本發(fā)明涉及高溫高壓熱工水力試驗模擬裝置領域，具體涉及基于擴散焊接的耐高溫棒束燃料組件模擬裝置。

背景技術：

世界上在運行的絕大多數(shù)核電站都是采用棒束燃料組件堆芯。棒狀的燃料芯塊采用鋯合金包殼進行包裹，并將堆芯運行過程中所產生的放射性物質隔離在包殼內部。同時，燃料芯塊裂變所產生的熱量，也通過包殼傳遞至包殼外側的冷卻介質。堆芯燃料包殼的完整性是核反應堆設計中對放射性物質進行多層屏蔽的最重要一層。在反應堆運行工況下，當燃料芯塊裂變產生熱量的熱流密度高于包殼傳熱所允許的臨界熱流密度限值時，將在包殼表面觸發(fā)沸騰危機。包殼表面的傳熱性能急劇惡化，包殼壁溫急劇飛升進而導致包殼熔毀，帶來放射性物質外泄風險。堆芯燃料組件臨界熱流密度是核反應堆設計及安全分析最為重要的熱工水力限值參數(shù)。針對核反應堆中將要采用的每一種燃料組件結構，均需通過開展大量沸騰臨界試驗，獲得對應的臨界熱流密度值。在這些沸騰臨界試驗中，基于焦耳釋熱原理采用通電釋熱的方式來模擬堆芯燃料組件包殼表面極高的熱流密度，燃料組件模擬體的結構決定了模擬體熱流密度分布特性及在高溫高壓沸騰臨界試驗中的強度表現(xiàn)。目前的模擬體存在試驗中的壽命短、耐受沸騰臨界試驗中的高溫高壓工況性能差的缺陷。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供基于擴散焊接的耐高溫棒束燃料組件模擬裝置，解決目前的模擬體存在試驗中的壽命短、耐受沸騰臨界試驗中的高溫高壓工況性能差的問題。

本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn)：

基于擴散焊接的耐高溫棒束燃料組件模擬裝置，發(fā)熱棒束模擬體按照堆芯棒束排列方式置于陶瓷流道腔室內，發(fā)熱棒束模擬體沿軸向依次布置燃料組件定位格架模擬體用以固定棒束排列方式，共同組成堆芯棒束燃料組件的流道模擬結構；陶瓷流道腔室外側為承壓套筒，承壓套筒兩端筒壁上分別布置有流體進口接管和出口接管；發(fā)熱棒束模擬體的兩端分別穿過固定在承壓套筒兩端的棒束密封端蓋后與外界電源電極連接。陶瓷流道腔室外側為承壓套筒，承壓套筒兩端筒壁上分別布置有流體進口接管和出口接管，發(fā)熱棒束模擬體的兩端分別穿過固定在承壓套筒兩端的棒束密封端蓋后于外部電源電極連接，其整體結構具有極強的耐壓耐高溫能力，大大提升了整體的使用壽命。

所述的棒束密封端蓋包括中間法蘭、上法蘭、以及下法蘭，并采用擴散焊形成帶有密封槽及冷卻通道一體化端蓋；上法蘭和下法蘭對稱布置在中間法蘭兩側；中間法蘭、上法蘭和下法蘭上設置有棒束通道，其尺寸及布置方式與發(fā)熱棒束模擬體相匹配；中間法蘭的棒束通道側壁上設置有用于安裝絕緣密封墊片的環(huán)形凹槽；在上法蘭和下法蘭與中間法蘭焊接面上設置冷卻液溝槽；采用擴散焊接方式將中間法蘭與上法蘭和下法蘭的兩個接觸面完全焊接。具體的講，申請人在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，整個試驗裝置在實驗過程中，最先損壞的一般都是發(fā)熱棒束模擬體的端部密封結構，通過對上萬次的試驗總結和理論分析發(fā)現(xiàn)：當實驗過程中，高溫高壓的環(huán)境差異最先作用在密封環(huán)上，為了提高密封環(huán)的耐高溫、耐壓能力，通過將棒束密封端蓋設置成上法蘭、中法蘭、下法蘭的三層疊加結構，在中法蘭上發(fā)熱棒束模擬體穿過的棒束通道側壁設置環(huán)形凹槽，將絕緣密封墊片放置在該凹槽內，在使用過程中，由于環(huán)形凹槽對于絕緣密封墊片的位置限定作用，可以有效地保護絕緣密封墊片，可以降低其在發(fā)熱棒束模擬體軸向上的損壞。同時，上法蘭和下法蘭與中間法蘭焊接面上設置冷卻液溝槽，可以利用冷卻液來對密封部位進行冷卻降溫，從而提高其耐高溫的能力，通過耐高溫能力的提升以及耐磨損能力的提升，大大提高了整個試驗裝置的使用壽命。將棒束密封端蓋端蓋面上開有對應棒束位置的通道及環(huán)形凹槽，保證通電高溫下棒束向兩端的自由膨脹?；跀U散焊接技術，通過在上法蘭和下法蘭與中間法蘭的焊接面上設置冷卻液溝槽，控制高溫下密封槽周圍的局部溫度，確保絕緣密封環(huán)始終工作在其允許溫度范圍，同時可防止模擬體緊急降溫過程中帶來的密封環(huán)失效。

