技術領域

本發(fā)明涉及一種新型反應堆模擬裝置及其組裝工藝，具體涉及一種可用于高溫高壓反應堆熱工水力實驗的反應堆模擬裝置及其組裝工藝。

背景技術：

反應堆模擬裝置是反應堆熱工水力系統(tǒng)實驗裝置的核心設備，通常由模擬反應堆壓力容器模擬件、堆芯模擬件、吊蘭模擬件和堆內構件模擬件等部件組成。為了實現實驗功能，首先需要解決反應堆及各部件幾何結構和重要參數的準確模擬問題，其次需要解決高溫高壓和溫度驟變條件下的電加熱、絕緣和密封技術問題，最好還要解決堆芯模擬件簡易拆裝等問題。本發(fā)明提出了一套新的反應堆模擬裝置及其組裝工藝：堆芯模擬件由數量眾多的電熱元件配合金屬卡套而集成，解決了高溫高壓條件下的電加熱、絕緣、密封和元件單根可獨立拆裝等技術問題；反應堆模擬裝置其它結構設計同時解決了實現實驗功能、參數模擬以及密封、拆裝和水壓試驗等技術問題。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一套反應堆模擬裝置及其組裝工藝，解決高溫高壓反應堆熱工水力實驗中的關鍵技術問題，提高反應堆熱工水力實驗的安全和效率水平。

為了實現上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

一種反應堆模擬裝置，包括反應堆壓力容器模擬件和堆芯模擬件，所述反應堆壓力容器模擬件包括下封頭、筒體和上封頭；上封頭、下封頭與筒體連接，所述堆芯模擬件包括多根電熱元件，其特征在于，下封頭的下部壁面的內壁和外壁均為平底結構，下封頭的下部壁面設置有若干貫穿內壁和外壁導向孔，所述導向孔內設置導向管，所述電熱元件插入導向管內。

作為優(yōu)選，還包括卡套，所述卡套套設在電熱元件的下端，所述卡套設置在導向管的下部并且與導向管進行可拆卸連接。

作為優(yōu)選，堆芯模擬件還包括排水管，所述排水管位于堆芯模擬件的中央，所述排水管插入導向管內。

作為優(yōu)選，所述卡套套設在排水管的下端，所述卡套設置在導向管的下部并且與導向管進行可拆卸連接。

作為優(yōu)選，還包括吊蘭模擬件，所述吊蘭模擬件由下梅花孔板、圍筒和上梅花孔板組成，下梅花孔板和圍筒通過螺栓連接，圍筒和上梅花孔板亦通過螺栓連接；上、下梅花孔板設置有若干個三葉或多葉梅花孔，上梅花孔板每個梅花孔內置有定位環(huán)，所述的電熱元件的上端插入定位環(huán)中。

作為優(yōu)選，所述定位環(huán)是可拆卸的。

作為優(yōu)選，每個螺栓中心設置有流水孔。

作為優(yōu)選，還包括堆內構件模擬件，所述堆內構件模擬件由下孔板、圍板、上孔板和填充棒束組成，上、下孔板設置有流水孔和定位孔，圍板下緣與吊蘭模擬件的凹形槽配合連接和定位，圍板上端與吊蘭模擬件連接，填充棒束由若干數量填充棒組成，填充棒上、下端設置有外螺紋，分別與上、下孔板定位孔內螺紋配合緊固和定位。

作為優(yōu)選，沿著流體的流動方向，將電加熱元件單位長度的電加熱功率W設置為流體流動路徑S的函數，其中S是距離流體進入堆芯模擬體入口的長度，即W＝F（S），F’(S)>0，其中F’(S)是F（S）的一次導數。

