一种用于氚增殖剂球床热导率的测量平台

摘要

本发明公开了一种用于氚增殖剂球床热导率的测量平台，其包括：气瓶、流量计、管式炉、稳压器、气泵、温度控制系统，以及测量及数据分析系统；所述气瓶、流量计、管式炉、稳压器与气泵通过气体管道依次相连；所述温度控制系统通过电源线与该管式炉相连；所述测量及数据分析系统通过数据线与该管式炉相连；其中，所述管式炉包括：球床壁、多孔板、热电偶、加热棒与热探针；所述球床壁与多孔板位于管式炉的恒温区，其围成的空腔内填充有氚增殖剂小球，构成球床；所述热探针插入在球床内，所述加热棒纵向水平设置在球床内，所述热电偶横向十字形设置在球床内。通过采用本发明公开的测量平台，提高了测量结果的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及反应堆工程技术领域，尤其涉及一种用于氚增殖剂球床热导率的测量平 台。

背景技术

包层是可控磁约束核聚变堆中的核心部件，包层具有氚增殖及能量转移的功能。包 层能否进行有效氚增殖是磁约束聚变堆能否走向能源利用的关键。在几种包层方案中， 固态包层技术方案具有诸多优点，该方案主要采用球床结构增殖燃料氚，而氚增殖剂球 床主要由直径0.6～1.2mm的锂陶瓷小球堆积而成；搭建氚增殖剂球床热导率测量平台， 研究球床热导率的影响因素并建立球床热导率数据库，对聚变堆包层热工设计尤为重 要。

热导率测量一般采用稳态法或瞬态法。稳态法测量物质的热导率，需要在待测样本 内部保持稳定的温度梯度。使用稳态法测量热导率的方案很多，大多采用稳态平板法或 稳态圆柱法，并对实验数据采用一维傅里叶定律计算；瞬态法法测量物质热导率，需要 在样品内部某点加上瞬间的热脉冲，热脉冲引起热传导，热脉冲常由加热丝或加热板提 供。瞬态法测热导率常见的有热线法、hotdisk法与热探针法。其中使用热探针法测量热 导率的装置，相较于其他方法装置较少。

现有技术中，主要采用如下方案：1)采用瞬态探针法的热导率测量方案，该方案中 所采用的热探针结构包括了一个细长的管道，内部封装有热电偶与加热丝，其中加热丝 采用折回方式布置。但该热探针的尺寸过大，顶端未锐化，底端未安置底座，且测量温 度受限，不能满足氚增殖剂球床热导率测量的要求。2)导热系数测量方案，该方案中热 探针中加热丝对折插入针管，长度等于针管长度，使用壁面温升的导热微分方程与壁面 温度及对应的测定时间反演处理得到热导率数据。但是，这些热探针装置主要运用于土 壤、气体等方面的热导率测量。

对于球床的热导率，可能影响因素有：小球的直径、球床的填充因子、球床的温 度、吹扫气体的压力、吹扫气体的流速等。关于球床热导率测量及影响因素的探究，国 外已经建有几个装置，如：位于KIT的HECOP装置采用稳态平板法，探究了球床内部压 力与有效热导率间的关系；日本原子能研究院的相关装置使用瞬态热线法，探究了交变 应力下应力-应变、交变温度下球床的应变间的关系；SUPER-PEHTRA装置采用稳态圆 柱法，探究了球床内部温度与轴向压力、交变温度与应变间的关系。已有相关装置均采 用单一的测量方法、测量装置，系统误差不可忽略；若仅仅进行单次实验，考虑到偶然 误差，大大降低了数据的可靠性；若进行多次重复实验测量，又要保证各次实验测量在 相同的条件下进行，带来较大的操作难度及资源浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于氚增殖剂球床热导率的测量平台，提高了测量结果的可 靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

(与权利要求相对应)。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，同时采用稳态法与瞬态法测量球床热导率， 在球床内设计并安置两套相互影响可以忽略的测量装置，这两套装置可以在球床工作时 高温、氦气吹扫的情况下稳定可靠运行，这样一次实验可以获得两组实验数据，且这两 组实验数据相互独立，对这两组实验数据进行筛选，使用分析比较的方法处理数据，则 可获得高置信度的热导率置信区间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于氚增殖剂球床热导率的测量平台的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种管式炉的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种热探针的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

图1为本发明实施例一提供的一种用于氚增殖剂球床热导率的测量平台的结构示意 图。如图1所示，该平台主要包括：

气瓶1、流量计2、管式炉9、稳压器10、气泵7、温度控制系统6，以及测量及数据分 析系统5；所述气瓶1、流量计2、管式炉9、稳压器10与气泵7通过气体管道11依次相 连，构成气体回路；所述温度控制系统6通过电源线8与该管式炉9相连；所述测量及数据 分析系统5通过数据线4与该管式炉9相连。另外，为了便于测量，还可将上述部件置于实 验桌12上。

