本發(fā)明涉及高溫高壓熱工水力試驗(yàn)?zāi)M裝置領(lǐng)域，具體涉及基于擴(kuò)散焊接的耐高溫棒束燃料組件模擬裝置。

背景技術(shù)：

世界上在運(yùn)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(jìn)行包裹，并將堆芯運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的放射性物質(zhì)隔離在包殼內(nèi)部。同時(shí)，燃料芯塊裂變所產(chǎn)生的熱量，也通過包殼傳遞至包殼外側(cè)的冷卻介質(zhì)。堆芯燃料包殼的完整性是核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中對(duì)放射性物質(zhì)進(jìn)行多層屏蔽的最重要一層。在反應(yīng)堆運(yùn)行工況下，當(dāng)燃料芯塊裂變產(chǎn)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(shí)，將在包殼表面觸發(fā)沸騰危機(jī)。包殼表面的傳熱性能急劇惡化，包殼壁溫急劇飛升進(jìn)而導(dǎo)致包殼熔毀，帶來放射性物質(zhì)外泄風(fēng)險(xiǎn)。堆芯燃料組件臨界熱流密度是核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)及安全分析最為重要的熱工水力限值參數(shù)。針對(duì)核反應(yīng)堆中將要采用的每一種燃料組件結(jié)構(gòu)，均需通過開展大量沸騰臨界試驗(yàn)，獲得對(duì)應(yīng)的臨界熱流密度值。在這些沸騰臨界試驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(yàn)中的強(qiáng)度表現(xiàn)。目前的模擬體存在試驗(yàn)中的壽命短、耐受沸騰臨界試驗(yàn)中的高溫高壓工況性能差的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供基于擴(kuò)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(yàn)中的壽命短、耐受沸騰臨界試驗(yàn)中的高溫高壓工況性能差的問題。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