一種前面所述的反應堆模擬裝置的組裝工藝，其特征在于，包括如下步驟：

1）吊蘭模擬件與反應堆壓力容器模擬件螺栓緊固；

2）堆芯模擬件電熱元件逐根穿過導向管、吊蘭模擬件上、下梅花孔板；

3）堆芯模擬件電熱元件與導向管通過卡套活連接；

4）上梅花孔板梅花孔內嵌入定位環(huán)；

5）堆內構件模擬件嵌入吊蘭模擬件凹形槽，與吊蘭模擬件通過螺栓連接緊固；

6）反應堆壓力容器模擬件筒體和上封頭通過法蘭和Ω環(huán)密封件焊接連接。

與現有技術相比較，本發(fā)明的具有如下的優(yōu)點：

1）下封頭下部的內外壁面均為平底結構，有利于若干導向孔加工，有利于提高導向孔的加工精度、垂直度和分布均勻性；

2）與工業(yè)上和核電廠的壓力容器相比，高溫高壓反應堆熱工水力實驗的溫度變化非常快，Ω環(huán)密封件在此處能夠大大降低溫度驟變條件下的泄漏風險，提高實驗安全水平；下封頭內置弧面填充塊，有利于提高反應堆壓力容器結構的模擬精度。

3）每根電熱元件與導向管通過金屬卡套活連接，且導向管下端呈錐面或弧面布置，實現了單根電熱元件拆裝更換，無須對堆芯模擬件整體拆裝更換，提高了堆芯模擬件拆裝效率；排水管與導向管亦通過金屬卡套活連接，便于拆裝實現排水管疏通、清污或更換，排水管上部兩側設置的排水槽、以及位于堆芯模擬件中央的布置方式，一是可邊實驗邊排水，二是在實驗后便于將水排干。

4）吊蘭模擬件每個螺栓中心設置有流水孔，通過更換不同規(guī)格流水孔的螺栓，即可精確模擬吊蘭旁流量；上、下梅花孔與電熱元件存在較大間隙，便于電熱元件逐根穿過，提高了電熱元件組裝效率，降低了組裝時與梅花孔刮擦引起的破損率；上梅花孔板每個梅花孔內置有定位環(huán)，提高了電熱元件橫向定位精度，定位環(huán)可單個拆卸，降低了拆卸時與定位環(huán)刮擦引起的破損率。

5）堆內構件模擬件圍板下緣與吊蘭模擬件凹形槽配合，可實現自動地連接和定位；填充棒上、下端設置有外螺紋，分別與上、下孔板定位孔內螺紋配合緊固和定位，拆卸更換不同規(guī)格的填充棒，即可滿足堆內構件不同的模擬需求。

6）反應堆模擬裝置各部件之間為活連接，組裝工藝簡易，有利于減少污染物和垃圾，有利于維持反應堆模擬裝置內的清潔度；反應堆模擬裝置組裝工藝可完全逆向操作，故拆卸流程亦簡易。

7）本發(fā)明將電加熱功率設置為沿著流體流動方向的規(guī)律變化，保證流體的最佳的吸熱情況，使得電加熱功率損失小，提高了模擬實驗的準確度。

附圖說明

圖1 反應堆模擬裝置結構圖

圖2 堆芯模擬件結構圖

圖3 吊蘭模擬件和堆內構件模擬件結構圖

圖4是流體流程示意圖

圖5 填充塊結構圖。

圖中：1-反應堆壓力容器模擬件；2-堆芯模擬件；3-吊蘭模擬件；4-堆內構件模擬件；5-下封頭；6-填充塊；7-筒體；8-上封頭；9-Ω環(huán)密封件；10-電熱元件；11-導向管；12-排水管；13-定位環(huán)；14-金屬卡套；15-下梅花孔板；17-上梅花孔板；18-下孔板；19-圍板；20-上孔板；21-填充棒束。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細的說明。

