技术领域
[0001] 本
发明属于核电厂保护系统设备性能验证性试验研究技术领域，具体涉及一种研究
钠冷快堆液力悬浮式非能动停堆装置性能的可视化试验装置。技术背景
[0002] 像任何
核反应堆系统一样，钠冷快堆内例行地装备了电厂保护系统，以便在异常情况下都能进行快速而安全的停堆。常规的停堆系统依靠操作人员在反应堆出现异常或发生事故时通过调控设备达到安全停堆的目的，但这些能动的停堆系统都依赖于外部动力供给和人员正确操作，需要一定的响应时间，并且有可能失效。为了进一步降低发生事故的概率，提高反应堆系统的固有安全性，近年来国际上提出了多种非能动的停堆装置，主要包括以下四种：
磁性材料居里点
温度控制非能动停堆装置、气体膨胀驱动非能动停堆装置、液力悬浮式非能动停堆装置、
控制棒热膨胀强化驱动非能动停堆装置。其中液力悬浮式非能动停堆装置最容易实现，仅受冷却剂
流体力和非能动组件重力的影响，而不依赖其它任何外界材料、工质和动力，具有较快的响应速度。液力悬浮式非能动停堆装置针对钠冷快堆最严重的无保护失流事故，其原理是在正常运行工况下控制棒受到冷却剂向上的液力维持悬浮在
堆芯上部，在失流事故工况下当流量下降到设计值时控制棒的重力大于流体推力，控制棒下落实现停堆。这种停堆装置类型采用标准组件，可以沿用传统的设计及加工，材料无特殊要求，研发周期短经济性好，并且已在俄罗斯BN800商用快堆内成功应用。
[0003] 从工作原理可以看出悬浮式控制棒动作是流量敏感的，冷却剂流量、控制棒和
套管、
导向管的结构尺寸共同决定了液力悬浮式非能动停堆装置工作的
稳定性和落棒时间，进而决定了系统响应时间和
反应性引入速率，卡棒、响应时间或反应性引入速率不足都有可能导
致冷却剂
过热，引起
燃料元件融化、
放射性物质外泄等灾难性后果。因此对液力悬浮式非能动停堆装置开展堆外
水力动态响应特性试验是十分必要和重要的。此外，由于非能动停堆装置在整个反应堆寿期内都安装在堆内，故需要开展多次重复性试验以测试控制棒的动态响应特性以及动作的可靠性。相关研究结果表明，近常压条件下水的流动特性与近常压条件下液钠的流动特性具有极大的相似性，两者都是低
粘度流体且当水加热到70℃时的粘度为4.06×10‐4Pa·s，与实验快堆典型
工作温度下钠的粘度值3.09×10‐4Pa·s相当，而
密度差异引起的时间常数差异可以通过计算修正。因此出于经济性和工程实施性等方面的考虑，国外的相关研究人员在进行堆内实验前都会首先使用去离子水作为替代工质来研究停堆装置的动态响应特性。
[0004] 例如，俄罗斯在针对BR-10、BN-600、BN-800型钠冷快堆设计研发液力悬浮式非能动停堆装置的过程中都先采用全尺寸实
体模型在水台架上进行过组件性能测试和优化，但其试验装置设计和具体功能都未见公开；印度在针对PFBR型钠冷快堆开发磁性材料居里点
温度控制非能动停堆装置时先后在室温空气、70℃热水以及不同温度的钠流体中对全尺寸实体模型进行了落棒性能测试和可靠性研究，使用
超声波探头测量棒位，但该装置只能对设计好的居里点温度非能动停堆装置进行集成应用测试，不适用于液力悬浮式非能动停堆装置性能试验也难以进行拓展研究，同时
超声波探头测量盲区大且
对流道结构和长度都有严格要求。
[0005] 中国
专利CN105976689A、CN103500524B、CN105702304A分别公开了一种反应堆控制棒驱动线性能实验装置，这几种试验装置都包括水力回路系统、落棒实验本体、
支撑钢平台、测量仪表及
数据采集系统。这几种发明都用于提供压水堆控制棒驱动线落棒试验装置，用于创造并维持高温高压水环境并提供可变的流量，并能通过可拆卸结构设计实现错对中安装、受载
变形，对堆芯不同活动段高度的控制棒组件进行试验。但是其试验装置研究对象是压水堆控制棒驱动线机构，原理和结构设计都与钠冷快堆液力悬浮式非能动停堆装置明显不同；其次这几种试验装置主要关注控制棒落棒时间、落棒历程和变形错位后的卡棒现象，通过控制棒驱动线
