铅铋反应堆冷却剂热分层试验系统及方法

本发明涉及液态金属反应堆冷却剂热分层研究，具体涉及铅铋反应堆冷却剂热分层试验系统及方法。

背景技术：

1、热分层现象是指冷热流体混合静止或缓慢流动时在浮升力作用下产生分层，在液态金属反应堆中一般发生在堆芯上腔室内。核能设备中由于高温低温流体混合不均匀，流体的温度振荡会造成结构壁面产生热疲劳损伤，即形成了热分层。发生热分层时，往往会伴随产生热循环、条纹化等不利热工现象。流体区域这种上热下冷的温度分布形式，使壁面在径向、周向及轴向方向产生巨大的热应力，最终可能产生弯曲变形、热疲劳、贯穿性裂纹、刚性支撑失效等破坏，对系统的结构完整性造成严重威胁。除此之外，稳定的热分层会削弱自然循环驱动压头，阻碍堆内自然循环的建立，这就会给主要依靠自然循环带走热量的非能动余热排出系统带来安全问题。因此，研究铅铋反应堆冷却剂热分层现象对于反应堆安全有至关重要的作用。对反应堆冷却剂热分层现象开展相关研究不仅能深入揭示反应堆内热分层演变机理，而且能为铅基堆的安全设计与事故缓解提供经验。

2、目前已有的反应堆冷却剂热分层研究专利，例如：中国专利cn202310423355.0提出了一种核电站稳压器波动管热分层抑制及热疲劳预警方法；其主要特征是在波动管水平换热段填充多孔介质用于抑制管内自然对流，同时将热量从波动管上方传导至下方，抑制热分层现象，然后通过波动管热疲劳预警模型实现热疲劳预警。但是，该方法无法适用于包括铅铋反应堆在内的新型液态金属反应堆，同时，该方法无法深入揭示反应堆堆芯上腔室内热分层现象的演变机理。

3、目前已有的反应堆冷却剂热分层研究专利，例如：中国专利cn202310134971.4提出了一种核电厂核级管道热分层监测方法及系统；其特征包括获得核电厂一回路的系统参数和历史运行参数，基于所述系统参数和所述历史运行参数确定热分层风险部位；在所述热分层风险部位的管道外壁按照预设角度要求布置多个温度传感器；获取所有所述温度传感器采集的温度值，计算任意两个温度值的差值以得到最大温差；比较所述最大温差与温度要求条件，以确定热分层风险情况。但是，该系统关注的是核级管道内的热分层现象，无法对包括铅铋反应堆在内的液态金属反应堆上腔室内的热分层现象开展研究，无法深入揭示反应堆堆芯上腔室内热分层现象的演变机理。

4、目前已有的反应堆冷却剂热分层研究专利，例如：中国专利cn202211733245.6提出了一种铅铋快堆铅池热分层降阶分析方法；其特征包括建立铅池热分层数学物理模型；基于计算流体力学进行数值模拟求解；基于时间快照的温度场数据选取；针对全阶系统基于伽辽金投影构建热分层降阶模型；基于降阶模型进行温度场数据重构。但是，该方法通过数值模拟方法得到铅池的温度场数据，无法保证得到数据的准确性与合理性。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，为实现对铅铋反应堆冷却剂热分层的研究，本发明的目的在于提供一种铅铋反应堆冷却剂热分层试验系统及方法，研究各类工况下铅铋堆内的热分层现象，得到重点关注的温度场特性及其随时间的演变等具体参数，从而总结铅铋热分层现象相关特性，深入揭示反应堆内热分层演变机理，为铅基堆的安全设计与事故缓解提供经验。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、铅铋反应堆冷却剂热分层试验系统，包括铅铋储罐1、电磁泵2、氩气缓冲罐3、堆芯上腔室模拟器4、铅铋容器5以及管道阀门；所述堆芯上腔室模拟器4通过管路与铅铋容器5相连，共同组成试验进行的开路系统，根据试验不同工况的具体要求，将铅铋容器5中的铅铋以不同流量和温度注入堆芯上腔室模拟器4；

4、所述铅铋储罐1内部储存有一定量的铅铋合金，外壁面布置有均匀缠绕的电加热丝，实现对铅铋储罐内部温度的控制；铅铋储罐1通过第一铅铋截止阀101与堆芯上腔室模拟器4连接，铅铋储罐1通过第二铅铋截止阀102与铅铋容器5连接，为堆芯上腔室模拟器4和铅铋容器5以及相应管道提供试验过程所需的铅铋合金；

5、所述电磁泵2位于堆芯上腔室模拟器4和铅铋容器5之间，并连接第一流量计201，用于调节铅铋流量大小；

6、所述氩气缓冲罐3前端连接氩气瓶301；氩气缓冲罐3与铅铋储罐1相连接，提供将铅铋合金注入堆芯上腔室模拟器4和铅铋容器5所需的压力；氩气缓冲罐3与堆芯上腔室模拟器4和铅铋容器5连接，提供堆芯上腔室模拟器4和铅铋容器5内部的惰性气体环境，同时承担试验结束后将堆芯上腔室模拟器4和铅铋容器5内剩余铅铋合金排回铅铋储罐1中的功能；

