模拟铅基堆蒸汽发生器传热管破裂事故的可视化实验装置及实验方法

本发明涉及铅基反应堆事故安全分析领域，特别的是涉及模拟反应堆内蒸汽发生器传热管破裂事故的可视化实验装置及实验方法。

背景技术：

1、以铅或铅基合金为冷却剂的核反应堆具有良好的中子学、热工水力学和安全特性，已成为第四代先进核能系统的主要候选堆型之一。蒸汽发生器传热管破裂(steamgenerator tube rupture-sgtr)事故属于铅基反应堆中一类较为严重的事故，该事故发生在铅基反应堆正常运行期间，且在事故条件下，单根或多根传热管同时发生破裂，导致二回路的冷却剂(高压过冷水)会在蒸汽发生器传热管破口处与一回路的冷却剂(高温液态铅铋合金)发生直接接触，从而在两种冷却剂之间发生强烈的热相互作用。在降压闪蒸与周围冷却剂加热的双重驱动下，二回路的高压过冷水从破口处向一回路的高温液态铅铋合金喷射并发生直接接触，接触界面上的水吸热并剧烈闪蒸气化，从而形成涉及液态金属、水及闪蒸蒸汽的多相流现象，进一步造成蒸汽爆炸并产生压力冲击波，从而威胁反应堆堆芯的结构完整性并可能引发放射性物质的泄漏。由此可见，在铅基反应堆的设计、安全分析和事故缓释策略等一系列工程与技术方面，sgtr事故应视为重要安全问题，因此，开展有关铅基反应堆sgtr事故的基础研究与安全分析具有重要的工程意义。

2、目前，针对铅基反应堆sgtr事故，研究者们已经搭建了用于模拟蒸汽发生器传热管破裂事故的实验装置并积累了一定的实验经验。然而，既有实验装置及实验方法仍然缺乏对于铅铋合金与水热相互作用的可视化现象的可靠捕捉与有效描述，现有结果仍无法准确地揭示铅基反应堆sgtr事故工况下铅铋合金与水的热相互作用机理。

3、综上所述，如何设计出一种模拟铅基堆蒸汽发生器传热管破裂事故的可视化实验装置并提出相应实验方法，以克服现有模拟铅基反应堆中蒸汽发生器传热管破裂事故的实验装置的缺陷，对揭示铅基反应堆蒸汽发生器传热管破裂事故的可视化现象及热相互作用机理，具有重要的科学意义与现实价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种模拟铅基堆蒸汽发生器传热管破裂事故的可视化实验装置，该实验装置及实验方法对于揭示铅基堆蒸汽发生器传热管破裂事故的可视化现象和热相互作用机理，对于优化铅基反应堆结构设计、sgtr事故安全分析和缓解措施具有重要意义。

2、为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供的一种模拟铅基堆蒸汽发生器传热管破裂事故的可视化实验装置，包括气体稳压罐1-1、高压注水罐2-1、可视化实验段3-1、模拟介质储罐4-1、爆破装置5-1和安全罐6-1构成的实验系统回路；

4、所述气体稳压罐1-1是储存惰性气体的不锈钢承压容器，与高压注水罐2-1相连通，用于给高压注水罐2-1缓慢稳定增压，高压注水罐2-1内布置有高频压力传感器与铠装热电偶，待高压注水罐2-1内压力达到爆破装置5-1的预定爆破压力，指定温度、压力的水被高压注入可视化实验段3-1内并与模拟介质相互混合反应；气体稳压罐1-1上安装有安全阀1-2和泄放阀1-3，用于容器内压力超限时的安全泄放；

5、所述高压注水罐2-1是储存、加热水的不锈钢承压容器，与气体稳压罐1-1和爆破装置5-1相连通；高压注水罐2-1内置加热器2-3，待加热器2-3将水加热至指定温度后，再经过注水管路将水排至爆破装置5-1上游；高压注水罐2-1与爆破装置5-1之间的管路通过伴热带7-1加热，以补偿注水管路热损失，所述伴热带7-1的加热功率可调；高压注水罐2-1上安装有安全阀2-2，用于罐内气压的安全泄放；高压注水罐2-1侧面开有单面透光的可视窗口2-4，可视窗口2-4旁布置有第二高速摄像机9-2、第二led背景光源10-2，用于捕捉拍摄高压注水罐2-1内的液位变化；