本文中，如果沒有特殊說明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

圖1-2展示了一種反應堆模擬體，如圖1所示，一種反應堆模擬裝置，包括反應堆壓力容器模擬件1和堆芯模擬件2，所述反應堆壓力容器模擬件1包括下封頭5、筒體7和上封頭8；上封頭8、下封頭6與筒體7連接，所述堆芯模擬件1包括多根電熱元件10，所述下封頭5的下部壁面的內壁和外壁均為平底結構，下封頭5的下部壁面設置有若干貫穿內壁和外壁導向孔，所述導向孔內設置導向管11，如圖2所示，所述電熱元件10插入導向管11內。

本發(fā)明通過下封頭5下部的內外壁面均為平底結構，相對于現有技術的圓弧形或者其他形狀，有利于若干導向孔加工，有利于提高導向孔的加工精度、垂直度和分布均勻性；每根電熱元件與導向管通過金屬卡套活連接，實現了單根電熱元件拆裝更換，無須對堆芯模擬件整體拆裝更換。

作為優(yōu)選，所述多根導向管下端面呈錐面或弧面布置，通過如此設置，使得每根導向管從中央到兩邊高度逐漸減小，便于中央和邊部的每根導向管11的更換方便，提高了堆芯模擬件拆裝效率。

作為優(yōu)選，還包括卡套14，所述卡套14套設在電熱元件10的下端，所述卡套14設置在導向管11的下部并且與導向管11進行可拆卸連接。

作為優(yōu)選，所述多根卡套14下端面呈錐面或弧面布置，其目的也是為了拆卸方便，提高拆裝效率。

作為優(yōu)選，堆芯模擬件2還包括排水管12，所述排水管12位于堆芯模擬件2的中央，所述排水管12插入導向管11內。

作為優(yōu)選，所述卡套14套設在排水管12的下端，所述卡套14設置在導向管11的下部并且與導向管11進行可拆卸連接。

作為優(yōu)選，還包括吊蘭模擬件3，所述吊蘭模擬件3由下梅花孔板15、圍筒16和上梅花孔板17組成，下梅花孔板15和圍筒16通過螺栓連接，圍筒16和上梅花孔板17亦通過螺栓連接；上、下梅花孔板16、17設置有若干個三葉或多葉梅花孔（參見圖2），上梅花孔板17每個梅花孔內置有定位環(huán)，所述的電熱元件10的上端插入定位環(huán)13中。

作為優(yōu)選，上、下梅花孔與電熱元件10存在較大間隙，優(yōu)選梅花孔的相鄰花瓣連接的位置與梅花孔中心的位置大于電熱元件10半徑1-2cm，便于電熱元件逐根穿過，提高了電熱元件組裝效率，降低了組裝時與梅花孔刮擦引起的破損率。

作為優(yōu)選，所述定位環(huán)13是可拆卸的。

上梅花孔板17每個梅花孔內置有定位環(huán)，提高了電熱元件橫向定位精度，定位環(huán)可單個拆卸，降低了拆卸時與定位環(huán)刮擦引起的破損率。

作為優(yōu)選，吊蘭模擬件每個螺栓中心設置有流水孔，通過更換不同規(guī)格流水孔的螺栓，即可精確模擬吊蘭旁流量。

作為優(yōu)選，還包括堆內構件模擬件4，所述堆內構件模擬件由下孔板18、圍板19、上孔板20和填充棒束21組成，上、下孔板18、20設置有流水孔和定位孔，圍板19下緣與吊蘭模擬件4的凹形槽配合連接和定位，圍板19上端與吊蘭模擬件3連接，填充棒束21由若干數量填充棒組成，填充棒上、下端設置有外螺紋，分別與上、下孔板定位孔內螺紋配合緊固和定位。

堆內構件模擬件4圍板19下緣與吊蘭模擬件3凹形槽配合，可實現自動地連接和定位；填充棒上、下端設置有外螺紋，分別與上、下孔板定位孔內螺紋配合緊固和定位，拆卸更換不同規(guī)格的填充棒，即可滿足堆內構件不同的模擬需求。