基于擴(kuò)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(nèi)，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(jié)構(gòu)；陶瓷流道腔室外側(cè)為承壓套筒，承壓套筒兩端筒壁上分別布置有流體進(jìn)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(cè)為承壓套筒，承壓套筒兩端筒壁上分別布置有流體進(jìn)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(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)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(kuò)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(duì)稱布置在中間法蘭兩側(cè)；中間法蘭、上法蘭和下法蘭上設(shè)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(cè)壁上設(shè)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(shè)置冷卻液溝槽；采用擴(kuò)散焊接方式將中間法蘭與上法蘭和下法蘭的兩個(gè)接觸面完全焊接。具體的講，申請(qǐng)人在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，整個(gè)試驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)，通過對(duì)上萬次的試驗(yàn)總結(jié)和理論分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)實(shí)驗(yàn)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(shè)置成上法蘭、中法蘭、下法蘭的三層疊加結(jié)構(gòu)，在中法蘭上發(fā)熱棒束模擬體穿過的棒束通道側(cè)壁設(shè)置環(huán)形凹槽，將絕緣密封墊片放置在該凹槽內(nèi)，在使用過程中，由于環(huán)形凹槽對(duì)于絕緣密封墊片的位置限定作用，可以有效地保護(hù)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(shí)，上法蘭和下法蘭與中間法蘭焊接面上設(shè)置冷卻液溝槽，可以利用冷卻液來對(duì)密封部位進(jìn)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(gè)試驗(yàn)裝置的使用壽命。將棒束密封端蓋端蓋面上開有對(duì)應(yīng)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。基于擴(kuò)散焊接技術(shù)，通過在上法蘭和下法蘭與中間法蘭的焊接面上設(shè)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(shí)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(nèi)壓力計(jì)算確定的間隔距離，在擴(kuò)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(shí)針方向和逆時(shí)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(gè)陶瓷塊拼接而成，陶瓷筒橫截面的內(nèi)部為模擬燃料組件流道一致的矩形、外部為與承壓套筒內(nèi)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(nèi)側(cè)壁面的交點(diǎn)均位于各矩形通道邊的中點(diǎn)，且拼接面與陶瓷流道腔室內(nèi)壁面之間構(gòu)成傾斜的夾角。具體的講，承壓套筒內(nèi)側(cè)采用四塊陶瓷拼接成外圓內(nèi)方的結(jié)構(gòu)，將流道內(nèi)壓力直接傳導(dǎo)至承壓套筒內(nèi)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(dòng)位移。高壓下承壓套筒向外膨脹后，陶瓷間為斜向的輕微錯(cuò)位，不會(huì)在流道壁面產(chǎn)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(dǎo)電區(qū)；發(fā)熱棒束模擬體釋熱區(qū)采用高阻抗高強(qiáng)度金屬材料，發(fā)熱棒束模擬體導(dǎo)電區(qū)采用低阻抗金屬材料；導(dǎo)電區(qū)和發(fā)散區(qū)采用擴(kuò)散焊形成結(jié)構(gòu)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(jìn)口接管和出口接管對(duì)應(yīng)區(qū)域還設(shè)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(nèi)徑大于模擬流道，外徑小于承壓套筒內(nèi)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(nèi)徑匹配。在承壓套筒管壁的進(jìn)口接管和出口接管對(duì)應(yīng)區(qū)域還設(shè)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(nèi)徑大于模擬流道，外徑小于承壓套筒內(nèi)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(nèi)徑匹配。流量分配器減小了進(jìn)出口處側(cè)向進(jìn)出的流體對(duì)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(nèi)設(shè)置有高溫絕緣密封圈，將發(fā)熱棒束模擬體伸出的導(dǎo)電區(qū)與棒束密封端蓋之間進(jìn)行絕緣密封；棒束密封端蓋與承壓套筒端面之間設(shè)置高溫高壓密封墊片。發(fā)熱棒束模擬體的兩端為試驗(yàn)段導(dǎo)電區(qū)，中間為試驗(yàn)段釋熱區(qū)，導(dǎo)電區(qū)采用導(dǎo)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(jié)構(gòu)強(qiáng)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(dǎo)電區(qū)的金屬管和加熱區(qū)的金屬管采用擴(kuò)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(shí)兩種材料在高溫下的連接強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)的銀釬焊接方式。由于釋熱區(qū)和導(dǎo)電區(qū)金屬材料的電阻能夠相差2到3個(gè)量級(jí)，基于通電導(dǎo)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(zhuǎn)化為金屬導(dǎo)體釋熱，發(fā)熱棒束模擬體的外徑與模擬棒束對(duì)象的外徑一致。釋熱區(qū)的金屬管壁厚在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，可以通過改變棒束軸向內(nèi)徑，調(diào)節(jié)發(fā)熱管沿程壁厚，實(shí)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(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明基于擴(kuò)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(shè)置成上法蘭、中法蘭、下法蘭的三層疊加結(jié)構(gòu)，在中法蘭上發(fā)熱棒束模擬體穿過的棒束通道側(cè)壁設(shè)置環(huán)形凹槽，將絕緣密封墊片放置在該凹槽內(nèi)，在使用過程中，由于環(huán)形凹槽對(duì)于絕緣密封墊片的位置限定作用，可以有效地保護(hù)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(shí)，通過在對(duì)稱設(shè)置的上法蘭和下法蘭與中間法蘭的焊接面上設(shè)置冷卻液溝槽，可以利用冷卻液來對(duì)密封部位進(jìn)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(gè)試驗(yàn)裝置的使用壽命。將棒束密封端蓋面上開有對(duì)應(yīng)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(kuò)散焊接技術(shù)在密封槽上下兩側(cè)各焊接形成與密封槽相對(duì)應(yīng)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(shí)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(kuò)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(jìn)口接管和出口接管對(duì)應(yīng)區(qū)域設(shè)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(nèi)徑大于模擬流道，外徑小于承壓筒體內(nèi)徑，與承壓套筒之間形成流道腔室。流量分配器減小了進(jìn)出口處側(cè)向進(jìn)出的流體對(duì)發(fā)熱棒束模擬體的沖擊作用；

