[发明专利]一种研究铅水相互作用的可视化实验装置及方法

说明书

一种研究铅水相互作用的可视化实验装置及方法，该实验装置包括：氩气缓冲罐、铅储存罐、实验段、储水箱、氩气罐、排气阀、管道上的阀门、热电偶、压力表、液位传感器和高速摄像仪；氩气罐为氩气缓冲罐提供氩气源，氩气缓冲罐可存有恒定压力的氩气，用于驱动铅储存罐内的熔融铅或铅铋合金进入实验段；实验段为矩形窄缝结构容器，采用不锈钢材质，一侧为石英玻璃板，可通过高速摄像仪记录实验段内的影像数据；待实验段内填充一定高度的熔融铅或铅铋合金，开启储水箱与实验段连接管道上的任意阀门，向实验段注射高压水，触发铅水相互作用；本发明装置能够获得铅水相互作用的可视化影像数据，满足铅水相互作用研究需求，能够稳定长期地安全运行，同时满足目前的加工工艺要求。

技术领域

本发明涉及铅基反应堆热工水力技术领域，具体涉及一种研究铅水相互作用的可视化实验装置及方法。

背景技术

铅基反应堆是采用液态金属铅或铅铋合金作为冷却剂的快中子反应堆，具备良好的固有安全性、热工水力特性和中子物理特性，可用于核燃料增殖和长寿命裂变产物嬗变，对核能可持续发展具有重要意义。我国自1999年，在科技部“973”计划支持下开展了加速器驱动次临界系统(ADS)研究，中国科学院于2011年开始“ADS专项”，展开嬗变技术研究，选择铅基堆作为主要发展方向，并提出CLEAR系列铅基反应堆概念。

典型的铅冷快堆采用池式结构布置，省去了中间热交换系统，将蒸汽发生器直接浸没在铅池中，与堆芯一起布置在反应堆主容器内，二次侧高压水通过传热管与高温铅铋合金直接热量交换，堆芯结构更为紧凑，经济性明显提高。然而，蒸汽发生器传热管两侧较大的温度和压力差异会产生较大的热应力和机械载荷；一回路高温铅铋的流动、振动和腐蚀严重威胁传热管的结构完整性。传热管作为一回路最为薄弱的环节，其完整性失效可能引发的蒸汽发生器传热管破裂(SGTR)事故已经成为铅基堆研究的重要安全问题，并被列为安全分析中重要的设计基准事故。SGTR事故一旦发生，二次侧高压水迅速向主容器喷射，与主容器内的高温铅铋合金发生相互作用。铅水相互作用是一个多物理场、多组分、多相态和多维度的复杂物理化学过程，机理研究尚不充分。

针对上述问题，现有的国内外关于研究铅水相互作用的方案存在以下不足：1)由于铅铋合金的不透明性，可视化的铅水反应实验往往需要借助中子照相等昂贵的测量设备，这些测量设备及其使用资质的获取难度较大；2)采用替代材料研究铅水相互作用可信度较低；3)通过热电偶和压力传感器测量数据重构铅水相互作用现象的精度较低。以上不足限制了对铅水相互作用机理特性的深入研究，阻碍了铅基反应堆的发展。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，需要设计一种获得铅水相互作用可视化影像数据的实验方案，为铅水相互作用的可视化实验提供基础，本发明的目的在于提供一种研究铅水相互作用的可视化实验装置及方法，获取铅水相互作用可视化影像数据。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种研究铅水相互作用的可视化实验装置，该可视化实验装置包括：氩气缓冲罐1、铅储存罐2、实验段3、储水箱4、氩气罐5、高速摄像仪6、一号排气阀G1、二号排气阀G2、三号排气阀G3、减压阀V1、气体调节阀门V2、一号铅阀V3、二号铅阀V4、三号铅阀V5、四号铅阀V6、一号压力表P1、二号压力表P2、一号热电偶T1、二号热电偶T2和液位传感器H；所述氩气罐5内充有高压氩气，氩气罐5通过减压阀V1与氩气缓冲罐1的进口端相连接；氩气缓冲罐1上接有排气管和一号压力表P1，排气管的开度由一号排气阀G1控制；氩气缓冲罐1出口端通过气体调节阀门V2与铅储存罐2相连接；铅储存罐2上接有排气管、一号热电偶T1和液位传感器H，排气管的开度由二号排气阀G2控制；铅储存罐2出口端通过一号铅阀V3与实验段3相连接；实验段3上设置三个注射口，分别通过二号铅阀V4、三号铅阀V5和四号铅阀V6与储水箱4相连接；储水箱4上接有排气管、二号压力表P2和二号热电偶T2，排气管的开度由三号排气阀G3控制；实验段3为可视化实验段，高速摄像仪6置于实验段3的一侧，用于拍摄实验段。