一种核反应堆燃料棒熔化可视化实验装置及方法

摘要

一种核反应堆燃料棒熔化可视化实验装置及方法，包括带有若干个透窗的高温熔融炉，高温熔融炉内竖直设置有试验件，试验件的上端和下端分别设置有铼钼电极，铼钼电极将试验件，铼钼电极与穿过高温熔融炉侧壁的铜电极相连，试验件包括燃料棒，燃料棒内设置有钨铼加热棒，高温熔融炉外侧设置有用于对高温熔融炉进行冷却的冷却水循环系统。本发明通过高温熔融炉冷却水循环系统保证炉体外侧温度保持在安全限制以内，外部的高速摄像仪可以正常工作，能够真实模拟反应堆严重事故条件下堆芯熔化进程。本发明获得的实验数据可为传统数值模拟方法提供验证，降低现有严重事故分析程序的不确定性。

说明书

技术领域

本发明涉及严重事故条件下可视化实验装置及方法，具体涉及一种核反应堆燃料棒熔化可视化实验装置及方法，属于实验测量可视化方法领域。

背景技术

反应堆的堆内材料会在到达自身熔点的情况下，会熔化成液态。而不同材料的共晶效应，则会进一步降低这一熔化温度。这些堆芯材料熔融物会通过向下流动，进入反应堆堆芯水平位置较低的位置，并有一定的概率会引起反应堆冷却剂流道的面积减小。而伴随着严重事故进一步的发展，堆芯熔化物持续在冷却剂流道内堆积，会导致部分燃料组件间的流道内出现堵塞现象，它会使堆芯冷却能力进一步下降，使反应堆严重事故继续恶化。如果得不到缓解的话，极有可能在反应堆内部出现局部熔穿，并导致整个上部的反应堆结构坍塌，进一步扩大堆芯的熔化区域。因此，严重事故条件下燃料棒熔化及熔融物迁徙行过程中发生的金属材料共晶现象，包壳氧化、破裂行为，熔融物壅塞等现象为严重事故序列中的重要环节，为后续堆内外反应堆严重事故进程提供源项。因此若能在燃料棒熔化期间采取及时的事故缓解措施将极大程度的削弱严重事故的危害，减少公众的生命财产安全。但是反应堆堆芯熔化是高温高压条件下一种非线性非连贯的复杂物理化学现象。这使得现象的研究与分析十分困难，传统的严重事故分析程序模拟在这一方面面临巨大挑战。因为现有的装置中无法观察到反应堆内部的燃料棒熔化的具体过程和现象，导致现有严重事故分析程序仅能对宏观集总参数进行模拟分析，无法准确描述严重事故进程及机理。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种核反应堆燃料棒熔化可视化实验装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种核反应堆燃料棒熔化可视化实验装置，包括带有若干个透窗的高温熔融炉，高温熔融炉内竖直设置有试验件，试验件的上端和下端分别设置有铼钼电极，铼钼电极将试验件，铼钼电极与穿过高温熔融炉侧壁的铜电极相连，试验件包括燃料棒，燃料棒内设置有钨铼加热棒，高温熔融炉外侧设置有用于对高温熔融炉进行冷却的冷却水循环系统。