3、本發(fā)明基于擴(kuò)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(yàn)段導(dǎo)電區(qū)，中間為試驗(yàn)段釋熱區(qū)，導(dǎo)電區(qū)采用導(dǎo)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(jié)構(gòu)強(qiáng)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(dǎo)電區(qū)的金屬管和加熱區(qū)的金屬管采用擴(kuò)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(shí)兩種材料在高溫下的連接強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)的銀釬焊接方式。由于釋熱區(qū)和導(dǎo)電區(qū)金屬材料的電阻能夠相差2到3個(gè)量級(jí)，基于通電導(dǎo)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(zhuǎn)化為金屬導(dǎo)體釋熱，發(fā)熱棒束模擬體的外徑與模擬棒束對(duì)象的外徑一致。釋熱區(qū)的金屬管壁厚在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，可以通過改變棒束軸向內(nèi)徑，調(diào)節(jié)發(fā)熱管沿程壁厚，實(shí)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(kuò)散焊接的耐高溫棒束燃料組件模擬裝置，擴(kuò)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(diǎn)，棒束密封端蓋內(nèi)的冷卻流道將高溫密封圈的溫度維持在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之下，使得棒束燃料組件模擬體的使用工況可達(dá)到核反應(yīng)堆的實(shí)際溫度及壓力水平，可用于精確模擬核反應(yīng)堆全壽期內(nèi)任一軸向功率分布下的棒束通道內(nèi)的高溫高壓流動(dòng)傳熱狀態(tài)。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明半剖結(jié)構(gòu)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(biāo)記及對(duì)應(yīng)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(jìn)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(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

實(shí)施例

如圖1至4所示，本發(fā)明基于擴(kuò)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(qiáng)度及變形計(jì)算進(jìn)行確定，靠近兩端頭部位開有進(jìn)口接管11和出口接管12。在承壓套筒4內(nèi)設(shè)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(nèi)徑一致，內(nèi)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(shí)將流道內(nèi)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(nèi)側(cè)壁面的交點(diǎn)均位于各矩形流道邊的中點(diǎn)，且拼接面與陶瓷流道腔室3內(nèi)壁面之間構(gòu)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(nèi)的定位。在陶瓷流道腔室3的上下方，承壓套筒4壁面進(jìn)口接管11和出口接管12對(duì)應(yīng)區(qū)域設(shè)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(nèi)徑大于模擬流道，外徑小于承壓套筒4內(nèi)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(nèi)徑匹配，流體流經(jīng)流量分配器5后可以減少對(duì)發(fā)熱棒束模擬1的橫向作用力。在承壓套筒4的兩個(gè)端部均設(shè)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(nèi)，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(kuò)散焊的方式連接到一起。上法蘭602和下法蘭603對(duì)稱布置在中間法蘭601兩側(cè)，中間法蘭601、上法蘭602和下法蘭603上設(shè)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(cè)壁上設(shè)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在上法蘭602和下法蘭604與中間法蘭601的焊接面上設(shè)置冷卻液溝槽606，冷卻液溝槽606按照順時(shí)針方向和逆時(shí)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(nèi)壓力計(jì)算確定的間隔距離，在擴(kuò)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(jìn)出口管道，在高溫試驗(yàn)工況下將絕緣密封墊片7的溫度維持在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之下。在棒束密封端蓋6與承壓套筒4之間還設(shè)置有高溫密封圈8，發(fā)熱棒束模擬體1的兩端為試驗(yàn)段導(dǎo)電區(qū)，中間為試驗(yàn)段釋熱區(qū)，導(dǎo)電區(qū)采用導(dǎo)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(jié)構(gòu)強(qiáng)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(dǎo)電區(qū)的金屬管和加熱區(qū)的金屬管采用擴(kuò)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(shí)兩種材料在高溫下的連接強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)的銀釬焊接方式。由于釋熱區(qū)和導(dǎo)電區(qū)金屬材料的電阻能夠相差2到3個(gè)量級(jí)，基于通電導(dǎo)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(zhuǎn)化為金屬導(dǎo)體釋熱，發(fā)熱棒束模擬體的外徑與模擬棒束對(duì)象的外徑一致。釋熱區(qū)的金屬管壁厚在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，可以通過改變棒束軸向內(nèi)徑，調(diào)節(jié)發(fā)熱管沿程壁厚，實(shí)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(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。