所述的冷卻液溝槽圍繞上法蘭和下法蘭的棒束通道，與中間法蘭的環(huán)形凹槽在沿棒束軸線的方向上基本相重疊；冷卻液溝槽與棒束通道之間留有基于承壓套筒內壓力計算確定的間隔距離，在擴散焊接完成后形成棒束密封端蓋上的冷卻通道。冷卻液溝槽按照順時針方向和逆時針方向交替繞制的方式依次繞過棒束通道，從而保證了其換熱的效率，避免局部換熱不均勻的問題。

所述陶瓷流道腔室是基于發(fā)熱棒束模擬體的長度由多段陶瓷沿軸向拼接而成，每段陶瓷筒在周向由四個陶瓷塊拼接而成，陶瓷筒橫截面的內部為模擬燃料組件流道一致的矩形、外部為與承壓套筒內徑相匹配的圓形。

所述周向拼接的四塊陶瓷塊，其拼接面與內側壁面的交點均位于各矩形通道邊的中點，且拼接面與陶瓷流道腔室內壁面之間構成傾斜的夾角。具體的講，承壓套筒內側采用四塊陶瓷拼接成外圓內方的結構，將流道內壓力直接傳導至承壓套筒內壁，陶瓷塊與承壓套筒之間無旁通流道，四塊陶瓷塊間的拼接方式為斜角，接觸面積大，不易發(fā)生振動位移。高壓下承壓套筒向外膨脹后，陶瓷間為斜向的輕微錯位，不會在流道壁面產生直通壁面的垂直裂隙，影響中心流道近壁面的流場。

所述發(fā)熱棒束模擬體包括中部的釋熱區(qū)和兩端的導電區(qū)；發(fā)熱棒束模擬體釋熱區(qū)采用高阻抗高強度金屬材料，發(fā)熱棒束模擬體導電區(qū)采用低阻抗金屬材料；導電區(qū)和發(fā)散區(qū)采用擴散焊形成結構一體、發(fā)熱分區(qū)的發(fā)熱棒束模擬體。

在所述陶瓷流道腔室與棒束密封端蓋之間，在承壓套筒管壁的進口接管和出口接管對應區(qū)域還設置有流量分配器；流量分配器的中間筒體上布置有分流孔；流量分配器中間筒體的內徑大于模擬流道，外徑小于承壓套筒內徑與承壓套筒之間形成環(huán)形流道腔室；流量分配器的兩端是限位環(huán)，限位環(huán)外徑與承壓套筒內徑匹配。在承壓套筒管壁的進口接管和出口接管對應區(qū)域還設置有流量分配器，流量分配器的中間筒體上布置有分配孔，其內徑大于模擬流道，外徑小于承壓套筒內徑，與承壓套筒之間形成環(huán)形流道腔室，流量分配器的兩端是限位環(huán)，限位環(huán)外徑與承壓套筒內徑匹配。流量分配器減小了進出口處側向進出的流體對發(fā)熱棒束模擬體的沖擊作用。

在所述的承壓套筒棒束通道的環(huán)形凹槽內設置有高溫絕緣密封圈，將發(fā)熱棒束模擬體伸出的導電區(qū)與棒束密封端蓋之間進行絕緣密封；棒束密封端蓋與承壓套筒端面之間設置高溫高壓密封墊片。發(fā)熱棒束模擬體的兩端為試驗段導電區(qū)，中間為試驗段釋熱區(qū)，導電區(qū)采用導電性能優(yōu)異的低阻抗金屬管，材料可選用黃銅或者鎳，中間釋熱區(qū)采用高溫下結構強度優(yōu)異的高阻抗金屬管，材料可選用不銹鋼或銦科鎳625，兩端導電區(qū)的金屬管和加熱區(qū)的金屬管采用擴散焊的方式連接到一起，此焊接方式可以使異種材料之間的接觸電阻降至較低水平，同時兩種材料在高溫下的連接強度優(yōu)于傳統(tǒng)的銀釬焊接方式。由于釋熱區(qū)和導電區(qū)金屬材料的電阻能夠相差2到3個量級，基于通電導熱焦耳釋熱原理，加載到發(fā)熱棒束模擬體上的電流絕大部分在釋熱區(qū)轉化為金屬導體釋熱，發(fā)熱棒束模擬體的外徑與模擬棒束對象的外徑一致。釋熱區(qū)的金屬管壁厚在滿足結構強度的前提下，可以通過改變棒束軸向內徑，調節(jié)發(fā)熱管沿程壁厚，實現(xiàn)釋熱區(qū)沿程釋熱功率分布的模擬。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：