6、所述可视化实验段3-1是模拟sgtr事故下水和模拟介质热相互作用的承压容器，与模拟介质储罐4-1、爆破装置5-1和安全罐6-1相连通；可视化实验段3-1前、后侧开有双面透明的可视窗口3-2，可视窗口3-2旁布置有第一高速摄像机9-1、第一led背景光源10-1，用于捕捉拍摄水和模拟介质的热相互作用现象以及射流流型的演变过程；所述可视化实验段3-1外侧包覆有加热膜设备3-3，用于对可视化实验段3-1的加热预热；可视化实验段3-1的上、下游管路上分别布置有高频压力传感器11-1、11-2和铠装热电偶12-1、12-2，用于监测注水、排放管路上的压力和温度变化；

7、所述模拟介质储罐4-1是储存、加热模拟介质的承压容器，与可视化实验段3-1相连通；模拟介质储罐4-1内置加热器4-3，模拟介质储罐4-1内布置有铠装热电偶以监测温度，待加热器4-3将模拟介质加热至指定温度后，通过注油管路进入可视化实验段3-1内；模拟介质储罐4-1与可视化实验段3-1之间的管路通过伴热带7-2加热，以补偿注油管路热损失，所述伴热带7-2的加热功率可调；模拟介质储罐4-1上安装有安全阀4-2和泄放阀4-3，用于容器内压力超限时的安全泄放；

8、所述爆破装置5-1是用于控制爆破压力和破口直径的不锈钢装置；

9、所述安全罐6-1是用于储存反应后混合物的不锈钢承压容器，上游与可视化实验段3-1相连通；实验开始后可视化实验段3-1内会反应产生由大量水、模拟介质和蒸汽组成的混合物，并通过泄放管路流入安全罐6-1内；安全罐6-1侧边设置有人孔6-3，打开人孔6-3，可用于开展常压背压工况下的实验；安全罐6-1上安装有安全阀6-2和泄放阀6-4，用于容器内压力超限时的安全泄放；

10、优选地，所述爆破装置5-1包括喷管5-3、上法兰5-4、上夹持器5-6、爆破片5-7、下夹持器5-8和下法兰5-9等零部件，所述爆破片5-7用于控制爆破压力，所述上法兰5-4的法兰孔5-5用于控制破口直径，所述喷管5-3可插入可视化实验段3-1内；

11、优选地，所述气体稳压罐1-1内充满惰性氩气；

12、优选地，所述模拟介质储罐4-1内为耐高温导热油therminol 66；

13、优选地，所述实验系统回路还包含数据采集系统，数据采集系统为高频数据采集设备，输入端连接高频压力传感器11-1、11-2、铠装热电偶12-1、12-2以及高速摄像机9-1、9-2，输出端连接上位机8-1、8-2；控制上位机8-1、8-2通过labview软件实时监测并记录高频压力传感器11-1、11-2和铠装热电偶12-1、12-2所采集的压力和温度信号；控制上位机8-1、8-2通过专用视频软件实时显示并记录高速摄像机9-1、9-2拍摄到的可视化图像，以实现对高压注水罐2-1内的液位变化及可视化实验段3-1内的射流流型演变的捕捉采集；

14、所述的一种模拟铅基堆蒸汽发生器传热管破裂事故的可视化实验装置的实验方法，具体的实验操作步骤如下：

15、步骤1：实验开始前，安装爆破装置5-1，连接实验系统管路；开启止回阀6-5，保证可视化实验段3-1与安全罐6-1相连通；

16、步骤2：开启数据采集系统，开启上位机8-1、8-2上labview软件的数据监测功能，实时监测系统回路内各测点的温度与压力变化；开启上位机8-1、8-2上的专用视频软件，开启led背景光源10-1、10-2与高速摄像机9-1、9-2，调整并选择最佳的光圈与焦距；

