[發(fā)明專利]核反應(yīng)堆板型燃料溪狀流熔化遷移行為實(shí)驗(yàn)裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011202471.2
• 申請(qǐng)日: 2020-11-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112331371B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-11-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張亞培;葛魁;蘇光輝;邢繼;田文喜;秋穗正
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G21C17/00
• 分類號(hào): G21C17/00
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會(huì)俠

1.一種核反應(yīng)堆板型燃料溪狀流熔化遷移行為實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括加熱爐(1)，加熱爐(1)殼體從內(nèi)向外依次由內(nèi)部加熱層(2)、中間保溫層(3)和外殼(4)組成，加熱爐(1)殼體兩側(cè)開(kāi)有耐高溫石英玻璃視窗(5)；加熱爐(1)內(nèi)部存在溫度穩(wěn)定的恒溫區(qū)(6)；支撐座(7)和板型燃料模擬件(8)放置于恒溫區(qū)(6)；恒溫區(qū)(6)內(nèi)安裝有K型熱電偶(9)；支撐座(7)由底座(10)以及通過(guò)螺栓(11)連接在底座(10)上的可旋轉(zhuǎn)固定架(12)組成；板型燃料模擬件(8)放置于支撐座(7)內(nèi)，由下包殼(13)、存在開(kāi)孔(14)的上包殼(15)、位于下包殼(13)和上包殼(15)端部間的中間格架(16)以及位于下包殼(13)、上包殼(15)和中間格架(16)間的芯體(17)組成，上包殼(15)表面貼有K型熱電偶絲(18)，板型燃料模擬件(8)熔化后熔融物(19)從開(kāi)孔(14)流出；激光裝置分為激光發(fā)射裝置(20)和激光接收裝置(21)，激光發(fā)射裝置(20)和激光接收裝置(21)分別放置于加熱爐(1)兩側(cè)，由激光發(fā)射裝置(20)射出的激光束(22)透過(guò)耐高溫石英玻璃視窗(5)穿過(guò)熔融物遷移路徑到達(dá)激光接收裝置(21)；熔融物(19)溪狀流動(dòng)過(guò)程中會(huì)阻斷激光，也會(huì)流出激光束流道，激光接收裝置(21)能夠探測(cè)得到被阻斷的激光束(22)的位置及阻斷時(shí)間點(diǎn)；真空泵(23)通過(guò)第一排氣管道(24)將加熱爐(1)內(nèi)的氣體抽向儲(chǔ)氣罐(25)；排氣管道(24)上安裝有球閥(26)；加熱爐(1)通過(guò)安全閥(27)與儲(chǔ)氣罐(25)相連；使用氬氣瓶(28)通過(guò)充氣管道(29)向加熱爐(1)充氬氣，氬氣瓶出口有減壓閥(30)，充氣管道(29)上安裝有球閥(26)；充氣管道中間設(shè)置緩沖罐(31)；K型熱電偶(9)、K型熱電偶絲(18)、激光接收裝置(21)、加熱爐(1)與控制系統(tǒng)(32)相連；控制系統(tǒng)(32)能根據(jù)K型熱電偶(9)測(cè)得的加熱爐(1)內(nèi)溫度上升速率調(diào)整加熱爐(1)功率，還能記錄板型燃料模擬件(8)的溫度，還能通過(guò)熔融物(19)阻斷激光束(22)的時(shí)間點(diǎn)、流出激光束(22)光道的時(shí)間點(diǎn)、被阻斷激光束(22)的位置、重新到達(dá)激光接收裝置(21)的激光束的位置計(jì)算熔融物(19)溪狀流遷移形態(tài)、速度以及厚度；加熱爐(1)裝有壓力表(33)，檢測(cè)加熱爐(1)內(nèi)壓力；儲(chǔ)氣罐(25)通過(guò)安裝有球閥(26)的第二排氣管道(34)和安裝有安全閥(27)的泄壓管道(35)與外界環(huán)境相連通；實(shí)驗(yàn)裝置能夠研究不同傾角的核反應(yīng)堆板型燃料模擬件的芯體(17)的熔化特性以及不同開(kāi)孔(14)尺寸、形狀下的熔融物(19)溪狀流厚度、流速遷移特性。