1、本發(fā)明基于擴散焊接的耐高溫棒束燃料組件模擬裝置，將棒束密封端蓋設置成上法蘭、中法蘭、下法蘭的三層疊加結構，在中法蘭上發(fā)熱棒束模擬體穿過的棒束通道側壁設置環(huán)形凹槽，將絕緣密封墊片放置在該凹槽內，在使用過程中，由于環(huán)形凹槽對于絕緣密封墊片的位置限定作用，可以有效地保護絕緣密封墊片，降低其在發(fā)熱棒束模擬體軸向上的損壞，同時，通過在對稱設置的上法蘭和下法蘭與中間法蘭的焊接面上設置冷卻液溝槽，可以利用冷卻液來對密封部位進行冷卻降溫，從而提高其耐高溫的能力，通過耐高溫能力的提升以及耐磨損能力的提升，大大提高了整個試驗裝置的使用壽命。將棒束密封端蓋面上開有對應棒束位置的棒束通道及環(huán)形凹槽，保證通電高溫下棒束向兩端的自由膨脹，基于擴散焊接技術在密封槽上下兩側各焊接形成與密封槽相對應的冷卻劑通道，控制高溫下密封槽周圍的局部溫度，確保絕緣密封環(huán)始終工作在其允許溫度范圍，同時可防止模擬體緊急降溫過程中帶來的密封環(huán)失效；

2、本發(fā)明基于擴散焊接的耐高溫棒束燃料組件模擬裝置，在流道腔室與棒束端蓋之間，在承壓套筒壁面的進口接管和出口接管對應區(qū)域設置有流量分配器，其中間筒體上布置有分配孔，中間筒體的內徑大于模擬流道，外徑小于承壓筒體內徑，與承壓套筒之間形成流道腔室。流量分配器減小了進出口處側向進出的流體對發(fā)熱棒束模擬體的沖擊作用；

3、本發(fā)明基于擴散焊接的耐高溫棒束燃料組件模擬裝置，發(fā)熱棒束模擬體的兩端為試驗段導電區(qū)，中間為試驗段釋熱區(qū)，導電區(qū)采用導電性能優(yōu)異的低阻抗金屬管，材料可選用黃銅或者鎳，中間釋熱區(qū)采用高溫下結構強度優(yōu)異的高阻抗金屬管，材料可選用不銹鋼或銦科鎳625，兩端導電區(qū)的金屬管和加熱區(qū)的金屬管采用擴散焊的方式連接到一起，此焊接方式可以使異種材料之間的接觸電阻降至較低水平，同時兩種材料在高溫下的連接強度優(yōu)于傳統(tǒng)的銀釬焊接方式。由于釋熱區(qū)和導電區(qū)金屬材料的電阻能夠相差2到3個量級，基于通電導熱焦耳釋熱原理，加載到發(fā)熱棒束模擬體上的電流絕大部分在釋熱區(qū)轉化為金屬導體釋熱，發(fā)熱棒束模擬體的外徑與模擬棒束對象的外徑一致。釋熱區(qū)的金屬管壁厚在滿足結構強度的前提下，可以通過改變棒束軸向內徑，調節(jié)發(fā)熱管沿程壁厚，實現(xiàn)釋熱區(qū)沿程釋熱功率分布的模擬；

4、本發(fā)明基于擴散焊接的耐高溫棒束燃料組件模擬裝置，擴散焊連接的方法使得發(fā)熱棒束模擬體的壁面溫度可以超過銀釬焊的熔點，棒束密封端蓋內的冷卻流道將高溫密封圈的溫度維持在設計標準之下，使得棒束燃料組件模擬體的使用工況可達到核反應堆的實際溫度及壓力水平，可用于精確模擬核反應堆全壽期內任一軸向功率分布下的棒束通道內的高溫高壓流動傳熱狀態(tài)。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明半剖結構示意圖；

圖2為本發(fā)明圖1中b-b向剖視圖；

圖3為本發(fā)明中棒束密封端蓋的拆解示意圖；

圖4為本發(fā)明圖3中a-a向剖視圖。

附圖中標記及對應的零部件名稱：

1-發(fā)熱棒束模擬體，2-燃料組件定位格架模擬體，3-陶瓷流道腔室，4-承壓套筒，5-流量分配器，6-棒束密封端蓋，7-絕緣密封墊片，8-高溫密封圈，9-螺栓，10-螺母，11-進口接管，12-出口接管，601-中間法蘭，602-上法蘭，603-下法蘭，604-通道，605-環(huán)形凹槽，606-冷卻液溝槽。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。