如图2a-2b所示，分别为管式炉9的纵向剖面与横向剖面示意图。所述管式炉9包括： 球床壁16、多孔板17、热电偶14、加热棒13与热探针15；所述球床壁16与多孔板17位于 管式炉9的恒温区，其围成的空腔内填充有氚增殖剂小球，构成球床3；所述热探针15插 入在球床3内，所述加热棒13纵向水平设置在球床3内，所述热电偶14横向十字形设置在 球床3内。

所述管式炉9内的加热棒13与热探针15均与所述温度控制系统6相连，且所述加热棒 13、热探针15与热电偶14均与所述测量及数据分析系统5相连。

在实际操作中，流量计2用于测量气体流量；稳压器10用于控制气体压力；温度控制 系统6用于控制管式炉9中加热棒13与热探针15的温度。热电偶14测量球床径向的温度， 热探针15提供瞬态的温度与加热功率，加热棒13提供稳态的加热功率，通过数据线4，传 输到测量及数据分析系统5。

如图3所示，所述热探针15的前端为特种管20，后端为底座19；所述特种管20内部 设有：加热丝21、热电偶14与电偶导线18；所述加热丝21由低电阻温度系数材料制成， 在特种管20中为螺旋状；热电偶14与电偶导线18相连，位于靠近顶端一侧；所述特种管 20内的加热丝21与电偶导线18伸入所述底座19中，并与底座19中的引线22相连，被引出 底座19后，与数据线4相连。

以上为本发明实施例提供的用于氚增殖剂球床热导率测量平台的组成结构，为了便 于理解，下面针对其原理进行详细的说明。

本发明实施例所提供的上述测量平台主要解决如下两个技术问题：1)如何设计关于 氚增殖剂球床的实验方案，获得可靠的测量数据，并对数据进行可靠分析；2)如何在实 验中探究氚增殖剂球床热导率与众多影响因素之间的关系，如：小球的直径、球床的填 充因子、球床的温度、吹扫气体的压力、吹扫气体的流速等因素与球床热导率之间的关 系。

1)针对问题1，为了获得的实验数据的可靠性，需要进行多次重复实验互相比对， 但对于装置的系统误差无法减小，且本实验中外界变量较多，开展重复实验实现难度较 大。在本发明中，同时采用稳态法与瞬态法测量球床热导率，在球床内设计并安置两套 相互影响可以忽略的测量装置，这两套装置可以在球床工作时高温、氦气吹扫的情况下 稳定可靠运行。这样一次实验可以获得两组实验数据，且这两组实验数据相互独立。对 这两组实验数据进行筛选，使用分析比较的方法处理数据，获得高置信度的热导率置信 区间。

为了使用稳态法，采用管式炉，保持球床外恒定的温度，设计大宽径比的圆柱形球 床，球床中安置加热棒，在球床内部径向获取稳定的温度分布，并使用径向布置热电偶 测量温度分布。计算热导率采用下述公式如下：

$T=T_w+\frac{q{R}_1}{h{R}_2}-\frac{q{R}_1}{k}\ln \frac{r}{R_2};$

其中，T为位置在r处的球床内部的温度，T_w为球床壁内侧的温度(壁面的温度非球 床的温度)，q为加热棒的线功率，R₁和R₂分别为加热棒的半径以及球床壁内侧的半径， h为吹扫气与球床外壁内侧的对流交换系数，k为球床的有效热导率。

为了使用瞬态法，设计新型热探针，热探针可以置于氚增殖剂球床内部不同位置， 获得球床内部不同位置处的测量数据。计算热导率采用下述公式：

$k=\frac{\frac{q}{4\pi }}{\frac{\partial \mathrm{\Delta T}(r_0,t)}{\partial \ln t}};$

或者写成：ΔT(r₀,t)＝Alnt+B；

其中，ΔT(r₀,t)＝T(r₀,t)-T(r₀,0)，r₀为热电偶距离加热丝 中心的轴向距离，T(r₀,t)、T(r₀,0)分别为t时刻、0时刻球床内部半径r₀处的温度， ΔT(r₀,t)为两时刻间的温度变化量，t为开始测量0时刻到结束测量时刻经过的时间，为 偏导算符，q为加热丝的线功率，k为球床的有效热导率，α为球床的热扩散系数， c＝e^γ≈1.7810，γ为欧拉常数。

2)针对问题2，采用控制外界变量的方法，探究球床热导率与单一影响因素间的关 系。小球的直径、球床的填充因子可通过球床填料时控制；球床外使用管式炉，球床内 使用加热棒，通过控制上述加热装置功率来控制球床温度；外部气体循环回路中气泵、 稳压器控制吹扫气体的压力与吹扫气体的流速。

本发明实施例的上述方案中，通过同时采用稳态法与瞬态法测量球床热导率，在球 床内设计并安置两套相互影响可以忽略的测量装置，这两套装置可以在球床工作时高 温、氦气吹扫的情况下稳定可靠运行，这样一次实验可以获得两组实验数据，且这两组 实验数据相互独立，对这两组实验数据进行筛选，使用分析比较的方法处理数据，则可 获得高置信度的热导率置信区间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。