(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210903293.9 (22)申请日 2022.07.29 (71)申请人 上海交通大 学 地址 200240 上海市闵行区东川路80 0号 (72)发明人 刘晓晶　柴翔　王天石　熊进标　 何辉　张滕飞　 (74)专利代理 机构 上海交达专利事务所 31201 专利代理师 王毓理　王锡麟 (51)Int.Cl. G21C 17/00(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系 统及方法 (57)摘要 一种小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实 验系统及方法， 包括： 气源系统、 加压与稳压系 统、 回热装置、 温度调节装置、 堆芯流道模拟装 置、 降压装置、 冷却装置以及数据采集系统， 本发 明用于进行基于氦氙混合气体的堆芯流动换热 特性实验、 回热器传热传质特性实验以及布雷顿 循环特性实验， 在研究氦氙混合气体传热特性的 同时， 实现氦氙混合气体以及热量的多功能、 高 效利用。 权利要求书4页 说明书7页 附图1页 CN 115274154 A 2022.11.01 CN 115274154 A 1.一种小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统， 其特征在于， 包括： 气源系统、 加 压与稳压系统、 回热装置、 温度调节装置、 堆芯流道模拟装置、 降压装置、 冷却装置以及数据 采集系统， 其中： 气源系统通过加压与稳压系统与回热装置的冷侧相连； 回热装置的冷侧通 过温度调节装置与堆芯流道模拟装置相连； 堆芯流道模拟装置通过降压装置与回热装置的 热侧相连； 回热装置的热侧 通过冷却装置与加压与稳压系统相连； 数据采集系统分别与气 源系统、 加压与稳压系统、 回热装置、 温度调节装置、 堆芯流道模拟装置、 降压装置、 冷却装 置相连， 降压装置的前侧与堆芯流道模拟装置相连； 降压装置的后侧与回热器热侧的前侧 相连， 冷却装置的前侧与回热器热侧的后侧相连； 冷却装置的后侧与第一缓冲罐 的前侧相 连， 气源系统内储存的氦氙混合气体通过管线首先进入加压与稳压系统进行加压， 加压后 的氦氙混合气体流入回热装置的冷侧， 吸收来自回热装置热侧的热量后， 流入温度调节装 置进行精细的温度调节以满足堆芯流道模拟装置的入口温度需求， 自温度调节装置流出的 氦氙混合气体随即流入堆芯流道模拟装置， 在近似堆芯流道的环境下吸收热量， 随后流入 降压装置进行减压， 减压后的氦氙混合气体流入回热装置的热侧， 将部分热量传递给回热 装置冷侧的氦氙混合气 体， 从回热装置的热侧流出的氦 氙混合气体流入冷却装置中进 行冷 却， 冷却后的氦氙混合气体再次流入加压与稳压系统， 完成一次循环； 回路运行期间， 数据 采集系统实时采集、 处 理回路的气体浓度、 流 量、 压力、 温度数据。 2.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统， 其特征是， 所述 的气源系统包括： 用于储存氦氙混合气体的储气罐、 用于限制储气罐中氦氙混合气体向回 路的释放以及维持回路整体压力的第一截止阀、 用于抽去回路中的空气的真空泵、 第二截 止阀和第一缓冲罐， 其中： 储气罐通过第一截止阀与第一 缓冲罐连通； 真空泵通过第二截止 阀与第一缓冲罐连通， 当第一截止阀开启时， 储气罐内的高纯度氦氙混合气体被释放至回 路中； 第二截止阀用于维持回路整体压力， 将回路内气体与外界隔绝； 第一 缓冲罐用于降低 回路压力波动。 3.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统， 其特征是， 所述 的加压与稳压系统包括： 泄压阀、 用于辅助加压的第一和 第二过滤器、 、 第一调节阀、 用于对 回路内气体进 行加压的压缩机、 第二缓冲罐、 减压阀， 其中： 泄压阀与第一 缓冲罐相连； 第一 过滤器的前侧与第一缓冲罐的后侧相连； 第一过滤器的后侧通过压缩机与第二过滤器相 连； 第二过滤器通过第二缓冲罐与减压阀相连； 第一调节阀的两端分别连接于第一过滤器 的前侧以及第二过 滤器的后侧。 4.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统， 其特征是， 所述 的回热装置包括： 回热器和第二调节阀， 其中： 回热器其冷侧的前侧与减压阀的后侧相连， 冷侧的后侧与温度调节装置相连； 回热器其热侧的前侧与降压装置相连； 热侧的后侧与冷 却装置相连； 第二调节阀的两端分别连接于回热器的冷侧的前侧以及冷侧的后侧， 当第二 调节阀完全关闭时， 回热器正常使用， 当第二调节阀完全开启时， 由于冷侧没有气体流过， 回热器无法进行热交换； 回热器用于对其冷热两侧的流体进行热量交换， 回热器的具体类 型可根据实验需要 进行选择。 