本发明进一步的改进在于，高温熔融炉的顶部设置有上炉盖，底部设置有下炉盖，上炉盖与液压机相连，下炉盖与叉车相连，上炉盖由液压机控制升降，下炉盖由叉车控制升降。

本发明进一步的改进在于，燃料棒下方设置有坩埚，坩埚设置在下炉盖上；穿过高温熔融炉侧壁，在不同高度设置有6个钨铼热电偶，用于测量燃料棒的温度。

本发明进一步的改进在于，高温熔融炉的炉体侧壁上开设有6个透窗，6个透窗沿炉体侧壁螺旋式上升排布，在周向上均匀分布。

本发明进一步的改进在于，相邻两个透窗在竖直方向的距离为0.16m；透窗呈圆台型，透窗的顶面开口处的直径为25mm，底面开口处的直径为74mm。

本发明进一步的改进在于，透窗处的高温熔融炉侧壁上设置有圆形盖板，圆形盖板与高温熔融炉侧壁上之间设置有石英玻璃，圆形盖板上开设有圆孔。

本发明进一步的改进在于，圆形盖板通过螺钉固定在高温熔融炉的侧壁上，石英玻璃为圆柱状，圆形盖板和石英玻璃9之间设置有O型密封圈，石英玻璃的侧壁上设置有矩形密封圈。

本发明进一步的改进在于，石英玻璃的直径为40mm。

本发明进一步的改进在于，冷却水循环系统包括水箱，上炉盖上设置有管道，高温熔融炉体侧壁上设置有管道，下炉盖上设置有管道，铜电极上设置有管道；水箱出口与水泵入口相连，水泵出口与五路分水器相连，五路分水器的出口分别与上炉盖上的管道入口、高温熔融炉体侧壁上的管道入口、下炉盖上的管道入口、铜电极上的管道入口以及罗茨泵入口相连，上炉盖上的管道出口、高温熔融炉体侧壁上的管道出口、下炉盖上的管道出口、铜电极上的管道出口以及罗茨泵出口均与集水器入口相连，集水器出口与水箱入口相连；水箱内设置有水位计，水箱上方设置有冷却塔，水箱内设置有提升泵，提升泵出口与冷却塔相连。

一种实验方法，开启给水泵和提升泵，给水泵位于水箱外部并与五路分水器相连，将水箱中的冷却水送至五路分水器后分别流向对应的实验设备，冷却水冷却对应实验设备后汇聚至集水器中，集水器与水箱相连，冷却水最终流回水箱；提升泵位于水箱底部，将水箱中的水提升至高处的冷却塔，冷却水经过空气冷却后流回至水箱中；随后对高温熔融炉内抽真空，当高温熔融炉内真空度达到设定值后通入氩气，氩气从炉底通入至高温熔融炉内直至高温熔融炉内压力达到1.2MPa，交流电通过水冷铜电极和铼钼电极，流入钨铼加热棒对燃料棒进行电加热；高速摄像仪透过炉壁透窗实时拍摄炉内燃料棒熔化及迁徙动态过程并保存，钨铼热电偶测量燃料棒外表面锆-4合金的温度并保存。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的实验装置通过在高温熔融炉上开设透窗，可以在透窗外设置高速摄像仪，通过高速摄像仪观察高温熔融炉内实验情况，克服了现有装置中无法观察燃料棒熔化的具体过程的问题，由于炉外有高速摄像仪存在，因此需要对整个实验装置进行冷却。因此本发明中增设了冷却水循环系统，本发明的实验装置结构简单，能够实现，并能可视化地揭示堆芯材料熔化及熔融物的迁徙瞬态行为特性，获得可视化图像数据可为传统数值模拟方法提供验证。本发明有助于掌握关键现象机理，降低堆芯熔化进程的不确定性。

进一步的，由液压机控制上炉盖的升降，由叉车控制下炉盖的升降，利于控制。

进一步的，6个透窗沿炉体侧壁螺旋式上升排布，在周向上均匀分布，利于观察不同角度的燃料棒的熔化情况。

进一步的，由于反应堆燃料棒将在2000℃以上的高温条件下熔化，因此透窗表面会受到较大的辐射传热量。透窗面积过大将导致其表面温度过高而遭到损坏。另一方面，透窗面积过小将导致观测视角很小，无法记录整个燃料棒的熔化过程。综合考虑，可视化实验装置采用了圆台型透窗，设置透窗的顶面开口处的直径为25mm，底面开口处的直径为74mm。通过本发明的圆台型透窗可以实现燃料棒熔化迁徙的动态记录。

进一步的，石英玻璃尺寸较小以减少辐射传热量，降低石英玻璃的表面温度，所以，本发明中石英玻璃的直径为40mm。炉体上开设有圆台型透窗以增大观测视角。高温熔融炉外的高速摄像仪透过炉壁的圆台型透窗可现实时记录燃料棒熔化进程。

