本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆安全，更具體地說，它涉及一種多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、核電是一種使用易裂變核素的自持鏈式裂變反應(yīng)產(chǎn)生電能的方式，目前，核電普遍用于陸上核反應(yīng)堆裝置之中，為陸上電網(wǎng)提供電能供給。我國擁有豐富的海洋資源，其中廣闊海域的待開發(fā)島嶼、海上鉆井平臺、海底勘探及深海探測工作站等需要穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)，由于深海環(huán)境復(fù)雜且對設(shè)備要求極高，傳統(tǒng)的供電方式往往難以滿足需求，而海洋環(huán)境下的小型核動力電源憑借其高能量密度、長壽命和穩(wěn)定可靠的特點，已成為海洋資源開發(fā)過程中的重要能源選擇，在海洋資源開發(fā)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2、現(xiàn)有海洋核電系統(tǒng)設(shè)計多沿用或者借鑒原有船用核動力技術(shù)，系統(tǒng)組成相對復(fù)雜，建設(shè)及維修困難，成本和周期均存在較大的不確定性，多數(shù)小型核電設(shè)計采用能動加非能動安全系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)復(fù)雜，使得海上核電系統(tǒng)存在設(shè)備和結(jié)構(gòu)布置難度較大的問題，其中由于流體各部分溫度不同甚至帶有相變，流體各部分之間存在密度差，當較冷流體所處高度高于較熱流體時，便會在浮力的影響下產(chǎn)生自然對流現(xiàn)象，其在管道中的流動也稱之為自然循環(huán)，自然循環(huán)的建立與流動受到冷熱流體之間高程差所帶來的浮動驅(qū)動力，流通通道各部分沿程阻力，流道上各個設(shè)備，如閥門、彎頭、流量分配板、換熱器等，所帶來的局部阻力，以及循環(huán)管道中流體或工質(zhì)與冷熱源之間的熱量交換等因素影響，關(guān)鍵參數(shù)自然循環(huán)流量存在波動，驅(qū)動力的大小也決定著自然循環(huán)流動能否完全建立及平穩(wěn)運行，整個環(huán)路導(dǎo)熱能力也存在較大的不確定性。

3、因此，基于上述問題，本發(fā)明旨在提供一種多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)，通過對海洋核電源結(jié)構(gòu)設(shè)計極簡化，采用能量轉(zhuǎn)換與余熱排出一體化設(shè)計，能夠在事故條件下形成多回路耦合自然循環(huán)，導(dǎo)出堆芯余熱，實現(xiàn)核電源高固有安全性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)，本發(fā)明通過針對海洋核電源中所設(shè)計的一體化壓力容器及能量轉(zhuǎn)換與余熱排出一體化系統(tǒng)開展研究，能夠在一體化壓力容器內(nèi)、二回路及冷凝器海水段形成分別形成三道自然循環(huán)，各個自然循環(huán)通過蒸汽發(fā)生器傳熱管、冷凝器傳熱管耦合成為一體，依靠多自然循環(huán)耦合排出堆芯余熱，能夠用于保障核反應(yīng)堆停堆安全。

2、本發(fā)明的上述技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)的：一種多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)，包括一體化壓力容器、能量轉(zhuǎn)換與余熱排出一體化設(shè)計回路、冷凝器冷卻水回路、保溫材料和測量儀表；所述保溫材料包覆在排熱實驗系統(tǒng)上用于減少能量泄露；所述測量儀表設(shè)置在排熱實驗系統(tǒng)上用于對流量、溫度、壓力和液位進行測量監(jiān)控；

3、所述一體化壓力容器包括換熱器、穩(wěn)壓器系統(tǒng)和控溫加熱系統(tǒng)；所述換熱器采用板式換熱器，所述穩(wěn)壓器系統(tǒng)設(shè)置在壓力容器側(cè)上方的支撐平臺上，所述控溫加熱系統(tǒng)用于根據(jù)堆內(nèi)最高溫度自動斷電；