接触式测量棒位，而液力悬浮式非能动停堆装置性能试验主要关注控制棒提升、稳态运行以及落棒过程中的动态响应特性，且非能动控制棒完全浸没在导向管内没有驱动杆连出所以不适用常规的棒位探测器。因此，这几种试验装置及其测量系统均不适用于钠冷快堆液力悬浮式非能动停堆装置动态响应性能测试。
[0006] 中国专利CN103077753A、CN201655353U分别公开了一种基于温升
热膨胀系数突变的热敏材料的非能动停堆装置和一种温度触发的非能动停堆系统的控制棒驱动装置，都是利用堆芯出口温度超过设定值相关材料发
生物理变化的原理触发非能动落棒停堆的。但两种装置都只是提出了概念设计方案，没有涉及具体的非能动停堆试验装置和试验研究方法。
发明内容
[0007] 为了解决上述试验装置或试验系统不适用或不满足核工程领域对液力悬浮式非能动停堆装置试验研究的需求，提供了一种研究钠冷快堆液力悬浮式非能动停堆装置性能的可视化试验装置，本发明所述装置本试验装置可用于模拟反应堆启动时液力悬浮式非能动控制棒的提升过程，模拟反应堆稳态运行时控制棒悬浮
位置的稳定性，模拟发生事故流量降低时非能动控制棒插入堆芯的动态过程；同时还可以研究不同设计参数和试验参数对非能动停堆装置工作性能的影响，开展重复性试验验证液力悬浮式非能动停堆装置的可靠性；获得大量的棒位、压力、压降、流量、温度等试验参数，以便更加深入地对液力悬浮式非能动停堆装置特性进行试验研究。
[0008] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] 一种研究液力悬浮式非能动停堆装置性能的可视化试验装置，试验装置由
流动调整器3、水力
缓冲器4、可视化套管5、控制棒导向管6、上部联箱9、非能动控制棒模型10、吊装机构11及相关连接件组成；工质进入所述试验装置后从下往上依次经过流动调整器3、水力缓冲器4、可视化套管5、控制棒导向管6、上部联箱9，之后自上部联箱9
侧壁连接的回水管流出；控制棒导向管6上端通过
焊接与上部联箱9相连，由可视化套管5、控制棒导向管6组成的控制棒套管被两组控制棒套管调整架7固定在中心位置并保证竖直安装，可视化套管5底部通过
法兰与流动调整器3连接，在可视化套管5进口处设有水力缓冲器4，水力缓冲器4为同心
对焊在法兰端面上的钢制圆管，长度和内径与非能动控制棒模型10底端形状相匹配；吊装机构11包括起电葫芦及其滑轨，非能动控制棒模型10通过电磁
铁连接在电葫芦吊绳末端；在滑轨上设置有限位
块用来确保非能动控制棒模型10吊装位置与控制棒导向管6同心，通过集成的控制
手柄操作电葫芦和电
磁铁就能够远程完成非能动控制棒模型10的吊装和更换；所述试验装置整体通过支撑方钢8固定于
混凝土地基1。
[0010] 所述可视化套管5和控制棒导向管6通过带
定位键的六螺孔法兰连接，并有Y型
密封圈和O型密封圈双重密封。
[0011] 所述流动调整器3采用19孔
管束式结构，能够在降低旋转流影响的同时产生正常的流速分布廓形，缩短必要的直管段；
[0012] 所述水力缓冲器4沿圆管轴向开有3层对称的卸压孔，内部安装有
压缩弹簧和尼龙
垫片，通过缩颈引入的液压力和弹簧的阻尼力双重作用实现落棒缓冲；
[0013] 所述可视化套管5为内外截面六边形的有机玻璃套管，使用板材粘接而成并在周向外表面安装加固条加固，其侧面等间距接有多根引压管，模拟了实际堆内的六
角形控制棒套管，与高速摄像系统相结合能够实现非接触式的棒位测量；控制棒导向管6为内外截面圆形的
不锈钢冷拉管，内壁面经焊后加工以保证
准直度和粗糙度，其侧面开有一引压孔，模拟了实际堆内的圆形控制棒导向管；控制棒导向管6内部经过打磨
抛光，设计了不同内径的多组导向管来研究不同环隙尺寸对非能动停堆装置性能的影响；所述引压管根据试验测试需要分别与压差