通过高温熔融炉冷却水循环系统保证炉体外侧温度保持在安全限制以内，外部的高速摄像仪可以正常工作，本方法能够真实模拟反应堆严重事故条件下堆芯熔化进程。本发明中的实验温度高达2000℃以上，本发明获得的实验数据可为传统数值模拟方法提供验证，降低现有严重事故分析程序的不确定性。由于公开文献中获得的实验数据无法满足我国对反应堆严重事故程序自主化需求，采用本发明的实验方法，进行堆芯材料熔化及熔融材料迁移特性研究，对于我国的核能科学与工程专业的发展，对反应堆严重事故进程及机理研究，具体极其重要的意义。

附图说明

图1为高温熔融炉实验装置三维简图。

图2为圆台型透窗示意图。

图3为本发明的核反应堆燃料棒熔化可视化实验装置的结构示意图。

图中，1为控制柜，2为罗茨泵，3为滑阀泵，4为阶梯，5为支撑架，6为高温熔融炉，7为叉车，8为液压机，9为石英玻璃，10为矩形密封圈，11为螺钉，12为O型密封圈，13为真空管，14为真空阀，15为真空规管，16为上炉盖，17为下炉盖，18为炉体侧壁，19为透窗，20为钨铼热电偶，21为铜电极，22为铼钼电极，23为坩埚，24为钨铼加热棒，25为燃料棒，26为给水泵，27为提升泵，28为冷却塔，29为水位计，30为水箱，31为分水器，32为集水器，33为水源，34为补水阀。

具体实施方式

下面通过附图对本发明进行详细描述。

参见图1、图2和图3，本发明的可视化实验方法主要通过六个梯形水冷透窗和高温熔融炉冷却水循环系统实现。本发明的实验方法能可视化地揭示堆芯材料熔化及熔融物的迁徙瞬态行为特性，获得可视化图像数据可为传统数值模拟方法提供验证。本发明有助于掌握关键现象机理，降低堆芯熔化进程的不确定性。

本发明的核反应堆燃料棒熔化可视化实验装置如图1所示。核反应堆燃料棒熔化可视化实验装置包括带有若干个透窗的高温熔融6，高温熔融炉6内竖直设置有试验件，试验件的上端和下端分别设置有铼钼电极22，铼钼电极22用于夹持试验件并导电，铼钼电极22与穿过高温熔融炉侧壁的铜电极21相连，试验件包括设置在中心的钨铼加热棒24，钨铼加热棒24的外侧设置有燃料棒25，燃料棒25将钨铼加热棒24包裹，即钨铼加热棒24位于燃料棒25的中心，燃料棒外表面为锆-4合金。高温熔融炉的顶部设置有上炉盖16，底部设置有下炉盖17，上炉盖16与液压机8相连，下炉盖17与叉车7相连，上炉盖16由液压机8控制升降，下炉盖17由叉车7控制升降。

燃料棒25下方设置有坩埚23，坩埚23设置在下炉盖17上。穿过高温熔融炉侧壁在不同高度设置有6个钨铼热电偶20，用于测量燃料棒25的温度。

高温熔融炉6的炉体侧壁18上开设有6个透窗21，6个透窗沿炉体侧壁螺旋式上升排布，在周向上均匀分布，相邻两个透窗在竖直方向的距离为0.16m。由于反应堆燃料棒将在2000℃以上的高温条件下熔化，因此透窗表面会受到较大的辐射传热量。透窗面积过大将导致其表面温度过高而遭到损坏。另一方面，透窗面积过小将导致观测视角很小，无法记录整个燃料棒的熔化过程。综合考虑，可视化实验装置采用了圆台型透窗，设置透窗的顶面开口处的直径为25mm，底面开口处的直径为74mm。