4、所述能量轉(zhuǎn)換與余熱排出一體化設(shè)計回路包括汽輪機模擬體、冷凝器、除氧器模擬體、給水泵模擬體管路、1號水箱和閥門；所述汽輪機模擬體作為阻力件處理，所述冷凝器采用管殼式換熱器，蒸汽走殼側(cè)，冷卻水走管側(cè)，冷凝器自身具有一定的高程差，提高管側(cè)冷卻水的自然循環(huán)能力，所述除氧器使用閥門進行模擬，所述給水泵模擬體管路使用閥門進行模擬，所述1號水箱用于回路充排水；

5、所述冷凝器冷卻水回路包括冷凝器管側(cè)和2號水箱；所述冷凝器管側(cè)采用u型管布置方式，冷凝器內(nèi)排布相互獨立的多組管線，同步連接到冷卻2號水箱中，用于確保自然循環(huán)能力，以及各環(huán)路的流量分配和熱量排出均衡；所述2號水箱通過緩慢注入和排出等流量冷水用于模擬海洋流動低溫環(huán)境。

6、本發(fā)明進一步設(shè)置為：所述一體化壓力容器在試驗加熱段中具體是設(shè)計運行壓力為1mpa，流體溫度范圍為135-180℃，單相，壓力容器采用304不銹鋼加工，底部設(shè)有加熱元件通孔和堆芯模擬體，用于以電加熱方式模擬堆芯熱量釋放。

7、本發(fā)明進一步設(shè)置為：所述一體化壓力容器與支撐平臺之間設(shè)有至少0.2m的距離，便于排水和加熱元件導(dǎo)線的布置。

8、本發(fā)明進一步設(shè)置為：所述一體化壓力容器下方設(shè)有下泄通道，用于容器排水。

9、本發(fā)明進一步設(shè)置為：所述能量轉(zhuǎn)換與余熱排出一體化設(shè)計回路的運行環(huán)境具體是設(shè)計運行壓力為0.2mpa，溫度范圍為30-120℃，流體工質(zhì)處于單相-兩相波動變化狀態(tài)，在蒸汽發(fā)生器和冷凝器之間發(fā)生相態(tài)變化，用于避免發(fā)生流動不穩(wěn)定性。

10、本發(fā)明進一步設(shè)置為：所述冷凝器冷卻水回路的運行環(huán)境具體設(shè)計為常壓條件，溫度范圍為20-80℃，流體工質(zhì)處于單相狀態(tài)，發(fā)生沸騰，在冷凝器管側(cè)發(fā)生自然循環(huán)流動，熱源來自于冷凝器蒸汽放熱，冷源來自于水箱內(nèi)冷水。

11、本發(fā)明進一步設(shè)置為：所述測量儀表具體為流量表、熱電偶、壓力表和液位計，用于對排熱實驗系統(tǒng)的流量、溫度、壓力和液位進行測量監(jiān)控。

12、本發(fā)明還提供一種多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)的實驗驗證方法，包括以下步驟：

13、s1、結(jié)合系統(tǒng)仿真以及關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)局部流動換熱現(xiàn)象精細化數(shù)值模擬，優(yōu)化相關(guān)系統(tǒng)總體初步設(shè)計中結(jié)構(gòu)及設(shè)備的尺寸參數(shù)和熱工水力參數(shù)；

14、s2、采用雙向多級?；椒ǎ诜堑葔旱任镄詶l件下，對整體回路及關(guān)鍵設(shè)備進行比例分析設(shè)計和流動阻力分析，搭建多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)實驗平臺；

15、s3、針對多種事故工況，開展多自然循環(huán)耦合排熱系統(tǒng)運行特性研究及影響分析，研究低位差高流阻單相兩相耦合自然循環(huán)流動不穩(wěn)定性，獲得系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)特性，驗證多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)的運行可行性及魯棒性。

16、綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：

17、1、本發(fā)明通過針對海洋核電源中所設(shè)計的一體化壓力容器及能量轉(zhuǎn)換與余熱排出一體化系統(tǒng)開展研究，能夠在一體化壓力容器內(nèi)、二回路及冷凝器海水段形成分別形成三道自然循環(huán)，各個自然循環(huán)通過蒸汽發(fā)生器傳熱管、冷凝器傳熱管耦合成為一體，依靠多自然循環(huán)耦合排出堆芯余熱，能夠用于保障核反應(yīng)堆停堆安全；

