全尺寸反应堆压力容器下封头试验段模拟方法与流程

本发明涉及试验段设计，具体地，涉及一种全尺寸反应堆压力容器下封头试验段模拟方法。

背景技术：

在第三代先进反应堆设计中，当反应堆发生严重事故，通过对压力容器下封头实施基于自然循环的外部冷却(ERVC)，实现熔融物堆内滞留(IVR)，保证压力容器的完整性。

当下封头的热流密度不超过其临界热流密度时，就可以保证压力容器的完整性，为了验证压力容器下封头的临界热流是否达到要求，需开展全尺寸压力容器下封头(半径达到2m多)热工水力验证试验。由于需要模拟堆内熔融物的发热和下封头的材料特性以及保温层特性，试验段的设计成为试验的关键环节。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种全尺寸反应堆压力容器下封头试验段模拟方法，用于模拟曲率半径为2m多的大型热工水力试验的试验段加热方式、材料焊接方式，以及压力容器下封头保温层设计。

根据本发明提供的全尺寸反应堆压力容器下封头试验段模拟方法，包括如下步骤：

步骤S1：采用一个与反应堆下封头等半径的弧形加热壁模拟下封头；

步骤S2：在弧形加热壁上切割若干道槽，将弧形加热壁分割为多段加热块单元模块；

步骤S3：加热块单元模块上开有多排错排的加热孔，从而在各加热块单元模块中插入加热棒组；

步骤S4：将一层原型材料试验本体与所述弧形加热壁相连接。

优选地，所述步骤S2具体为，在弧形加热壁上均匀切割五道4mm宽的槽，将其分割为6段有效张角范围为15°的加热块单元模块，各加热块单元模块之间仍有30mm厚的短弧段相连。

优选地，所述步骤S3具体为，加热块单元模块偏上位置开有4排错排的直径为9.4mm的圆形加热孔，在各加热块单元模块中插入加热棒组。

优选地，所述步骤S4具体为，通过爆炸焊接工艺将一层厚2mm原型材料试验本体与一层厚66mm的铜制成的弧形加热壁相焊接，从而形成的弧形厚加热段。

优选地，所述原型材料试验本体采用牌号为SA 508Gr.3C1.1的碳钢制成。

优选地，在4排圆形加热孔下侧，钻有3排热电偶测点孔，热电偶测点孔用于测量、监测加热热流与弧形加热壁的表面温度。

优选地，在最上面的2排加热棒相邻位置均匀布置有若干个监测热电偶，用于评估加热棒的壁温。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明将铜与原型材料采用爆炸焊的工艺结合到一起，解决了完全采用原型材料带来温度过高，加热棒难以承受的问题。

2、本发明采用双层不锈钢模拟保温层，可以塑造需要的保温层线型，并起到一定的保温作用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中弧形加热壁的结构示意图；

图2为本发明整块厚铜加热弧段的结构示意图；

图3(a)为本发明中加热块单元模块的一种结构示意图；

图3(b)为本发明中加热块单元模块的另一种结构示意图；

图4为本发明中下水箱内保温层槽道的结构示意图；

图5为本发明中原型材料试验本体与弧形加热壁的配合示意图。

图中：

1为下水箱侧壁；2为保温层；3为密封条；4为弧形加热壁的外壁；5为流道；6为保温层槽道；7为原型材料试验本体；8为铜块制成的弧形加热壁。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的全尺寸反应堆压力容器下封头试验段模拟方法，包括如下步骤：

步骤S1：采用一个与反应堆下封头等半径的弧形加热壁模拟下封头；所述弧形加热壁在与半径垂直方向上等宽，以考虑该加热弧段大的热惯性，如图1所示。如图1所示。原型材料为铁，铁的导热系数低，直接用电加热棒加热会使原型材料制成的试验本体温度超过电加热器的允许使用温度，并且也会由于温度过高而导致没有合适的密封垫片供选用，故而采用铜材料和原型材料复合，利用铜导热系数高的特性，降低整个试验本体的温度。