传感器或
压力传感器连接，通过压力传感器和压差传感器对试验过程中的压力和压差进行测量，为非能动停堆装置动态特性试验提供分析数据。
[0014] 所述上部联箱9截面为圆形，由
底板3‐2、围筒3‐5和顶盖3‐3构成，在底板3‐2和围筒3‐5壁面上各开有一个测温孔，围筒3‐5焊接有吊
耳3‐7和回水管法兰3‐6；在底板中心处开孔连接控制棒套管，与之对应的顶盖中心位置同样开孔用于吊装非能动控制棒模型10；在底板中心孔旁边设置有用转杆手动控制的控制棒限位器3‐4，控制棒限位器3‐4控制棒限位器的作用面采用V字形钢架设计，能够绕轴心旋转45°，以防止试验装置运行时非能动控制棒模型10被水压冲出控制棒套管同时又不影响工质流动。
[0015] 所述控制棒套管调整架7由三根伸缩横梁组成，末端使用
螺栓4‐5与调整架箍圈4‐4固定套管；每根伸缩横梁均由中心套管4‐2以及通过
螺纹连接在两端的第一活动
连杆4‐1和第二活动连杆4‐3组成；通过调整架不同方向的伸缩平移实现控制棒套管错对中安装和变形倾斜工况的模拟。
[0016] 所述非能动控制棒模型10由阻尼块5‐2、棒本体5‐4和操作头5‐5组成，非能动控制棒模型10几何尺寸和
质量同实际堆内非能动控制棒
原型保持一致，在所述控制棒套管内有竖直方向的
自由度，模拟实际堆内非能动控制棒与控制棒导向管之间形成的冷却剂环形通道，非能动控制棒模型10依靠控制棒导向管6和水力缓冲器4进行定位；
[0017] 所述棒本体5‐4和阻尼块5‐2由304薄壁不锈钢冷拉管制作，二者通过焊接相连，棒本体5‐4内部用
硅胶固定多根尼龙棒束
配重按照一定的栅距比三角形排列；阻尼块5‐2前端通过螺纹安装端盖5‐1，端盖5‐1做成锥角形以增加悬浮稳定性和落棒速度，设计了具有不同锥角的多组端盖来研究形状系数对落棒时间的影响；操作头5‐5为通过螺纹与棒本体5‐4相连的铁质操作头，周围有六个定位凸台，上端面切平后经过打磨抛光和防锈处理；在棒体表面沿轴向对称开有三层通流孔5‐3以保证低流量下不浮起，但通流孔形状不以圆形为限；为便于对图像测量定位在棒本体5‐4外侧轴向等间距
喷涂刻度线，并在周向等角度喷涂角度线；电磁铁5‐6工作面与操作头5‐5上端面接触，通电后能够产生足够的电磁吸力吊装非能动控制棒模型10；电磁铁5‐6另一端通过螺栓固定在圆柱形吊装块5‐7上，圆柱形吊装块
5‐7末端有吊环与电葫芦的吊钩相连，电磁铁5‐6的电源线通过吊装块内部通孔引出并用防水绝缘
胶带缠绕，圆柱形吊装块5‐7的质量大于电磁铁5‐6的质量，外径介于电磁铁5‐6外径和控制棒导向管6内径之间，目的是在放入套管时防止其受水流冲击晃动翻滚。
[0018] 试验时非能动控制棒模型10在流体力和重力作用下，在控制棒套管内上下运动，上端通过控制棒限位器3‐4约束，下端通过水力缓冲器和定位凸台约束，试验前后通过吊装机构11和电磁铁5‐6移动非能动控制棒模型10；试验压力为近常压，运行温度达到78℃，流量范围为0～50t/h。
[0019] 与
现有技术相比，本发明具有以下收益效果：
[0020] 1、本发明所述试验装置可以对钠冷快堆液力悬浮式非能动停堆装置提升、稳态运行、失流落棒以及流量
波动时组件的动态响应特性进行合理的模拟，具有整体结构简单可靠、功能齐全、易加工成本低廉的特点。
[0021] 2、本发明装置在下部进口处安装了一体化设计的流动调整器和水力缓冲器，结构紧凑便于拆卸，前者可以使流体充分发展进而增加非能动控制棒悬浮的稳定性，后者对落棒过程进行减速缓冲以防止撞击损伤。
[0022] 3、本发明装置的可视化套管采用有机玻璃制造，边界除用粘接方式外还用硅胶条进行了强度加固，在满足试验要求强度的条件下具有很高的透明度，配合高速摄像系统实现了非接触式测量棒位，不干扰试验段内流场，并可对试验的全过程进行可视化研究。
