[发明专利]氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统

说明书

本发明公开一种氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，该系统可以进行Dowtherm A导热油流动、换热两种实验，可以在低温工况下模拟高温氟盐的流动换热特性。该实验系统能够进行高普朗特数导热油在球床通道内的流动实验与传热实验，可以实现氟盐冷却球床高温堆堆芯FLiBe的流动与换热模拟；实验系统具有安全性高、实验数据精度高、运行成本低等优点。

技术领域

本发明属于实验装置技术领域，具体涉及一种氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统。

背景技术

氟盐冷却球床高温堆为第四代核反应堆候选堆型，其综合了高温气冷堆球型燃料元件、熔盐堆熔盐冷却剂、布雷顿循环等多种先进技术，在经济性、固有安全性、防核扩散等方面具备独特的优势。氟盐冷却球床高温堆堆芯通过冷却剂FLiBe带走球形燃料元件产生的热量。FLiBe属于高普朗特数流体(600-700℃时，普朗特数为12-20)，其在球床堆芯内的流动换热特性与水、氦气等低普朗特数流体有较大区别。氟盐冷却球床高温堆的设计、运行及安全评估均需对FLibe流经球床的流动换热特性有很深的理解，相关程序开发需要有相应的流动换热模型。因而开展高普朗特数流经球床的流动换热特性研究具有十分重要的意义。

目前针对球床通道的流动关系式有Ergun公式、Handley and Heggs公式等；换热关系式主要由Wakao公式、Gnielinski以及KTA公式。上述公式经水、氦气、空气等低普朗特数介质验证，能否适用于FLiBe等高普朗特数介质没有获得证明。近些年美国橡树岭国家实验室、中国科学院上海应用物理研究所建立了熔盐FLiNaK实验回路，但是未获得较好的实验结果。氟盐运行温度过高，且熔点也高于400℃，高温氟盐对管道腐蚀性很强，开展氟盐实验的难度大，成本高昂。

道氏化学公司生产的Dowtherm A型导热油在较低温度(45-105℃)范围内普朗特数同为(12-20)，与高温FLiBe在600-700℃十分相似，该特性使Dowtherm A具备在低温条件下模拟高温氟盐的可行性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，该回路能揭示高普朗特数流体球床通道流动换热特性，为氟盐冷却球床高温堆的设计、安全评估及相应的程序开发提供实验支撑。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，由主回路及冷凝回路构成；主回路包括导热油预热段、膨胀槽、膨胀管、传热实验段、流动阻力实验段和管壳式换热器；冷凝回路包括冷却塔、冷却水箱和离心泵；导热油预热段出口管路分为两路，一路同时与传热实验段和流动阻力实验段进口连通，另一路与传热实验段和流动阻力实验段出口连通后接入管壳式换热器热液体入口，管壳式换热器热液体出口通过管路依次与冷却塔、冷却水箱连通，冷却水箱通过管路与管壳式换热器冷液体入口连通，离心泵安装在冷却水箱和管壳式换热器之间，管壳式换热器冷液体出口通过管路与导热油预热段入口连通，管壳式换热器冷液体出口与导热油预热段入口管路上安装有导热油高温循环泵并连接有排油管，膨胀槽出口通过膨胀管与导热油预热段进口连通，导热油预热段出口管路通过排气管再与膨胀槽连通；

传热实验段包括竖直设置两端开口的聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管内由下至上分别填充玻璃球、碳钢球以及玻璃球，电磁感应加热系统的电磁感应线圈紧贴缠绕在聚四氟乙烯管外壁，线圈产生的交变磁场在碳钢球内产生感应电流，从而在球体内产生热量，模拟堆芯球型燃料元件释热，聚四氟乙烯管内设置有测温元件；

流动阻力实验段包括不锈钢管，不锈钢管通过上下不锈钢法兰与主回路管路连通衔接，不锈钢管内填充不锈钢球，以模拟氟盐冷却球床高温堆的球型燃料元件，不锈钢管距离底部及顶部一定距离分别开设有引压孔，通过压力变送器及压差变送器测量实验段内的压力以及上下侧引压孔间的压差；

主回路及冷凝回路中各连接管路上均安装有流量计、阀门、压力传感器和热电偶。