一种用于高温熔融物释放的机械提升装置及方法

摘要

一种用于高温熔融物释放的机械提升装置及方法,该装置包括依次设置于位于压力容器内的加热系统上的释放机构、连接机构、密封机构和动力机构，释放机构包括：坩埚堵塞，其下端为锥形，上端与导向杆螺纹连接，材质为非导电性材质，防止堵塞被感应加热；连接机构包括：与坩埚堵塞通过螺纹连接的导向杆、依次连接用于把丝杆的水平位移转化为导向杆竖直位移的三个绞杆；动力结构包括：手轮，通过转动手轮来为提升装置提供动力；本发明还提供了该装置的提升方法。本发明可有效地实现熔融物的可靠释放，结构简单，不影响其他设备的正常使用，从而为研究核电站反应堆熔融物分层行为提供可行的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于核反应堆严重事故研究中有效且可靠的高温熔融物释放装置，具体涉及一种用于高温熔融物释放的机械提升装置及方法。

背景技术

日本福岛核事故是继美国三哩岛和前苏联切尔诺贝利核事故之后的又一次堆芯熔融严重事故，再次引发了国际社会对核反应堆严重事故的关注。当今，我国核电迅速发展，成为替代传统化石燃料的一种清洁经济能源，其安全问题也成为人们关注的焦点。在新一代反应堆研究和设计中，如何防止和缓解严重事故成为评价反应堆先进性的一个重要方面。

在反应堆严重事故进程中，由于金属和氧化物的密度不同，其熔融物会在压力容器下封头内形成分层结构，该分层行为直接影响熔融物内部传热特性及下封头壁面的热流密度分布，进而影响压力容器失效方式、熔融物泄漏、熔融物与混凝土相互作用(简称MCCI)等后续事故进程，是反应堆严重事故中的关键问题之一。国内外研究机构对熔融物分层结构下的流动传热进行了较多的数值研究，但对熔融物的动态分层过程的研究仍相对较少，因此为了揭示金属与氧化物分层的机理，需要合理设计一套实验装置。熔融物分层实验装置的关键问题在于熔融物的释放，但由于熔融物温度高达2000℃，且需要在惰性环境下操作，使得这一问题变得比较棘手。

专利CN104575631B公开了一种利用气动支撑机构和撞击机构的熔融物释放装置，包括气动支撑翻板、插板阀、快关阀、石墨锥、管道、托盘卡槽、延时板、控制台等部件；该气动支撑翻板用于支撑石墨坩埚，在接收到熔融物释放信号时，高压氮气迫使其打开，坩埚和熔融物下落；下落的坩埚与管道底端的石墨锥碰撞，坩埚内部大量高温熔融物出流，与石墨锥底部延迟不锈钢板作用；待熔穿不锈钢板后，熔融物下落至下部反应器中。该发明装置结构复杂，存在极大的不确定性，比如坩埚和熔融物能否垂直下落以及石墨锥能否在准确时间碎裂，此外石墨碎裂后会和熔融物一起进入实验段，干扰实验现象。

文献(Application of cold crucible for melting of UO2/ZrO2 mixture，Materials Science and Engineering A357(2003)297-303) 公开了一种在冷坩埚底部孔口处加装塞子，在需要释放熔融物时，将塞子向下拔出，然后利用以锥子刺穿烧结的熔融物，从而使熔融物流出的装置，然而文献中并未对如何操作塞子及锥子进行说明。

在模拟核电站反应堆堆芯熔融分层的实验中，熔融物的温度较高，成分复杂，且存在熔融物凝固在坩埚孔口或实验构件上的问题，需要安全可靠的熔融物制备和释放装置。然而，现有的熔融物释放装置结构复杂，可靠性差，且有的装置会对熔融物产生污染，从而影响熔融物的动态分层行为。因此，有必要设计一种具有较高安全性和可操作性的高温熔融物释放装置，解决熔融物分层实验装置的瓶颈。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于高温熔融物释放的机械提升装置及方法，可以有效地实现熔融物的可靠释放，不影响其他设备的正常使用，从而为研究核电站反应堆熔融物分层行为提供可行的方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于高温熔融物释放的机械提升装置，包括依此设置于压力容器21内的加热系统20上的释放机构、连接机构、密封机构和动力机构；