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種核反應(yīng)堆板型燃料溪狀流熔化遷移行為實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述板型燃料模擬件(8)整體外觀為長(zhǎng)方形，高度為200mm；下包殼(13)、上包殼(15)的厚度為0.5mm，寬度為100mm；芯體(17)的厚度為1mm，寬度為8mm，高度為96mm，放置于下包殼(13)和上包殼(15)的中心位置，芯體(17)外部由中間格架(16)包圍；開(kāi)孔(14)的形狀、尺寸根據(jù)需要設(shè)定。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種核反應(yīng)堆板型燃料溪狀流熔化遷移行為實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，支撐座(7)的底座(10)、可旋轉(zhuǎn)固定架(12)材料為不銹鋼；底座(10)與加熱爐(1)通過(guò)螺栓連接；板型燃料模擬件(8)的下包殼(13)、上包殼(15)、中間格架(16)為不銹鋼材料，芯體(17)為鋅金屬。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種核反應(yīng)堆板型燃料溪狀流熔化遷移行為實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述激光發(fā)射裝置(20)發(fā)射激光穿透耐高溫石英玻璃視窗(5)，單束激光直徑為0.05mm，水平方向激光間距為0.05mm，高度方向激光間距為10mm，最上層激光距最下層激光200mm，最內(nèi)側(cè)激光距最外側(cè)激光1mm；按照最內(nèi)側(cè)激光緊貼板型燃料模擬件(8)，且按照激光束(22)與板型燃料模擬件(8)平面平行的位置要求布置激光發(fā)射裝置(20)和激光接收裝置(21)。

5.權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的核反應(yīng)堆板型燃料溪狀流熔化遷移行為實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，調(diào)整支撐座(7)的可旋轉(zhuǎn)固定架(12)至指定傾角，擰緊螺栓(11)，將板型燃料模擬件(8)放置于可旋轉(zhuǎn)固定架(12)內(nèi)，并將支撐座(7)放置于加熱爐(1)的恒溫區(qū)(6)內(nèi)，并擰緊可旋轉(zhuǎn)固定架(12)與底座(10)的連接螺栓；在實(shí)驗(yàn)預(yù)熱階段，加熱爐(1)的恒溫區(qū)(6)在10-20min內(nèi)升溫至200℃，之后將加熱爐(1)內(nèi)氣體通過(guò)真空泵(23)抽真空，以防止后期高溫階段中空氣氧化熔融物，氬氣瓶(28)向加熱爐(1)內(nèi)充氬氣，直至壓力達(dá)到0.095MPa；經(jīng)過(guò)3-5輪重復(fù)抽氣、充氬氣后，將恒溫區(qū)(6)快速加熱至450℃，之后調(diào)整加熱速率，以1℃/min的速度緩慢加熱恒溫區(qū)(6)，直至芯體(17)發(fā)生熔化，熔融物(19)通過(guò)開(kāi)孔(14)流出上包殼(15)，阻斷激光束(22)，第一束激光被阻斷的時(shí)間點(diǎn)為芯體(17)熔化時(shí)間點(diǎn)，記錄下K型熱電偶絲(18)所測(cè)得的溫度；芯體(17)熔化后，控制系統(tǒng)(32)不斷調(diào)整加熱爐功率，使恒溫區(qū)(6)溫度穩(wěn)定；熔融物(19)以溪狀流向下遷移的過(guò)程中會(huì)阻斷激光束(22)，也會(huì)流出激光束(22)光道；激光接收裝置(21)記錄熔融物(19)阻斷激光束(22)的時(shí)間點(diǎn)、流出激光束(22)光道的時(shí)間點(diǎn)、被阻斷激光束(22)的位置、重新到達(dá)激光接收裝置(21)的激光束(22)的位置，并傳給控制系統(tǒng)(32)，控制系統(tǒng)(32)記錄熔融物(19)溪狀流遷移形態(tài)、計(jì)算其遷移速度以及溪狀流厚度；當(dāng)被阻斷的激光束(22)在20min內(nèi)不發(fā)生變化時(shí)，認(rèn)為熔融物(19)流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)整加熱爐(1)為零功率，使其緩慢冷卻；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，揭示不同傾角的核反應(yīng)堆板型燃料的熔化行為機(jī)理以及不同開(kāi)孔(14)尺寸、形狀下的熔融物(19)溪狀流厚度、流速遷移行為機(jī)理。