[發明專利]一種研究核反應堆嚴重事故下共晶反應的實驗裝置

在審

• 申請號: 201810429277.4
• 申請日: 2018-05-08
• 公開（公告）號: CN108986937A
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 田文喜;李勇霖;陳榮華;蘇光輝;秋穗正;余紅星;羅琦
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G21C17/00
• 分類號: G21C17/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

一種研究核反應堆嚴重事故下共晶反應的實驗裝置，該實驗裝置是通過研究基于替代材料的低溫金屬共晶反應過程與結果來間接研究核反應堆堆芯材料在嚴重事故過程中發生的共晶反應機理的實驗裝置，實驗裝置放置在有石英玻璃透視窗的加熱箱內進行，可對實驗進行全過程觀察的可視化記錄；在實驗中，通過將相互反應的兩種金屬浸沒在高沸點硅油的容器內，使實驗主件在實驗過程中避免受到空氣的氧化而影響實驗結果；在實驗中，布置三個熱電偶對實驗過程進行溫度測量，使用高速攝像儀對兩種金屬因發生共晶反應而出現的形態及位置變化過程進行全程錄制以獲得兩種金屬共晶反應過程機理及反應特性；本發明為核反應堆嚴重事故堆芯熔化過程中材料低溫共晶反應機理研究提供重要的實驗裝置。

技術領域

本發明涉及核電廠嚴重事故堆芯熔化過程中材料低溫共晶反應機理研究技術領域，具體涉及一種研究核反應堆嚴重事故下共晶反應的實驗裝置。

背景技術

當核電廠壓水堆發生嚴重事故時，如果堆芯內的熱量不能及時導出，就會發生堆芯熔化；堆芯熔化過程涉及各種物質或材料的固液氣三相態的復雜變化過程；冷卻劑水存在吸熱汽化于液化放熱兩個相態的相互轉變過程；而堆內固體材料則是在受熱升溫熔化與冷卻降溫固化兩個相變過程交替存在；堆芯內不僅存在同一種材料的固液轉變，還存在多種材料的相互擴散熔解而形成的共晶體，以及共晶體熔化與凝固的交替變化過程；

銀銦鎘控制棒的吸收材料銀銦鎘與鋯合金可以發生反應，在嚴重事故發生期間，許多部分不銹鋼將與鋯合金發生局部接觸；在1423K附近，這兩種固相物質因接觸而發生的共晶反應將導致液相的形成；控制棒包殼失效之后，熔融的銀銦鎘合金將與鋯合金導向管接觸并發生化學反應使其損壞；然后，甚至熔融的銀銦鎘合金能夠浸入燃料棒鋯包殼并使鋯合金在低于其自身熔點的條件下被化學熔解；因此，不斷流動的熔融銀銦鎘合金能夠在相對較低的溫度下傳播和加速堆芯熔化進程；

在控制棒包殼與鋯合金導向接觸，以及因科鎳定位隔架與鋯合金燃料包殼接觸的情形下，鋯合金/不銹鋼的反應很重要，因為這兩種情形下，都會發生共晶反應而導致低溫下燃料組件熔化，盡管有研究表明鋯包殼外表的氧化層能夠延遲鋯合金與不銹鋼的共晶反應，但是當溫度高于1373K時，氧化層的熔解速度變得相當快而且隨后不銹鋼與鋯合金或氧飽和的α-Zr(O)直接接觸；

在核反應堆堆芯內，還存在鋯合金熔融物與二氧化鈾的顯著化學反應，這能導致二氧化鈾芯塊在低于其熔點的溫度下發生消熔，并形成U-O-Zr低溫熔融物；因此，鋯合金熔融物對二氧化鈾芯塊的化學消熔過程將引起堆芯內燃料棒早期失效，加快堆芯熔化事故進程；在消熔二氧化鈾芯塊的同時，鋯合金熔融物還將對包殼上的氧化鋯層進行消熔，從而導致包殼失效；

由此可見，核反應堆嚴重事故下堆芯內材料間發生的共晶反應將會導致材料在低于其熔點的溫度下發生熔化，加快堆芯熔化事故進程；開展對核反應堆嚴重事故共晶反應的激勵實驗研究可以了解和熟悉共晶反應機理及特性，降低嚴重事故分析的不確定性，為核電站制定完善的嚴重事故緩解策略和預防措施提供技術支持。

發明內容

本發明的目的使克服現有技術的不足，提供一種研究核反應堆嚴重事故下共晶反應的實驗裝置，能夠對材料共晶反應進行機理性研究，獲得其反應規律。

為了達到上述目的，本發明采取如下技術方案：

一種研究核反應堆嚴重事故下共晶反應的實驗裝置，所述實驗裝置是通過研究基于替代材料的低溫金屬共晶反應過程與結果來間接研究核反應堆堆芯材料在嚴重事故過程中發生的共晶反應機理的實驗裝置，包括加熱箱1、承載臺2、實驗件3、測量系統4和照明系統5；

所述的加熱箱1包括加熱箱外殼101，開設在加熱箱外殼101側部的石英玻璃透視窗102，開設在加熱箱外殼101頂部的照明口103；

所述的承載臺2置于加熱箱1內，包括不銹鋼承載臺201和置于不銹鋼承載臺201上的絕熱板202；