一种铅铋堆气泡堆芯分布实验的空泡份额测量方法及装置
阅读说明：本技术 一种铅铋堆气泡堆芯分布实验的空泡份额测量方法及装置 (Cavitation share measuring method and device for lead-bismuth reactor bubble reactor core distribution experiment ) 是由 郭超 严明宇 申亚欧 邓坚 黄代顺 王啸宇 隋海明 孙伟 李仲春 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明堆芯测量技术,具体涉及一种铅铋堆气泡堆芯分布实验的空泡份额测量方法及装置。搭接测量装置,包括截面为套筒、固定于套筒内的电加热棒,以及通气管,电加热棒外壁上设有热电偶,套管内填充不透明流体；利用热电偶4测量对应位置的温度,记录温度随时间的变化；等到热电偶测量温度稳定后,从套管下部间隔的向气体通道内通入气泡,采用过程中热电偶测得温度,记录温度随时间的变化；在相邻的轴向高度分别获得壁面平均温度,取差值得到对应的空泡份额。能够准确得到冷却剂通道不同位置的空泡份额,进而得到气泡进入堆芯的分布行为。(The invention relates to a reactor core measuring technology, in particular to a cavitation share measuring method and device for a lead bismuth reactor bubble reactor core distribution experiment. The lap joint measuring device comprises a sleeve with a section, an electric heating rod fixed in the sleeve and a vent pipe, wherein a thermocouple is arranged on the outer wall of the electric heating rod, and opaque fluid is filled in the sleeve; measuring the temperature of the corresponding position by using the thermocouple 4, and recording the change of the temperature along with the time; after the temperature measured by the thermocouple is stable, introducing bubbles into the gas channel at intervals from the lower part of the sleeve, measuring the temperature by adopting the thermocouple in the process, and recording the change of the temperature along with the time; and respectively obtaining the average temperature of the wall surface at the adjacent axial heights, and taking the difference to obtain the corresponding void fraction. The void fraction of the coolant channel at different positions can be accurately obtained, and then the distribution behavior of bubbles entering the reactor core is obtained.)
技术领域
本发明属于堆芯测量技术，具体涉及一种铅铋堆气泡堆芯分布实验的空泡份额测量方法及装置。
背景技术
铅铋反应堆在发生蒸汽发生器传热管断裂事故的情况下，从二回路进入一回路的气泡可能被夹带进入堆芯，威胁反应堆安全运行。需要采用实验的方法对气泡进入堆芯棒束通道的分布行为进行研究，进而可以达到准确评估气泡对堆芯传热的影响。