實施例

如圖1至4所示，本發(fā)明基于擴散焊接的耐高溫棒束燃料組件模擬裝置，包括承壓套筒4，承壓套筒4為承壓厚壁圓筒，其壁厚通過高壓下的材料強度及變形計算進行確定，靠近兩端頭部位開有進口接管11和出口接管12。在承壓套筒4內設置有陶瓷流道腔室3，陶瓷流道腔室3的外徑與承壓套筒4內徑一致，內部為棒束燃料組件的流道，用于將發(fā)熱棒束模擬1與承壓套筒4絕緣。同時將流道內部壓力傳遞到承壓套筒4，沿流道軸向，陶瓷流道腔室3基于發(fā)熱棒束模擬體1的長度由多段陶瓷筒沿軸向拼接而成，每段陶瓷筒在軸向由四塊陶瓷拼接而成，拼接面與內側壁面的交點均位于各矩形流道邊的中點，且拼接面與陶瓷流道腔室3內壁面之間構成傾斜的夾角。燃料組件定位格架模擬體2選用模擬棒束燃料組件的定位格架形式，用于發(fā)熱棒束模擬體1在陶瓷流道腔室3內的定位。在陶瓷流道腔室3的上下方，承壓套筒4壁面進口接管11和出口接管12對應區(qū)域設置有流量分配器5。流量分配器5的中間筒體上布置有分流孔，中間筒體內徑大于模擬流道，外徑小于承壓套筒4內徑，與承壓套筒之間形成環(huán)形流道腔室。流量分配器5的兩端是限位環(huán)，限位環(huán)外徑與承壓套筒4內徑匹配，流體流經流量分配器5后可以減少對發(fā)熱棒束模擬1的橫向作用力。在承壓套筒4的兩個端部均設置有棒束密封端蓋6，發(fā)熱棒束模擬體1置于陶瓷流道腔室3內，其兩端穿過并固定在棒束密封端蓋6上，棒束密封端蓋6由上法蘭602、中間法蘭601和下法蘭603通過擴散焊的方式連接到一起。上法蘭602和下法蘭603對稱布置在中間法蘭601兩側，中間法蘭601、上法蘭602和下法蘭603上設置有棒束通道604，其尺寸及布置方式與發(fā)熱棒束模擬1相匹配。中間法蘭601的棒束通道604側壁上設置有用于安裝絕緣密封墊片7的環(huán)形凹槽605，其尺寸基于絕緣密封墊片7的密封標準進行設計。在上法蘭602和下法蘭604與中間法蘭601的焊接面上設置冷卻液溝槽606，冷卻液溝槽606按照順時針方向和逆時針方向交替繞制的方式圍繞上法蘭602和下法蘭603的棒束通道604，與中間法蘭601的環(huán)形凹槽605在沿棒束軸線的方向上基本相重疊，冷卻液溝槽606與棒束通道604之間留有基于承壓套筒4內壓力計算確定的間隔距離，在擴散焊接完成后形成棒束密封端蓋6上的冷卻通道，通過端蓋冷卻水進出口管道，在高溫試驗工況下將絕緣密封墊片7的溫度維持在設計標準之下。在棒束密封端蓋6與承壓套筒4之間還設置有高溫密封圈8，發(fā)熱棒束模擬體1的兩端為試驗段導電區(qū)，中間為試驗段釋熱區(qū)，導電區(qū)采用導電性能優(yōu)異的低阻抗金屬管，材料可選用黃銅或者鎳，中間釋熱區(qū)采用高溫下結構強度優(yōu)異的高阻抗金屬管，材料可選用不銹鋼或銦科鎳625，兩端導電區(qū)的金屬管和加熱區(qū)的金屬管采用擴散焊的方式連接到一起，此焊接方式可以使異種材料之間的接觸電阻降至較低水平，同時兩種材料在高溫下的連接強度優(yōu)于傳統(tǒng)的銀釬焊接方式。由于釋熱區(qū)和導電區(qū)金屬材料的電阻能夠相差2到3個量級，基于通電導熱焦耳釋熱原理，加載到發(fā)熱棒束模擬體上的電流絕大部分在釋熱區(qū)轉化為金屬導體釋熱，發(fā)熱棒束模擬體的外徑與模擬棒束對象的外徑一致。釋熱區(qū)的金屬管壁厚在滿足結構強度的前提下，可以通過改變棒束軸向內徑，調節(jié)發(fā)熱管沿程壁厚，實現(xiàn)釋熱區(qū)沿程釋熱功率分布的模擬。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。