所述密封机构用来保证提升装置与压力容器的密封，包括与压力容器21连接的轴承座3、用于连接压力容器21和轴承座3的螺钉4、位于压力容器21和轴承座3之间用于保证两者密封的O型密封圈5、位于轴承座3内部的轴承座垫圈6、位于轴承座3内部用于保证丝杆良好旋转的推力轴承7、位于轴承座3内部依次相连的O型密封圈5、密封垫圈8和密封法兰9、位于轴承座3内部的孔用弹性挡圈10；

所述释放机构包括坩埚堵塞19，其下端为锥形，上端与导向杆 16连接，材质为非导电性材料，防止堵塞被感应加热；

所述连接机构包括设置在轴承座3内的丝杆2、与坩埚堵塞19 连接的导向杆16、设置在导向杆16上限制导向杆16位移为上下位移的导向套18、依次连接在丝杆2和导向杆16间用于把丝杆2的水平位移转化为导向杆16竖直位移的第一绞杆12、第二绞杆13和第三绞杆15；

所述动力结构包括与丝杆2相连接的手轮1，通过人力转动手轮来为提升装置提供动力，或用电机与手轮直接连接，通过设定电机的行程来防止超过提升装置提升范围，导致丝杆2滑丝。

还包括设置在连接机构下部的底板17，底板17上设置有一对分布于第二绞杆13两端与第二绞杆13通过螺栓连接连接的支撑耳14，以防止第二绞杆13在动力传输的过程中发生侧偏，影响装置的正常运行。

所述导向套18与底板17连接，用于限制导向杆16的位移为上下位移。

所述丝杆2与第一绞杆12通过绞杆螺母11螺纹连接，拆卸时只需要将丝杆2与绞杆螺母11旋开即实现丝杆2和第一绞杆12的分离，便于拆卸。

所述丝杆2与轴承座3连接的螺纹的螺距大小能有效的控制坩埚堵塞19的提升速度，满足做实验对坩埚堵塞19提升速度的要求。

所述导向杆16上端开通孔与第三绞杆15通过螺柱连接，下端为螺纹，与坩埚堵塞19通过螺纹连接。

所述的坩埚堵塞19上部为内螺纹与导向杆16螺纹连接，下端为锥形头，与坩埚堵塞19相配合的坩埚底部开孔为与坩埚堵塞19下端锥形锥度相同的锥形孔，有效避免坩埚堵塞19和坩埚底部开孔都为通孔时出现的间隙配合不能很好密封、过盈配合不便于操作问题，且坩埚堵塞19的锥头长度大于坩埚底部锥孔高度，在加热过程中热涨冷缩不均匀时坩埚堵塞19在自重的作用下具有自塞紧效果，更好的起到密封效果；坩埚堵塞19高度高于坩埚，能够保证导向杆16不被感应加热，保证提升装置可靠性。

所述的用于高温熔融物释放的机械提升装置的提升方法，包括如下步骤：

1)待实验条件达到后，在压力容器21外手动转动手轮1或用电机带动手轮1转动；

2)手轮1带动丝杆2向外旋出；

3)丝杆2通过绞杆螺母11与第一绞杆12连接，并通过第一绞杆12、第二绞杆13和第三绞杆15带动导向杆16和坩埚堵塞19在导向套18的限制下向上提升；

4)坩埚堵塞19与坩埚分离，坩埚内部高温熔融物流出；

5)高温熔融物下落至下部反应器中，自然冷却，完成实验。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过采用纯机械式提升装置对坩埚堵塞进行有效的提升，实现了在不影响其他设备正常使用的情况下的熔融物可靠释放，避免了传统电磁提升装置释放熔融物时易受高温、感应加热电磁干扰而导致的损坏与失效，同时又能有效避免由于提升装置结构复杂而带来的成本高、可靠性差等问题，为核电厂安全分析奠定了基础。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的应用案例图。