圆台型透窗如图2所示。透窗入口处设置在高温熔融炉6侧壁上的开设有圆孔的圆形盖板，圆形盖板上沿周向均匀分布着6个螺钉11，将圆形盖板与高温熔融炉侧壁通过螺钉相连。圆形盖板和高温熔融炉6侧壁之间设置有圆柱状的石英玻璃9，并且圆形盖板和石英玻璃9之间设置有O型密封圈12，石英玻璃9的侧壁上设置有矩形密封圈10，同时保证装置的密闭性。石英玻璃的直径为40mm，尺寸较小以减少辐射传热量，降低石英玻璃的表面温度，石英玻璃内的炉体开设有圆台型透窗以增大观测视角。高温熔融炉外的高速摄像仪透过炉壁的圆台型透窗可现实时记录燃料棒熔化进程。由于炉外有高速摄像仪存在，因此需要对整个实验装置进行冷却。

高温熔融炉6的冷却水循环系统如图3所示。冷却水循环系统包括水箱30，上炉盖16上设置有管道，高温熔融炉体侧壁上设置有管道，下炉盖17上设置有管道，铜电极21上设置有管道；水箱30与水泵28入口相连，水泵28出口与五路分水器31相连，五路分水器31的出口分别与上炉盖上的管道入口、高温熔融炉体侧壁上的管道入口、下炉盖17上的管道入口、铜电极21上的管道入口以及罗茨泵2入口相连，上炉盖16上的管道出口、高温熔融炉体侧壁上的管道出口、下炉盖17上的管道出口、铜电极21上的管道出口以及罗茨泵2出口均与集水器32入口相连，集水器32出口与水箱30相连。

水箱30内设置有水位计29，水箱30上方设置有冷却塔28，水箱30内设置有提升泵27，提升泵27出口与冷却塔28相连；水箱30中的循环冷却水由给水泵26驱动送至五路分水器31中，分别流向上炉盖16、炉体侧壁、罗茨泵2、铜电极21和下炉盖17。冷却水冷却对应实验设备后汇聚至集水器32中，最终流回水箱30。实验时，冷却水循环系统将实时输出进、出口水温和水箱水位，若进、出口水温超过限值或水箱的水位低于限值，都将启动补水阀34对水箱30补充水源33，水源33与水箱30之间设置有补水阀34。另一方面，水箱30中的水由提升泵27提升至高处的冷却塔28，冷却水经过空气冷却后流回至水箱30中。冷却水循环系统保证燃料棒在2000℃以上的高温条件下的实验设备的安全。通过本发明的圆台型透窗可以实现燃料棒熔化迁徙的动态记录，本发明获得的实验数据可为传统数值模拟方法提供验证，降低现有严重事故分析程序的不确定性。

罗茨泵2一侧与控制柜1相连，罗茨泵2另一侧与滑阀泵3相连，罗茨泵2经与真空管13与高温熔融炉内部相连，真空管13上设置有真空阀14以及真空规管15。

高温熔融炉外部设置有支撑架5，支撑架5一侧设置有阶梯4。

实验时，启动冷却水循环系统的给水泵26和提升泵27，给水泵26位于水箱30外部并与五路分水器31相连，将水箱30中的冷却水送至五路分水器31后分别流向对应的实验设备，冷却水冷却对应实验设备后汇聚至五路集水器33中，五路集水器33与水箱30相连，冷却水最终流回水箱30。提升泵27位于水箱30底部，将水箱30中的水提升至高处的冷却塔28，冷却水经过空气冷却后流回至水箱30中。随后启动滑阀泵3和罗茨泵2，滑阀泵3和罗茨泵2通过真空管道15与高温熔融炉内腔相连，对高温熔融炉抽真空，当高温熔融炉内真空度达到设定值后氩气系统随之启动。恒定流量的氩气从炉底通入至高温熔融炉内直至炉内压力达到1.2MPa。随后交流电通过水冷铜电极21和铼钼电极34，流入钨铼加热棒24对燃料棒25进行电加热。高速摄像仪透过炉壁透窗实时拍摄炉内燃料棒熔化及迁徙动态过程并保存，钨铼热电偶20测量燃料棒外表面锆-4合金的温度并保存。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。