5.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统， 其特征是， 所述 的温度调节装置包括： 第三调节阀和用于对氦氙混合气体的温度进行精细调节的预热器， 其中： 第三调节阀的前侧与回热系统冷侧的后侧相连， 第三调节阀的后侧与预热器的前侧权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115274154 A 2相连。 6.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统， 其特征是， 所述 的堆芯流道模拟装置的前侧与预热器的后侧相连； 堆芯流道模拟装置的后侧与降压装置相 连， 用于模拟氦氙混合气体在反应堆堆芯流道内的极端环境下的流动与传热， 该堆芯流道 模拟装置上设有热电耦阵列， 用于测量氦氙混合气体温度。 7.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统， 其特征是， 所述 的堆芯流道模拟装置包括： 法兰冷却水入口、 水冷法兰、 金属夹持装置、 绝缘陶瓷套 管、 加热 管、 冷却水流道、 钢制套管、 热电偶孔道、 法兰冷却水出口， 其中： 水冷法兰分别分别将加热 管进、 出口与堆芯流道模拟装置上、 下游管线相连通， 在保证氦 氙气体顺利流入加热管的同 时， 防止加热管热量传导至上、 下游管线， 具体方法是： 冷却水从冷却水入口流入水冷法兰 内部的冷却水流道， 吸收热量后自冷却水出口流出， 从而带走自加热管传导至上、 下游管线 的大部分热量； 装置中使用镍基合金圆管作为加热管， 用于模拟堆芯流道， 加热管外侧使用 绝缘陶瓷套 管进行包覆， 最外层 包裹一层钢质加固套 管， 为收集数据， 钢制加固套 管以及绝 缘陶瓷套 管上开有 热电偶孔道； 所述加热管两端使用夹持与固定装置进 行固定， 运行时， 电 流将通过夹持与固定装置流至加热 管， 从而使得加热 管发热。 8.根据权利要求1所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统， 其特征是， 所述 的数据采集系统包括： 若干截止阀、 若干压力表、 若干流量计、 若干热电耦、 若干压差表、 设 置于堆芯流道模拟装置上 的热电耦阵列以及监测模块， 其中： 气体分析取样口通过第三截 止阀与第一缓冲罐相连； 第一压力表设置于第一缓冲罐与第一过滤器之间； 第二压力表设 置于第二过滤器与第二缓冲罐之间； 第一流量计位于减压阀的后侧； 第二流量计设置于第 一流量计与回热器之间， 该位置同时也是第二调节阀与回热器之间； 第三压力表和第一热 电耦设置于第二流量计与回热器之间； 压差一表与回热器冷侧并联； 第二热电耦设置于第 一压差表与第二调节阀之间， 该位置同时仪式第一压差表与第三调节阀之间； 第三热电耦 设置于第三调节阀与预热器之 间； 第四热电耦以及第四压力表均设置于堆芯流道模拟装置 与预热器之间； 第二压差表与堆芯流道模拟装置并联； 热电耦阵列布置于堆芯流道模拟装 置上； 第五热电耦设置于堆芯流道模拟装置与降压装置之间； 第六热电耦以及第 五压力表 设置于降压装置与回热器热侧之间； 第三压差表与回热器热侧并联； 第七热电耦设置于回 热器热段与冷却装置之间； 第八热电耦设置于冷却装置与第一缓冲罐之间； 上述所有压力 表、 压差表、 热电耦、 流量计均使用数据线与监测模块相连； 数据采集系统用于采集回路运 行数据， 并对回路系统的运行情况进行监测， 采集的数据传输 至监测模块进行处 理和存储。 9.根据权利要求8所述的小型氦氙冷却反应堆热工水力综合实验系统， 其特征是， 所述 的数据采集系统中， 气 体分析取样口用于采集回路内气体样本， 分析气 体浓度； 第三截止阀 用于限值回路内气体向外界释放， 维持回路整体压力； 第一压力表用于测量第一缓冲罐后 侧的气压， 为气体压力的调节提供参考； 第二压力表用于测量第二过滤器后侧的气压， 与第 一压力表一同为压缩机的工作提供参考； 第一流量计用于指示回路的整体流量； 第二流量 计用于指示流经回热器热侧的流量， 与第一流量计一同可判断流过第二调节阀的流量； 第 三压力表用于测量回热器冷侧前侧的压力； 第一热电耦用于测量回热器冷侧前侧的温度， 第一压差表用于显示回热器冷侧的前、 后侧的压差， 与第三压力表一同可判断回热器冷侧 后侧的压力； 第二热电耦用于测量回热器冷侧后侧的温度， 与第一热电耦一同指示回热器权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115274154 A 3