17、步骤3：开启止回阀2-5，向高压注水罐2-1及电磁阀5-2上游管路注水，达到预定液位后关闭止回阀2-5，停止注水；同时开启高压注水罐2-1内的加热器2-3和注水管路的伴热带7-1，待水温达到目标温度后，开启气体稳压罐1-1与高压注水罐2-1之间的针阀1-4，气体稳压罐1-1向高压注水罐2-1注气增压，直至系统压力达到目标压力；

18、步骤4：开启模拟介质储罐4-1内的加热器4-3、可视化实验段3-1上的加热膜设备3-3和注油管路的伴热带7-2，对模拟介质储罐4-1、可视化实验段3-1和注油管路进行缓慢加热预热；

19、步骤5：待模拟介质储罐4-1内的模拟介质达到预定温度后，开启止回阀4-5，并利用气源将模拟介质(耐高温导热油)输入至可视化试验段3-1内，待模拟介质达到预定液位后关闭止回阀4-5，停止注模拟介质；

20、步骤6：开启上位机8-1、8-2上labview软件的数据采集功能，记录压力和温度数据；开启上位机8-1、8-2上专用视频软件的视频录存功能，捕捉记录可视化实验段3-1内的射流流型变化和高压注水罐2-1内的液位变化；

21、步骤7：开启爆破装置5-1上游的电磁阀5-2，将指定温度、压力下的过冷水冲破爆破装置5-1内的爆破片5-7，高压的过冷水入射至可视化试验段3-1内，并与高温模拟介质发生热相互作用；

22、步骤8：待爆破装置5-1内的爆破片5-7破裂时间达到指定时间后，关闭电磁阀5-2，停止向可视化实验段3-1内注水；同时保存温度、压力数据以及高速摄像机9-1、9-2拍摄的可视化图像数据；

23、步骤9：待实验装置整体冷却后，拆卸爆破装置5-1，可更换具有不同通径的喷管5-3，更换具有不同破口直径的上法兰5-4，更换具有不同爆破极限压力的爆破片5-7，以改变实验的控制变量，并准备进行下一次可视化实验(控制变量包括：注水压力、注水温度、模拟介质温度和破口直径等)；

24、步骤10：根据实验采集的数据进行处理、分析、归纳和总结，并得出相应结论，以指导下一次可视化实验。

25、本发明的有益效果为：

26、1、由于液态铅或铅铋合金具有不透光性，可见光与x射线无法穿透液态铅铋合金。本发明提出采用耐高温导热油作为模拟介质，借助高速摄像机与led背景光源，捕捉模拟介质、水与蒸汽的多相流相作用界面及界面演变过程，从而可获得对液态铅铋-水热相互作用在多相流流型演变、相态分布、蒸汽迁徙等热工水力现象的辨识与认知。

27、2、铅基堆蒸汽发生器传热管破裂事故是涉及多元多相态的剧烈热相互作用过程，反应时间属于几十到几百毫秒量级，而传统工业用流量计响应慢，难以测量出爆破瞬间入射水流量的精确数值；本发明提出采用高速摄像机拍摄液位的方式，从而可获得爆破发生后高压过冷水泄放的瞬时流量。

28、3、本发明采用气体稳压罐作为实验装置的前级稳压气源，气体稳压罐的体积根据至少10倍于注水体积的原则进行设计，从而保证了爆破后注水压力的稳定，为铅基堆sgtr事故分析提供了实验压力基础。

29、4、本发明采用具有多种形状、内径喷管的爆破装置，从而可模拟并评估不同破口直径对铅基堆蒸汽发生器传热管破裂事故的影响，使实验工况的设置能够覆盖铅基反应堆蒸汽发生器传热管破裂事故过程中形成的高压过冷水射流的实际尺寸范围。

30、5、本发明采用高压过冷水由下而上注射入可视化实验段，填补了对高压过冷水自下而上入射高温液态铅铋合金的热相互作用现象的研究空白，丰富了对铅基堆sgtr事故场景的可视化模拟与安全分析。