[0023] 4、本发明装置的试验段分为可视化套管、控制棒导向管、上部联箱3部分，方便拆卸、更换试验段；法兰密封采用了Y型密封圈与O型密封圈相结合的方案双重隔离；套管和导向管都通过调整架末端的箍圈结构固定，方便调节倾角。
[0024] 5、本发明装置采用电磁铁吊装和控制棒限位器配合
锁止的方案替代了常规的机械抓手和驱动机构，在不影响吊装功能和液体流动的条件下极大程度降低了试验成本。
[0025] 6、本发明装置中在试验段的进出口及试验段轴向多个位置设置了引压管，可以在研究非能动控制棒动态特性的同时对流道阻力特性和压力变化进行研究。
[0026] 附件说明
[0027] 图1为本发明试验装置整体结构示意图。
[0028] 图2为控制棒套管结构示意图。
[0029] 图3为上部联箱的结构示意图，其中：图3a为上部联箱主视图，图3b为上部联箱俯视图。
[0030] 图4为控制棒套管调整架示意图，其中：图4a为调整杆结构示意图；图4b为箍圈结构示意图。
[0031] 图5为非能动控制棒模型和电磁铁吊钩的结构示意图。
具体实施方式
[0032] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合
附图和
实施例对本发明作详细的说明：
[0033] 如图1所示，所述研究钠冷快堆液力悬浮式非能动停堆装置性能的可视化试验装置由流动调整器3、水力缓冲器4、可视化套管5、控制棒导向管6、上部联箱9、非能动控制棒模型10、吊装机构11及相关连接件组成，总高7550mm；工质进入所述试验装置后从下往上依次经过流动调整器3、水力缓冲器4、可视化套管5、控制棒导向管6、上部联箱9，之后自上部联箱9内的回水管流出；控制棒导向管6上端通过焊接与上部联箱9相连，由可视化套管5、控制棒导向管6组成的控制棒套管被两组控制棒套管调整架7固定在中心位置并保证竖直安装；控制棒套管调整架7和上部联箱9都通过螺栓固定在三根支撑方钢8上；支撑方钢8固定在预埋于混凝土地基1的三组
地脚螺栓2上；吊装机构11的两个支撑方钢以同样的方式固定在混凝土地基1上，支撑起电葫芦及其滑轨，非能动控制棒模型10通过电磁铁连接在电葫芦吊绳末端；在滑轨上设置有限位块用来确保非能动控制棒模型10吊装位置与控制棒导向管6同心，通过集成的控制手柄操作电葫芦和电磁铁就可以远程完成控制棒模型的吊装和更换。
[0034] 如图2所示，控制棒套管由可视化套管2‐2和控制棒导向管2‐4组成，总长3100mm，可视化套管5和控制棒导向管6通过带定位键的特制6螺孔法兰连接，并有Y型圈和O型圈双重密封；可视化套管5底部通过法兰与流动调整器3连接，流动调整器3采用19孔管束式结构，可以在降低旋转流影响的同时产生正常的流速分布廓形，缩短必要的直管段；在进口处法兰端面对焊有150mm长的水力缓冲器4，水力缓冲器4为对焊在法兰端面上的钢制圆管，长度和内径与非能动控制棒阻尼
块匹配，沿圆管轴向开有三层对称的卸压孔，内部安装有
压缩弹簧和尼龙垫片，通过缩颈引入的液压力和弹簧的阻尼力双重作用实现落棒缓冲；可视化套管5为内外截面六边形的有机玻璃套管，使用平板原料粘接而成并在周向外表面安装加固条加固，其侧面等间距接有多根引压管，模拟了实际堆内的六角形控制棒套管，与高速摄像系统相结合可以实现非接触式的棒位测量；控制棒导向管6可分为第一级控制棒导向管2‐4和第二级控制棒导向管2‐5，两者内径不同，通过法兰连接；第一级控制棒导向管2‐4为内外截面圆形的不锈钢冷拉管，内壁面经焊后加工以保证准直度和粗糙度，其侧面开有一引压孔，模拟了实际堆内的圆形控制棒导向管；控制棒导向管6内部经过打磨抛光，设计了不同内径的多组导向管来研究不同环隙尺寸对非能动停堆装置性能的影响；第二级控制棒导向管2‐52‐5同样为内外截面圆形的钢管，下端与导向管连接，上端焊接到上部联箱底板中心，侧面进口250mm和离出口100mm位置各接有1引压管，其流道截面积与实际堆内的六角形控制棒套管相同，是一种低成本的替代方案；所述引压管根据试验测试需要分别与压差传感器或压力传感器连接，通过压力传感器和压差传感器对试验过程中的压力和压差进行测量，为非能动停堆装置动态特性试验提供分析数据。
