温池式核供热堆本体模型透视图。
36.附图标记说明：
37.1、低温池式核供热堆本体模型；1-1、自然循环瓣阀；1-2、顶盖；1-3、上升筒；1-4、堆芯加热段；1-5、外壳；1-6、堆水池；1-7、加热棒；2、循环回路；2-1、射流管道；2-2、一回路回水管道；2-3、一回路出水管道；2-4、二回路水泵；2-5、二回路管道；2-6、二回路换热器；2-7、一回路水泵；2-8、一回路换热器；2-9、三回路水泵；2-10、供热管道；3、透明板；4、居民房屋模型；5、装置台架。
具体实施方式
38.下面将结合附图对本发明创造的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。
39.在本发明创造的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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创造和简化描述，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创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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发明创造中的具体含义。
41.此外，下面所描述的本发明创造不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
42.如图1-图6所示，一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置，包括低温池式核供热堆本体模型1、循环回路2、透明板3、居民房屋模型4和装置台架5，低温池式核供热堆本体模型1设置在装置台架5的下方，放置在地面，从装置台架5上的开孔穿过，循环回路2固定在装置台架5的下表面，透明板3铺设在装置台架5的上表面，居民房屋模型4放置于透明板3上；
43.低温池式核供热堆本体模型1包括透明外壳1-5、堆芯加热段1-4、上升筒1-3、顶盖1-2和自然循环瓣阀1-1，堆芯加热段1-4和上升筒1-3均同轴设置在外壳1-5内且上下布置，堆芯加热段1-4的底端固定在透明外壳1-5底部，堆芯加热段1-4的上端与上升筒1-3的底端连接，透明外壳1-5内壁与上升筒1-3外壁和堆芯加热段1-4外壁之间形成堆水池1-6，堆芯加热段1-4的底部设有若干连通堆水池1-6和堆芯加热段1-4内部的进水口，在堆芯加热段1-4内设有若干加热棒1-7，在堆水池1-6和堆芯加热段1-4内充满水，在透明外壳1-5的顶端安装顶盖1-2，在上升筒1-3的下部靠近堆芯加热段1-4处安装自然循环瓣阀1-1；
44.在循环回路2内充满水，所述循环回路2包括一回路回水管道2-2、一回路出水管道2-3、射流管道2-1、一回路水泵2-7、一回路换热器2-8、二回路水泵2-4、二回路管道2-5、二回路换热器2-6、三回路水泵2-9和供热管道2-10，所述一回路出水管道2-3一端与上升筒1-3的内壁连通，另一端与一回路换热器2-8的热端进口连通，一回路换热器2-8的热端出口与一回路回水管道2-2的一端连通，一回路回水管道2-2的另一端与外壳1-5的上部连通，一回路水泵2-7设置在一回路回水管道2-2上，在一回路回水管道2-2上连通射流管道2-1，射流管道2-1的出水口朝向自然循环瓣阀1-1，射流管道2-1射流时使自然循环瓣阀1-1关闭，一回路换热器2-8的冷端入口通过管道与二回路换热器2-6的热端出口连通，一回路换热器2-8的冷端出口与二回路换热器2-6的热端入口通二回路管道2-5连通，在二回路管道2-5上设置二回路水泵2-4，二回路换热器2-6的冷端入口与供热管道2-10的一端连通，二回路换热器2-6的冷端出口与供热管道2-10的另一端连通，在供热管道2-10上设置三回路水泵2-9，供热管道2-10设置在居民房屋模型4内。
45.所述低温池式核供热堆本体模型1用于演示反应堆安全供热，居民房屋模型4用于展示供热效果，亚克力透明板3为观察者展示循环回路2的工作。
46.所述堆芯加热段1-4为空心圆柱段，在空心圆柱段内均匀布置八根加热棒1-7，用于模拟真实反应堆中的燃料棒。
47.在空心圆柱段的底部轴向均匀布置若干大进水口，在空心圆柱段的底端径向均匀布置若干小进水口。
48.在堆芯加热段1-4上、一回路出水管道2-3上、一回路回水管道2-2上、供热管道2-10上及居民房屋模型4内部均安装有温度传感器。