铅铋属于不透明的液态金属，是不透明流体的一种，无法采用传统的激光射线法对气泡分布行为进行测量。
进行气泡分布行为的测量，就是需要测量一定区域内的空泡份额，再通过空泡份额随时间的变化，确定不透明流体环境下气泡在堆芯分布行为。
发明内容
本发明的目的是提供一种铅铋堆气泡堆芯分布实验的空泡份额测量方法及装置，能够准确得到冷却剂通道不同位置的空泡份额，进而得到气泡进入堆芯的分布行为。
本发明的技术方案如下：
一种铅铋堆气泡堆芯分布实验的空泡份额测量装置，包括截面为N边形的套筒、固定与套筒内的若干电加热棒，以及用于从下端向套筒内通气的通气管；
所述的电加热棒包括位于中心的与套筒同轴布置的中心处的电加热棒，以及周向均匀布置在中心处的电加热棒外围的其他电加热棒；
所有相邻三个电加热棒的截面圆心位于等边三角形的角上，即所有电加热棒在套筒截面方向上以等边三角形式排列；
所有其他电加热棒的截面圆心顺次连线，形成N边形，其与套筒的截面形状对应边平行；
所述的电加热棒外壁上设有若干个热电偶；
所有其他电加热棒与套筒内壁之间留有距离；
相邻电加热棒之间在截面方向留有距离；
所述的套管内填充不透明流体。
热电偶安装在电加热棒的外壁上，在同一截面位置上，中心电加热棒的外壁上均匀周向布置个，其他电加热棒朝向中心内侧的外壁上布置2个；以同样的布置方式，沿着轴向每间隔10-15公分的截面位置布置这样一组热电偶。
所述的电加热棒为7根，中心电加热棒位于中心，其与套筒同轴布置，即其截面圆心位于套筒轴线方向；除了中心电加热棒之外，另外设有6根其他电加热棒，其截面圆心顺次连线，形成六边形；所述的套筒截面为六边形。
在同一截面上，中心电加热棒的外壁上均匀周向布置6个热电偶；其他电加热棒朝向中心内侧的外壁上布置2个热电偶；同一截面上，所有电加热棒共布置18个；以同样的布置方式，沿着轴向每间隔十公分布置这样一组18个热电偶。
所述的不透明流体为液态铅铋。
所述的套筒内部的上端和下端分别固定设有上固定格架和下固定格架，所述的上固定格架和下固定格架形状结构相同，其板面加工与电加热棒位置对应的安装孔。
所有的其他电加热棒与套筒内壁之间的距离小于或等于电加热棒截面圆半径。
所有的相邻电加热棒之间在截面方向留有的距离小于或等于电加热棒截面圆半径。
一种铅铋堆气泡堆芯分布实验的空泡份额测量方法，包括如下步骤：
1)搭建所述的铅铋堆气泡堆芯分布实验的空泡份额测量装置；其中中心电加热棒与任意相邻的2个其他电加热棒的三条中心轴线包围的部分形成截面为等边三角形的气体通道；
2)在套管内装入不透明流体；利用热电偶4测量对应位置的温度，记录温度随时间的变化；
3)将所有电加热棒通电，进行预热；
4)等到热电偶测量温度稳定后，从套管下部间隔的向气体通道内通入气泡，采用过程中热电偶测得温度，记录温度随时间的变化；
5)关闭电加热棒和热电偶，对数据进行处理；
5.1)每一个气体通道在同一轴向高度处的所有热电偶所测温度取平均，得到该高度处的壁面平均温度。
5.2)针对步骤5.1)中的同一个气体通道，在相邻的轴向高度获得另外的壁面平均温度，两个的壁面平均温度取差值，得到通过该气体通道两个轴向高度之间区域的空泡份额。
每一个气体通道在同一轴向高度处的所有热电偶共有3个，步骤5.2)中利用公式(1)，得到通过该子通道两个轴向高度之间区域的空泡份额；
其中，X为空泡份额，P为两个轴向高度间的电加热棒1所产生的电加热功率，m0为两个轴向高度之间的流体热容量，分别步骤5.1)中轴向高度位置的三个热电偶的测量温度，分别步骤5.2)中轴向高度位置的三个热电偶的测量温度。
步骤4)中，等到热电偶测量温度稳定后，利用通气管从套管下部通入气泡，每通入气泡5秒钟后停止通入，等10秒钟后，再次通入气泡5秒，随后停止通入气泡，采用过程中热电偶测得温度，记录温度随时间的变化。
步骤3)中，电加热棒的加热功率为50W。
本发明的显著效果如下：测量装置通过设计电加热棒的位置，并布置相应位置的热电偶，保证方法的可靠实现，确定一个子通道相邻两个轴向高度处的壁面温度平均值差值，可以计算得到通过该子通道两个轴向节点之间区域的流量和空泡份额，对温度曲线进行处理，就可以得到子通道在该处空泡份额的变化曲线。本方法是基于温度测量的观测方法，能够测量实验过程中气泡在堆芯的分布行为，通道中气液份额的变化引起流动传热产生影响，使热电偶产生温度变化。基于该机理，可根据热电偶产生的温度变化得到气泡分布行为，从而实现对气泡分布行为的测量。