图中：手轮1、丝杆2、轴承座3、螺钉4、O型密封圈5、轴承座垫圈6、推力轴承7、密封垫圈8、密封法兰9、孔用弹性挡圈10、绞杆螺母11、第一绞杆12、第二绞杆13、支撑耳14、第三绞杆15、导向杆16、底板17、导向套18、坩埚堵塞19、加热系统20、压力容器21。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本发明一种用于高温熔融物释放的机械提升装置，包括依此设置于压力容器21内的加热系统20上的释放机构、连接机构、密封机构和动力机构；所述密封机构用来保证提升装置与压力容器的密封，包括与压力容器21连接的轴承座3、用于连接压力容器21和轴承座3的螺钉4(本实施例为内六角圆柱头螺钉)、位于压力容器21和轴承座3之间用于保证两者密封的O型密封圈5、位于轴承座3内部的轴承座垫圈6、位于轴承座3内部用于保证丝杆良好旋转的推力轴承7、位于轴承座3内部依次相连的O型密封圈5、密封垫圈8和密封法兰9、位于轴承座3内部的孔用弹性挡圈10；所述释放机构包括坩埚堵塞19，其下端为锥形，上端与导向杆16连接，材质为非导电性材料，防止堵塞被感应加热；所述连接机构包括设置在轴承座3内的丝杆2、与坩埚堵塞19连接的导向杆16、设置在导向杆16上限制导向杆16位移为上下位移的导向套18、依次连接在丝杆2和导向杆16间用于把丝杆2的水平位移转化为导向杆16竖直位移的第一绞杆12、第二绞杆13和第三绞杆15；所述动力结构包括与丝杆2相连接的手轮1，通过人力转动手轮来为提升装置提供动力，或用电机与手轮直接连接，通过设定电机的行程来防止超过提升装置提升范围，导致丝杆2滑丝。

作为本发明的优选实施方式，还包括设置在连接机构下部的底板 17，底板17上设置有一对分布于第二绞杆13两端与第二绞杆13通过螺栓连接连接的支撑耳14，以防止第二绞杆13在动力传输的过程中发生侧偏，影响装置的正常运行。

作为本发明的优选实施方式，所述导向套18与底板17连接，用于限制导向杆16的位移为上下位移。

作为本发明的优选实施方式，所述丝杆2与第一绞杆12通过绞杆螺母11螺纹连接，拆卸时只需要将丝杆2与绞杆螺母11旋开即实现丝杆2和第一绞杆12的分离，便于拆卸。

作为本发明的优选实施方式，所述丝杆2与轴承座3连接的螺纹的螺距大小能有效的控制坩埚堵塞19的提升速度，满足做实验对坩埚堵塞19提升速度的要求。

作为本发明的优选实施方式，所述导向杆16上端开通孔与第三绞杆15通过螺柱连接，下端为螺纹，与坩埚堵塞19通过螺纹连接。

作为本发明的优选实施方式，所述的坩埚堵塞19上部为内螺纹与导向杆16螺纹连接，下端为锥形头，与坩埚堵塞19相配合的坩埚底部开孔为与坩埚堵塞19下端锥形锥度相同的锥形孔，有效避免坩埚堵塞19和坩埚底部开孔都为通孔时出现的间隙配合不能很好密封、过盈配合不便于操作问题，且坩埚堵塞19的锥头长度大于坩埚底部锥孔高度，在加热过程中热涨冷缩不均匀时坩埚堵塞19在自重的作用下具有自塞紧效果，更好的起到密封效果；坩埚堵塞19高度高于坩埚，能够保证导向杆16不被感应加热，保证提升装置可靠性。

本发明用于高温熔融物释放的机械提升装置通过以下方式实现高温熔融物释放：

1)待实验条件达到后，在压力容器21外手动转动手轮1或用电机带动手轮1转动；

2)手轮1带动丝杆2向外旋出；

3)丝杆2通过绞杆螺母11与第一绞杆12连接，并通过第一绞杆12、第二绞杆13和第三绞杆15带动导向杆16和坩埚堵塞19在导向套18的限制下向上提升；

4)坩埚堵塞19与坩埚分离，坩埚内部高温熔融物流出；

5)高温熔融物下落至下部反应器中，自然冷却，完成实验。

借助上述释放装置，通过上述具体释放步骤，可稳定可靠地实现大量高温熔融物的无危险下落，为反应堆严重事故下高温熔融物分层实验研究的开展提供了可能。