[0035] 如图3中图3a和图3b所示，所述上部联箱9由底板3‐2、围筒3‐5和顶盖3‐3构成，在底板3‐2和围筒3‐5壁面上各开有一个测温孔，围筒3‐5焊接有吊耳3‐7，另一侧开孔焊接两根回水管法兰3‐6；在底板中心处开孔连接控制棒套管出口管线3‐1，与之对应的顶盖中心位置同样开孔用于吊装非能动控制棒模型10；在底板中心孔旁边设置有用转杆手动控制的控制棒限位器3‐4，控制棒限位器3‐4控制棒限位器作用面采用V字形钢架设计，可绕轴心旋转45°，功能是防止试验装置运行时非能动控制棒模型10被水压冲出套管同时又不影响液体流动。
[0036] 如图4中图4a和图4b所示，所述控制棒套管调整架7由中心套管4‐2以及两端的第一活动连杆4‐1和第二活动连杆4‐3组成组成，活动连杆与中心套管通过
螺纹连接；每组调整架由三根伸缩横梁组成，末端使用螺栓4‐5与调整架箍圈4‐4相连，配合调节三根伸缩横梁的长度固定可视化套管5和控制棒导向管6的位置；通过调整架不同方向的伸缩平移可实现控制棒套管错对中安装和变形倾斜工况的模拟。
[0037] 如图5所示，所述非能动控制棒模型10总长2000mm，质量19kg，由阻尼块5‐2、棒本体5‐4和操作头5‐5组成，非能动控制棒模型10几何尺寸和质量同实际堆内非能动控制棒原型保持一致。非能动控制棒模型10在所述控制棒套管内有竖直方向的自由度，模拟实际堆内非能动控制棒与控制棒导向管之间形成的冷却剂环形通道，非能动控制棒模型10依靠导向管6和水力缓冲器4进行定位；棒本体5‐4和阻尼块5‐2由304薄壁不锈钢冷拉管制作，二者通过焊接相连，棒本体5‐4内部用硅胶固定多根尼龙棒束配重按照一定的栅距比三角形排列(按需布置，故未画在图中)；阻尼块5‐2前端通过螺纹安装端盖5‐1，端盖5‐1做成锥角形以增加悬浮稳定性和落棒速度，设计了具有不同锥角的多组端盖来研究形状系数对落棒时间的影响；操作头5‐5为通过螺纹与棒本体相连的铁质操作头，周围有六个定位凸台，上端面经过打磨抛光和防锈处理后保持纯平；在棒体表面沿轴向对称开有三层通流孔5‐3以保证低流量下不浮起，但通流孔形状不以圆形为限；为便于对图像测量定位在棒本体5‐4外侧轴向等间距10mm喷涂刻度线，总长1100mm，并在周向等角30°喷涂角度线；电磁铁5‐6工作面与操作头5‐5端面接触，通电后可产生足够的电磁吸力吊装控制棒模型，电磁铁5‐6采用了注塑防水工艺，可在水中长期稳定工作；电磁铁5‐6另一端通过螺栓固定在圆柱形吊装块5‐7上，圆柱形吊装块5‐7末端有吊环与电葫芦的吊钩相连，电磁铁5‐6的电源线通过吊装块内部通孔引出并用防水绝缘胶带缠绕，圆柱形吊装块5‐7的质量比电磁铁5‐6质量大，外径介于电磁铁5‐6外径和控制棒导向管6内径之间，目的是在放入套管时防止其受水流冲击晃动翻滚。
[0038] 试验时非能动控制棒模型10在流体力和重力作用下，在控制棒套管内上下运动，上端通过控制棒限位器3‐4约束，下端通过水力缓冲器和定位凸台约束，试验前后通过吊装机构11和电磁铁5‐6移动非能动控制棒模型10；试验压力为近常压，运行温度可以达到78℃，流量范围为0～50t/h。
[0039] 以上内容仅用来说明本发明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本领域中的普通技术人员来说，只要对本发明进行各种改动和变型不脱离本发明的实质精神和范围，则这些改动和变型都应当视为在本发明的
权利要求书及其等同技术的范围之内。