实验中，电加热棒可呈任意形式的棒束布置。图1为该发明的一个示例，即当棒束呈三角形布置时，在一个电加热棒的一个轴向位置应布置六个热电偶，图中的红点就是热电偶布置的位置。
实验过程中，对电加热棒进行较低功率的加热，并从电加热棒棒束底部通入气泡，获取所有电加热棒所有测点温度的时程曲线。采用一个子通道相邻两个轴向高度处的壁面温度平均值差值，可以计算得到通过该子通道两个轴向节点之间区域的流量和空泡份额，对温度时程曲线进行处理，就可以得到子通道在该处空泡份额的时程曲线。反复进行大量实验，统计得到气泡分布行为。
附图说明
图1为铅铋堆气泡堆芯分布实验的空泡份额测量中电加热棒及热电偶布置示意图；
图2为铅铋堆气泡堆芯分布实验的空泡份额测量装置示意图；
图中：1.电加热棒；2.套筒；2-1.上固定格架；2-2.下固定格架；3.通气管；4.热电偶；1-1.中心电加热棒；1-2.其他电加热棒；5.气体通道；
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
本方法是从流动传热的基本原理出发，在电加热棒不同径向位置和轴向位置布置热电偶，用于得到电加热棒不同位置的壁面温度时程曲线。
具体实施过程如下：
1)铅铋堆气泡堆芯分布实验的空泡份额测量装置搭建
如图1和图2所示，测量装置包括7根电加热棒1、安装在电加热棒1外壁上的若干个热电偶4、截面为六边形的套筒2、安装套筒2上下面用于固定电加热棒1的上固定格架2-1和下固定格架2-2，以及安装在套筒2下部能够往套筒2内通气的通气管3。
上固定格架2-1和下固定格架2-2分别固定在套筒2的上端和下端，格架板面加工与电加热棒1位置对应的安装孔，使得电加热棒1能够通过上固定格架2-1和下固定格架2-2固定；
装置搭建时，首先通过上固定格架2-1和下固定格架2-2将7根电加热棒1布置在套筒2内，使得所有电加热棒1的布置满足以下特征：
1)一个电加热棒1-1位于中心，其与套筒2同轴布置，即其截面圆心位于套筒2轴线方向；
2)所有相邻三个电加热棒1的截面圆心位于等边三角形的角上，即所有电加热棒1在套筒2截面方向上以等边三角形式排列；
3)除了特征1)中位于轴线上的中心电加热棒1-1之外，另外6根电加热棒1-2的截面圆心顺次连线，形成六边形，且这些电加热棒1-1与套筒2内壁之间留有距离；
4)另外6根电加热棒1-2截面圆心形成的六边形与套筒2截面六边形方向相同，即每条边对应平行；
中心处的电加热棒1-1与6根其中相邻2个电加热棒1-2的三条轴线包围的部分形成截面为等边三角形的气体通道5。
热电偶4安装在电加热棒1的外壁上，其布置方式为：
在同一截面上，中心电加热棒1-1的外壁上均匀周向布置6个；其他电加热棒1-2朝向中心内侧的外壁上布置2个，2个的布置间隔就是均匀布置6个的间隔；
那么同一截面上，所有电加热棒1共布置18个；
以同样的布置方式，沿着轴向每间隔十公分布置这样一组18个热电偶4；
通气管3从下方连通任意一个气体通道5，试验过程中，气泡由套管下部的通气管3进入，通过气体通道5向上流动通过棒束段，最后由套管2上部排出。
2)在套管2内装入不透明流体，即液态铅铋；利用热电偶4测量对应位置的温度，记录温度随时间的变化；
3)将所有电加热棒1通电，电加热棒1的加热功率为50W，进行预热；
4)等到热电偶4测量温度稳定后，利用通气管5从套管2下部通入气泡，每通入气泡5秒钟后停止通入，等10秒钟后，再次通入气泡5秒，随后停止通入气泡，采用过程中热电偶4测得温度，记录温度随时间的变化；
5)关闭电加热棒和热电偶，对数据进行处理；
5.1)每一个三角形气体通道5在同一轴向高度处(同一截面位置)共有三个热电偶，对三个热电偶所测温度取平均，得到该三角形通道在该高度处的壁面平均温度。
5.2)针对步骤5.1)中的同一个三角形气体通道5，得到相邻两个轴向高度(相邻的两个截面位置)的壁面平均温度差值，利用公式1，得到通过该子通道两个轴向高度之间区域的空泡份额；
其中，X为空泡份额，P为两个轴向高度间的电加热棒1所产生的电加热功率，m0为两个轴向高度之间的流体热容量，分别步骤5.1)中轴向高度位置的三个热电偶的测量温度，分别步骤5.2)中轴向高度位置的三个热电偶的测量温度。
热电偶测量温度随时间变化而变化，则利用上述计算方法就可以得到该子通道在该处(这两个轴向高度之间)的空泡份额随时间的变化。
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