[發明專利]熔融物中頻感應高溫加熱裝置

有效

• 申請號: 201510012171.0
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104567401A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 曹學武;彭程;佟立麗
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: F27B17/02
• 分類號: F27B17/02
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

技術領域

本發明涉及的是一種核工業領域的超高溫加熱裝置，具體是一種用于高溫熔融物與冷卻劑相互作用實驗研究中為公斤級熔融物提供2000℃左右的遠程可調高溫加熱裝置。

背景技術

高溫熔融物與冷卻劑相互作用可能發生在核反應堆嚴重堆芯熔化事故中、冶金工業煉鋼爐事故中、液化天然氣制備與運輸意外事故中以及自然界火山爆發時熔融巖漿沖出地表過程中等等。在核反應堆中，燃料與冷卻劑相互作用(FCI)引起蒸汽爆炸的事故可能導致放射性物質向環境釋放，嚴重威脅公眾安全。盡管在過去半個世紀里對核反應堆中的FCI問題進行了大量研究，然而目前對一些關鍵物理機理和演化過程仍然沒有弄清楚，其中公斤量級熔融物與冷卻劑的相互作用機理就是其中遺留問題之一。現有的研究結果對小量級FCI作用機理基本可以進行正確的解釋和預測，然而根據國外進行的公斤級FCI實驗結果發現，小量級FCI機理與模型不能很好地預測公斤級實驗結果，由此暗示公斤級FCI的機理將更加復雜，需要進一步深入觀察和分析。為了完善高溫熔融物與冷卻劑相互作用的機理，填補國內對于這一現象公斤級研究的空缺，需要合理設計一套行之有效的實驗裝置，其中一個關鍵問題在于大量熔融物平穩安全的加熱。快速而無危險的加熱時開展本實驗的重要保證。

經過對現有技術的檢索發現，德國FZK的ECO、QUEOS，美國ANL的ZREX等在內的公斤級熔融物加熱裝置都具備功率高、可靠的冷卻系統、較理想的真空氛圍、精確的測溫裝置和放爆破裝置等。特別是由于加熱這種超高溫熔融物增加了實驗的危險性，需要通過遠程操作以減少對實驗人員的生命威脅，為了利用國內現有資源解決這一難題，創造性地開發遠程操作式高溫熔融物與冷卻劑相互作用的公斤級熔融物中頻感應高溫加熱裝置，彌補了國內相關領域相關苛刻工況下的技術空白。

中國專利文獻號CN102183144A公開(公告)日2011.09.14，公開了一種帶有能量束輔助熱源的冷坩堝真空感應熔煉設備，其包括一真空室、一冷坩堝、一感應圈、一給該感應圈提供電能的高頻或中頻感應電源、一真空‐充氬系統、一控制柜、一用來冷卻該冷坩堝的冷卻系統、一能量束發射頭和一能量束發生器；該冷坩堝安裝在該真空室內部，該感應圈安裝在該真空室的內部，該感應圈環繞地安裝在該冷坩堝的外部；該能量束發射頭安裝在該真空室的頂部，并位于該冷坩堝的上方；該能量束發生器連接該能量束發射頭，該能量束發生器產生能量束并傳輸到該能量束發射頭。但該技術存在測溫裝置安裝及有效測量爐溫的不準確問題，水冷銅坩堝水路系統布置復雜的問題，不具備智能水量分配器的水冷系統，特別是坩堝底部的支撐部件需要合理設計，否則將極大助長坩堝的散熱，造成熔融物溫度偏離實驗要求，以上問題都嚴重制約感應加熱技術的發展和應用。

中國專利文獻號CN1414146公開(公告)日2003.04.30，公開了一種氫氣氛中使用感應加熱鉬坩堝提拉法生長藍寶石晶體包括如下步驟：a、設置一個高溫、恒溫環境的保護和與晶體生長相適應的氣體氣氛環境保護的晶體生長真空室；b、中頻感應加熱鉬坩堝的溫場裝置；c、使用還原性氣氛保護氣體—氫氣；d、晶體生長的提拉裝置；e、控制生長晶體等徑的電子秤測量系統；f、使用由電子束提純后的Al₂O₃原材料。但該技術加熱過程中采用了還原性氣氛氫氣，但由于氫氣是可燃性氣體，易于出現操作不當而致爆炸的風險；由于其中心插有提拉棒，勢必使得其測量的爐溫出現不準確問題；另外該加熱裝置同樣不具備有PID控制的水量分配功能，以實時滿足不同熱構建的冷卻需要。為了滿足高溫熔融物與冷卻劑相互作用實驗的研究需要，還需要使原始感應加熱裝置具備添加釋放裝置的可能，因此在空間布置和結構選取方面均需要考慮一定的釋放要求。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種熔融物中頻感應高溫加熱裝置，可以有效實現公斤量級熔融物的熔化并達到所需溫度，從而為實驗研究公斤級高溫熔融物與冷卻劑相互作用機理提供了切實可行的方法，為大型安全分析程序開發和驗證實驗的開展提供技術支持。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明包括：帶有加熱系統和水冷系統的真空室，該真空室設有測溫裝置、充、放氣裝置、以及真空發生裝置，其中：真空發生裝置、水冷系統、測溫裝置和加熱系統分別與控制臺相連，輸出溫度反饋信號、水量分配信號并分別接收功率控制信號和真空控制信號。

所述的加熱系統用于熔融物的熔化及保溫過程，包括：帶有電源的電極以及設置于真空室內部的帶有線圈的保溫坩堝。