如上所述，本發(fā)明的反應堆模擬裝置由反應堆壓力容器模擬件、堆芯模擬件、吊蘭模擬件和堆內構件模擬件組成，本發(fā)明還包括了上述部件以及部件之間的組裝工藝。

其特點包括：

（1）反應堆壓力容器模擬件由下封頭、筒體和上封頭組成；下封頭與筒體焊接連接，筒體和上封頭通過法蘭和Ω環(huán)密封件連接；下封頭內外均為平底結構，設置有若干導向孔，內置弧面填充塊。

（2）堆芯模擬件由若干電熱元件、導向管以及1根排水管組成，每根電熱元件與導向管通過金屬卡套活連接，導向管與反應堆壓力容器模擬件下封頭通過脹焊連接，若干導向管下端成錐面或弧面布置，排水管與導向管亦通過金屬卡套活連接，位于堆芯模擬件中央，排水管上部兩側設置有排水槽。

（3）吊蘭模擬件由下梅花孔板、圍筒和上梅花孔板組成，下梅花孔板和圍筒通過螺栓連接，圍筒和上梅花孔板亦通過螺栓連接，每個螺栓中心設置有流水孔；上、下梅花孔板設置有若干個三葉或多葉梅花孔，梅花孔與電熱元件存在較大間隙，上梅花孔板每個梅花孔內置有定位環(huán)，定位環(huán)可單個拆卸。

（4）堆內構件模擬件由下孔板、圍板、上孔板和填充棒束組成，上、下孔板設置有流水孔和定位孔，圍板下緣與吊蘭模擬件凹形槽配合連接和定位，圍板上端與吊蘭模擬件通過螺栓連接，填充棒束由若干數量填充棒組成，填充棒的規(guī)格和布置根據堆內構件模擬需求確定，填充棒上、下端設置有外螺紋，分別與上、下孔板定位孔內螺紋配合緊固和定位。

（5）反應堆模擬裝置部件之間為活連接，具體組裝工藝如下：1）吊蘭模擬件與反應堆壓力容器模擬件螺栓緊固；2）堆芯模擬件電熱元件逐根穿過導向管、吊蘭模擬件上、下梅花孔板；3）堆芯模擬件電熱元件與導向管通過金屬卡套活連接；4）上梅花孔板梅花孔內嵌入定位環(huán)；5）堆內構件模擬件嵌入吊蘭模擬件凹形槽，與吊蘭模擬件通過螺栓連接緊固；6）反應堆壓力容器模擬件筒體和上封頭通過法蘭和Ω環(huán)密封件焊接連接，Ω環(huán)密封件可拆卸。

如圖1、2、3所示，反應堆模擬裝置的具體組裝工藝如下：（1）反應堆壓力容器模擬件1下封頭5和筒體7焊接、下封頭5內置弧面填充塊6焊接完成后，將導向管11逐根插入導向孔，保證導向管11上端與下封頭5內底基本平齊，保證導向管11下端呈錐面布置，最后逐根進行焊接和液壓漲管；（2）吊蘭模擬件3裝入反應堆壓力容器模擬件1內，通過螺栓緊固后將其整體臥式放置；（3）堆芯模擬件2電熱元件10逐根穿過導向管11、吊蘭模擬件3上、下梅花孔板15，每根電熱元件10貫穿完成后，須進行橫向和軸向位置確認，再對電熱元件10與導向管11的連接金屬卡套14進行緊固，上述操作全部完成后方可開展下一根電熱元件10貫穿操作，具體操作順序自中央向周邊推進；（4）吊蘭模擬件3上梅花孔板17梅花孔嵌入定位環(huán)13，定位環(huán)13通過螺紋旋入梅花孔內，具體操作順序自中央向周邊推進；（5）反應堆壓力容器模擬件1立式放置后，將堆內構件模擬件4裝入反應堆壓力容器模擬件1，自動嵌入吊蘭模擬件3凹形槽，實現自動連接和定位，最后與吊蘭模擬件3通過螺栓緊固；（6）將反應堆壓力容器模擬件1上封頭8放置在筒體7上方，進行就位和對中，在法蘭密封面放置聚四氟乙烯墊片，緊固螺栓后開展第1次水壓試驗，第1次水壓試驗完成后拆除螺栓和聚四氟乙烯墊片，完成Ω環(huán)密封件9焊接后，再開展第2次水壓試驗。