7、所述堆芯上腔室模拟器4是所述试验系统的主要组成装置，结构与铅铋反应堆上腔室真实结构相同，用于模拟铅铋反应堆冷却剂热分层，外壁面布置均匀缠绕的电加热丝，实现对堆芯上腔室模拟器内部温度的控制；堆芯上腔室模拟器4内安装不同尺寸大小的堆芯上部结构模拟件，满足后续实验对不同堆芯上腔室模拟器4结构的具体需求；堆芯上腔室模拟器4内部布置多组热电偶，实现对堆芯上腔室模拟器内部的温度场变化进行测量；在实验过程中，堆芯上腔室模拟器4内部的铅铋合金由铅铋容器5提供，整个实验回路开环运行；开环运行时，试验的持续时间受限于铅铋容器5中可用的液态铅铋合金的体积和相应的流速；在试验过程中，堆芯上腔室模拟器4中的铅铋合金通过左右两侧出口的左出口铅铋截止阀109和右出口铅铋截止阀110流回铅铋储罐1内，完成铅铋收集，便于后续储存；

8、所述铅铋容器5的外壁面布置有均匀缠绕的电加热丝，在铅铋储罐1中的铅铋合金注入后对铅铋容器内部的温度进行控制；铅铋容器5与堆芯上腔室模拟器4相连，作为实验过程中堆芯上腔室模拟器4所需铅铋合金的供应容器，配合完成整个试验流程；当铅铋容器5中的铅铋合金流尽后，试验也随之结束；

9、所述试验系统与配电系统和数据采集系统相连接，配电系统提供试验系统进行实验所需的电能，数据采集系统实时监测与记录实验过程的相关参数。

10、优选的，所述堆芯上腔室模拟器4上端装配可拆卸法兰盖，便于向堆芯上腔室模拟器4内安装不同尺寸大小的堆芯上部结构模拟件。

11、优选的，所述第一流量计201后端分三路连接堆芯上腔室模拟器4，第一支路依次连接第三铅铋截止阀103、第二流量计202和第一铅铋电磁阀106，第二支路依次连接第四铅铋截止阀104、第三流量计203和第二铅铋电磁阀107，第三支路依次连接第五铅铋截止阀105、第四流量计204和第三铅铋电磁阀108，其中第三铅铋截止阀103、第四铅铋截止阀104、第五铅铋截止阀105通过调节开度大小来控制各支路流量大小，第一铅铋电磁阀106、第二铅铋电磁阀107、第三铅铋电磁阀108通过快开快关的特性实现将各支路铅铋迅速注入堆芯上腔室模拟器4内对应的堆芯上部结构模拟件的功能。

12、优选的，所述堆芯上腔室模拟器4和铅铋容器5外部包裹保温层以保证绝热边界条件。

13、所述的铅铋反应堆冷却剂热分层试验系统的试验方法，在试验前，1)通过铅铋储罐1将铅铋合金加热到试验所需温度；2)通过氩气缓冲罐3向试验回路通氩气，将试验回路的空气排出；3)开启第一铅铋截止阀101、第二铅铋截止阀102分别向堆芯上腔室模拟器4和铅铋容器5充铅铋；4)关闭第一铅铋截止阀101、第二铅铋截止阀102，分别加热堆芯上腔室模拟器4、铅铋容器5和回路管路阀门至试验工况所需温度；

14、在预试验过程中，1)开启各支路铅铋截止阀与铅铋电磁阀，通过各支路流量计的示数反馈调节各支路铅铋截止阀(的开度，使堆芯上腔室模拟器4入口的流量大小符合试验工况所需流量；2)校准流量后，保持各支路铅铋截止阀的开度不变，关闭左出口铅铋截止阀109和右出口铅铋截止阀110，关闭各支路铅铋电磁阀，重新为堆芯上腔室模拟器4和铅铋容器5补充铅铋，同时，重新加热堆芯上腔室模拟器4、铅铋容器5和回路管路阀门等至试验工况所需温度；

15、在实验阶段，开启各支路铅铋电磁阀，开启左出口铅铋截止阀109和右出口铅铋截止阀110，调节电磁泵2的流量，调节电加热丝的功率，通过堆芯上腔室模拟器4内布置的热电偶记录得到试验过程堆芯上腔室模拟器4内温度场的变化情况，得到堆芯上腔室模拟器4模拟的堆芯上腔室冷却剂热分层过程的试验数据。

16、优选的，所述堆芯上腔室模拟器4和铅铋容器5顶部分别用氩气加压，以保证容器内纯净的气体氛围。

17、和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

18、本发明所述的铅铋反应堆冷却剂热分层试验系统及方法，堆芯上腔室模拟器结构设计与铅铋反应堆上腔室真实结构相同，实验工质采用与铅铋反应堆内冷却剂相同的铅铋流体开展实验，实验过程中的温度与流量设置与反应堆真实工况相近，实验所得结果很大程度都能用于工程实际中；

19、本发明所述的铅铋反应堆冷却剂热分层试验系统及方法，通过流量计的反馈、各阀门的配合控制机制、电加热丝的功率控制，可以实现对铅铋反应堆中不同温度、不同流量工况的研究，可以重现铅铋反应堆内正常运行工况、无保护失流事故工况、有保护失流事故工况等多种实际工况下的热分层现象，从而得到铅铋反应堆不同工况下热分层演变机理的共性与差异性；

20、本发明所述的铅铋反应堆冷却剂热分层试验系统及方法，堆芯上腔室模拟器上端装配有可拆卸法兰盖，大大增加了堆芯上腔室模拟器结构的灵活性，通过可拆卸法兰盖向堆芯上腔室模拟器内安装不同尺寸大小的上部结构模拟件，能满足实验对不同堆芯上腔室模拟器结构的具体需求，为铅铋反应堆上腔室结构设计提供指导。