步骤S2：在弧形加热壁上切割若干道槽，将弧形加热壁分割为多段加热块单元模块，从而使弧形加热壁热流分布的控制方便，减小二维导热效应的影响，吸收热膨胀；

步骤S3：加热块单元模块上开有多排错排的加热孔，从而在各加热块单元模块中插入加热棒组；

步骤S4：将一层原型材料试验本体与所述弧形加热壁相连接。

所述步骤S2具体为，为了吸收因加热而产生的热膨胀，在弧形加热壁上均匀切割五道4mm宽的槽，将其分割为6段有效张角范围为15°(实际的单元模块弧度为14.9)的加热块单元模块，各加热块单元模块之间仍有30mm厚的短弧段相连。

各加热块单元模块之间仍有30mm厚的短弧段相连，如图2所示，切割槽后形成的6个加热块单元模块如图3所示。该弧形加热壁为宽度为170mm(实际流道宽度为150mm)的厚铜弧段，宽度选取的原则是侧壁效应摩擦影响尽可能小。

所述步骤S3具体为，加热块单元模块偏上位置开有4排错排的直径为9.4mm的圆形加热孔，在各加热块单元模块中插入加热棒组，用于精确安装加热棒，通过控制系统调节各加热棒功率，达到控制沿加热块单元模块热流分布的目的。

所述步骤S4具体为，通过爆炸焊接工艺将一层厚2mm原型材料试验本体与一层厚66mm的铜制成的弧形加热壁相焊接，从而形成的弧形厚加热段。

降低铜与原型材料之间的热阻可以进一步降低整个试验本体的温度，而消除两种材料之间的缝隙是减小热阻的有效方法，本发明采用爆炸焊的方式来消除两者之间的缝隙。爆炸焊接是一种固相焊接方法，利用炸药爆炸产生的冲击力造成工件迅速碰撞而实现焊接，通常用于异种金属之间的焊接，可以获得强度很高的焊接接头。本发明采用的爆炸焊是面焊，将两种材料接触面完全贴合在一起，保证热量的最高传输效果，最终形成在一段厚铜块底部通过爆炸焊焊接原型材料的试验段，如图4所示。

在4排圆形加热孔下侧，钻有3排热电偶测点孔，热电偶测点孔用于测量、监测加热热流与弧形加热壁的表面温度。热电偶测点孔的直径为φ1.2mm，分为a、b、c三层，c层最接近加热壁面

在最上面的2排加热棒相邻位置均匀布置有若干个监测热电偶，用于评估加热棒的壁温。在变形例中，可以通过报警与功率切除系统，以达到保护加热棒，防止超温的目的。

为了便于观察加热表面的蒸汽行为和两相流动现象，根据流道可视化试验需要，侧壁上对应位置还设有圆形观测窗，以光学玻璃压盖并密封。观察窗共有6个，大约每15°布置一个视窗，确保对整个试验流道内的两相流动状况进行连续观察。

模拟反应堆保温层的保温层模拟件材料为不锈钢，按实际所需保温层型线弯板制成，并设计为双板夹层，夹层起到一定绝热作用；如图4所示，保温层模拟件置于下水箱侧板内侧专门的弧形保温层槽道中，安装或更换时可打开下水箱侧壁的安装门，将保温层模拟件推入，由保温层模拟件底部定位块沿圆弧形槽道导向并定位，该设计主要是为便于更换保温层模拟件，以进行ERVC流道形状敏感性及优化试验。这样，厚铜加热弧段、下水箱两侧壁与保温层模拟件之间围成了矩形截面的流道，构成试验本体流道。

试验段与下水箱形成试验本体流道，需要考虑试验段与下水箱之间的密封，由于铜的热膨胀，最高温度可能达到350℃，所以密封垫既要耐高温，又要有较大的位移补偿能力，以补偿由于不规则的密封面由于铜条热变形产生的缝隙，防止流道发生泄漏。能承受此温度常用垫片有石棉垫片、石墨垫片、金属垫片和橡胶垫片。石棉垫片和石墨垫片密封需要的比压较高，不利于吸收高温下铜的膨胀，并且由于密封面单边长度达到4m左右，需要垫片有优良的弹性吸收热变形产生的缝隙；金属垫片不仅比压高、弹性差，而且热阻小，不利于阻隔试验段与水箱之间的额热传导，造成较大的热损失。因此本发明选用弹性优良的橡胶垫片，补偿由于试验本体热膨胀与水箱产生的缝隙。

试验段与下水箱采用蝶形弹簧压紧固定，以吸收原型材料试验本体径向的膨胀量，防止由于径向变形将橡胶垫片挤压损坏。蝶形弹簧采用串联方式，降低其刚度，每组两片并联。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。