49.顶盖1-2与外壳1-5螺纹连接，自然循环瓣阀1-1采用m2螺丝螺母安装在堆芯加热段1-4一侧并可以旋转启闭；自然循环瓣阀1-1作为低温池式核供热堆的特有安全手段之一，在射流管道2-1的作用下关闭，当反应堆主泵停转，自然循环瓣阀打开，实现堆芯内部与堆水池的自然循环，进而实现堆芯余热的非能动排出。
50.在上升筒1-3内布置有与若干加热棒1-7连接的电线。上升筒1-3的另一个作用是增加流动阻力，让自然循环瓣阀1-1打开之后，堆芯加热段1-4的热量可以更多的通过自然循环瓣阀1-1与堆水池1-6形成自然循环。
51.所述透明板3、堆芯加热段1-4为和透明外壳1-5的材质均为亚克力板，通过设置透明的材质，可清晰展示反应堆内部结构、一回路、二回路、三回路以及各回路的换热，为观者直观的展示了供热的方式和原理。
52.所述射流管道2-1通过三通与一回路回水管道2-2相连通，射流管道2-1为自然循环瓣阀1-1提供射流使其关闭；供热管路2-10为蛇形管路。
53.另一方面，本发明提供一种用于低温池式核供热堆的科普演示装置的演示方法，具体包括
54.在演示正常工况时，加热棒1-7、各水泵正常运行，自然循环瓣阀1-1在射流管道2-1及内外压差作用下关闭，通过在堆芯加热段1-4、一回路出水管道2-3、一回路回水管道2-2、供热管道2-10、居民房屋模型4内部安装的温度传感器并利用数采系统对数据进行可视化处理后，为观者展示供热原理；
55.具体为：打开一回路水泵2-7、二回路水泵2-4、三回路水泵2-9，同时打开堆芯加热段1-4的加热棒1-7，在各水泵打开后，自然循环瓣阀1-1在内外压差以及射流管道2-1的冲击下关闭，此时低温池式核供热堆本体模型处于正常工作状态；一回路循环由一回路水泵2-7提供动力，从一回路出水管道流出，经一回路换热器与二回路交换热量后从一回路回水管道以及射流管道2-1返回低温池式核供热堆本体模型1内；二回路循环从一回路换热器2-8吸取热量后在二回路水泵2-4驱动下，流经二回路换热器2-6与三回路交换热量后返回一回路换热器吸取热量继续循环；三回路由三回路水泵2-9提供动力，从二回路换热器2-6吸热后在供热管道2-11中将热量传递给居民房屋模型4后返回二回路换热器2-6吸收热量后继续进行循环；通过在堆芯加热段1-4、一回路出水管道2-3、一回路回水管道2-2、供热管道2-10、居民房屋模型4内部等合适位置安装温度传感器并利用数采系统对数据进行可视化处理后，为观者直观展示低温池式核供热堆的供热原理和工作过程；
56.在演示假想失流事故工况时，一回路水泵2-7关闭，加热棒1-7功率逐渐降低，自然循环瓣阀1-1在失去射流管道2-1的出水压力后可观察到自然循环瓣阀1-1依靠自身重力打开，建立堆芯加热段1-4内部与堆水池1-6的自然循环，堆芯加热段1-4温度不再增长，展示反应堆的安全特性。自然循环就是通过非能动的手段，以自然驱动力形成一种循环，这个自然驱动力在我们这里简单来讲就是堆芯内部和堆水池的温度差产生的一种重力势差；
57.具体为：在测试中，正常工况下，堆芯加热段1-4温度为98℃，堆芯外部的堆水池1-6的温度为68℃；当主泵即一回路水泵2-7停止，堆芯加热段1-4中的加热棒1-7功率逐渐下降至0来模拟事故工况，此时自然循环瓣阀1-1在失去射流管道2-1的射流压力后可观察到自然循环瓣阀1-1依靠自身重力打开，自然循环瓣阀1-1打开后建立自然循环即堆芯通道中较热的水通过自然循环瓣阀1-1，在温差引起的自然循环驱动力下流入到堆水池1-6中，在堆水池上部空间散热后，又沉到堆水池下部，然后再次通过堆芯把余热带出至堆水池上部散热，形成一个循环，可以使低温池式核供热堆本体模型内部最高温度不超过59℃，实现堆芯的余热排出，可以观察到堆芯加热段温度逐渐下降，最后达到低温池式核供热堆堆芯内外温度整体均匀的情况，验证了在事故情况下主泵停转后反应堆依靠自然循环将堆芯余热排出，防止堆芯熔毁的安全特性，展现了反应堆的固有安全特性。
58.本技术的装置为民众展示低温池式核供热堆的基本供热原理及其安全特性，消除民众的恐核心理，为未来核能供热的推广提供支撑条件。
59.以上公开的本发明创造实施例只是用于帮助阐述本发明创造。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明创造仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明创造的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明创造。