作為優(yōu)選，段筒體7沿著上下方向設置分隔板。通過設置分隔板，使得流體的流程分為至少兩部分。流體在下段筒體內先在一側從上向下流動，然后再進入另一側從下往上流動，或者使流體先從外部從上往下流動，然后從中間從下往上流動。如圖4所示。

作為優(yōu)選，電加熱元件10是多組，所述多組電加熱元件采用串聯的方式連接，電加熱組件間通過導電銅線相連。

堆芯模擬體中電加熱元件的組數以及每組電加熱元件的數量及單根電加熱元件的外徑均可調節(jié)以滿足不同表面熱流密度需求。

作為優(yōu)選，沿著流體的流動方向，將電加熱元件單位長度的電加熱功率W設置為流體流動路徑S的函數，其中S是距離流體進入堆芯模擬體入口的長度，即W＝F（S），F’(S)>0，其中F’(S)是F（S）的一次導數。

上述的電加熱功率的變化，實際上就是沿著流體的流動方向上，單位長度的電加熱功率逐漸升高。通過上述的電加熱功率的規(guī)律變化，可為極大的提高流體的換熱效率，通過實驗發(fā)現，在相同的總功率下，能夠提高15％左右的換熱效率。通過理論分析，發(fā)現采用上述的規(guī)律變化，類似于換熱器中的逆流換熱。

作為優(yōu)選，F"(S)>0，其中F"(S)是F（S）的二次導數。沿著流體的流動方向上，單位長度的電加熱功率逐漸升高的幅度越來越大。通過實驗發(fā)現，在相同的總功率下，上述的設置能夠提高8％左右的吸熱效率。

作為優(yōu)選，流體在堆芯模擬件2流動的總路徑長度為S_總，流體在堆芯模擬件出口位置的單位長度的電加熱功率為W_后，則在流體進入堆芯模擬體入口的長度s處的單位長度的加熱功率為w＝W_后*（s/S）^a，其中a是系數，1.23<a<1.34。

上述的關系是通過大量的數值模擬及其實驗獲得的，通過大量的實驗得到了驗證。通過上述的關系進行功率分配，能夠使得流體的熱量吸收達到最佳的效果。

作為優(yōu)選，1.28<a<1.30。

作為優(yōu)選，隨著s/S增加，a逐漸減小。

作為優(yōu)選，所述堆芯模擬件2中包括多組電加熱元件10，所述多組電加熱元件之間是串聯結構。

作為對于前面加熱規(guī)律的具體實施方式，作為優(yōu)選，所述電加熱元件分為多段，沿著流體的流動方向，不同段的加熱功率逐漸增加。通過上述的優(yōu)化的設計，便于加工。

所述電加熱元件采用電阻加熱的方式。

作為優(yōu)選，所述電加熱元件為棒狀電阻。

作為優(yōu)選，所述電加熱元件為電阻絲。

作為優(yōu)選，所述電加熱元件為串聯結構，所述電加熱元件（作為優(yōu)選一個或者多個棒狀電阻或者一個或者多個電阻絲）沿著流體的流動方向，電加熱裝置的外徑越來越小，即電加熱裝置越來越細。通過上述的優(yōu)化設置，達到電加熱裝置不同位置的發(fā)熱功率不同，從而提高電加熱的效率。

作為優(yōu)選，沿著流體的流動方向，電加熱裝置外徑變小的幅度越來越大。

通過采用外徑變化，達到電加熱裝置不同位置的發(fā)熱功率不同。

作為優(yōu)選，電加熱元件的外部形狀為拋物線的形狀。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。