18、2、本發(fā)明通過開展系統(tǒng)仿真模擬、局部區(qū)域精細化數(shù)值模擬和多回路自然循環(huán)耦合排熱系統(tǒng)實驗研究，開展低位差高流阻單相-兩相耦合自然循環(huán)系統(tǒng)流動換熱特性研究，驗證系統(tǒng)運行可行性及魯棒性，獲得系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)行特性及穩(wěn)定運行邊界區(qū)間，用于支持一體化海洋核電源系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

技術(shù)特征：

1.一種多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)，其特征是：包括一體化壓力容器、能量轉(zhuǎn)換與余熱排出一體化設(shè)計回路、冷凝器冷卻水回路、保溫材料和測量儀表；所述保溫材料包覆在排熱實驗系統(tǒng)上用于減少能量泄露；所述測量儀表設(shè)置在排熱實驗系統(tǒng)上用于對流量、溫度、壓力和液位進行測量監(jiān)控；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)，其特征是：所述一體化壓力容器在試驗加熱段中具體是設(shè)計運行壓力為1mpa，流體溫度范圍為135-180℃，單相，壓力容器采用304不銹鋼加工，底部設(shè)有加熱元件通孔和堆芯模擬體，用于以電加熱方式模擬堆芯熱量釋放。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)，其特征是：所述一體化壓力容器與支撐平臺之間設(shè)有至少0.2m的距離，便于排水和加熱元件導(dǎo)線的布置。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)，其特征是：所述一體化壓力容器下方設(shè)有下泄通道，用于容器排水。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)，其特征是：所述能量轉(zhuǎn)換與余熱排出一體化設(shè)計回路的運行環(huán)境具體是設(shè)計運行壓力為0.2mpa，溫度范圍為30-120℃，流體工質(zhì)處于單相-兩相波動變化狀態(tài)，在蒸汽發(fā)生器和冷凝器之間發(fā)生相態(tài)變化，用于避免發(fā)生流動不穩(wěn)定性。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)，其特征是：所述冷凝器冷卻水回路的運行環(huán)境具體設(shè)計為常壓條件，溫度范圍為20-80℃，流體工質(zhì)處于單相狀態(tài)，發(fā)生沸騰，在冷凝器管側(cè)發(fā)生自然循環(huán)流動，熱源來自于冷凝器蒸汽放熱，冷源來自于水箱內(nèi)冷水。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)，其特征是：所述測量儀表具體為流量表、熱電偶、壓力表和液位計，用于對排熱實驗系統(tǒng)的流量、溫度、壓力和液位進行測量監(jiān)控。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種多回路自然循環(huán)耦合排熱實驗系統(tǒng)，涉及核反應(yīng)堆安全技術(shù)領(lǐng)域，其技術(shù)方案要點是：包括一體化壓力容器、能量轉(zhuǎn)換與余熱排出一體化設(shè)計回路、冷凝器冷卻水回路、保溫材料和測量儀表；所述保溫材料包覆在排熱實驗系統(tǒng)上用于減少能量泄露；所述測量儀表設(shè)置在排熱實驗系統(tǒng)上用于對流量、溫度、壓力和液位進行測量監(jiān)控。本發(fā)明針對海洋核電源中所設(shè)計的一體化壓力容器及能量轉(zhuǎn)換與余熱排出一體化系統(tǒng)開展研究，通過在一體化壓力容器內(nèi)、二回路及冷凝器海水段形成分別形成三道自然循環(huán)，各個自然循環(huán)通過蒸汽發(fā)生器傳熱管、冷凝器傳熱管耦合成為一體，依靠多自然循環(huán)耦合排出堆芯余熱，保障核反應(yīng)堆停堆安全。

技術(shù)研發(fā)人員：董曉朦,黃熙,徐安琪,于洋,楊明
受保護的技術(shù)使用者：深圳大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9