一种高温熔融物扩展壅塞实验装置及实验方法与流程

本发明属于实验装置技术领域，具体涉及一种高温熔融物扩展壅塞实验装置及实验方法。

背景技术：

严重事故是一个多相态、多组分的复杂物理和化学过程，堆芯燃料组件熔化以及熔融物在反应堆内棒束通道间隙内的扩展及消熔过程是严重事故重要早期行为序列，具有很大的不确定性且难以准确预测。

国际上关于严重事故燃料熔化和烛化的研究，可以追溯到上世纪60年代，核电工业刚刚兴起的时候。但是由于当时在使用核电的国家中，并不需要进行相关研究就可以取得核电执照，所以相关的研究并没有取得太大的进展。直到70年代末，美国发生三哩岛事故，给严重事故燃料熔化和烛化研究提供了直接的经验和丰富的素材。随后，德国进行了CORA实验的研究，法国CEA进行了PHEBUS实验的研究，积累了丰富经验。而在程序开发方面，包括MELCOR，MAAP，SCDAP/RELAP5等都吸收并包含了国际上堆芯熔融物材料的熔化和烛化研究的模型和成果。

国内关于严重事故的研究主要始于2011年的福岛核事故。由于地震和海啸，日本福岛轻水堆核电厂发生了极其严重的堆芯熔化，氢气爆炸和放射性泄露事故，对我国的核电厂反应堆安全评估造成了巨大影响。氢气爆炸和放射性泄露事故，对我国的核电厂反应堆安全评估造成了巨大影响。由于福岛事故的影响，中国政府加大了对严重研究力度并支持地方院校和研究机构进行了针对严重事故的一系列研究。当前，我国高校针对反应堆严重事故，所进行的主要实验研究，主要包括西安交通大学的堆芯熔融物内保持CHF测试实验台架,上海交通大学的蒸汽爆炸测试实验台架，而在程序方面，主要进行针对部分严重事故现象的程序开发，以及对现有的程序进行集成，或者进行程序的二次开发等工作。

综合国内外针对严重事故后堆芯材料熔化及熔融物的迁徙行为研究可以发现：1)由于牵涉多相多组分的物理化学过程，堆芯材料熔化及熔融物的迁徙行为的不确定性很大，各研究者之间的研究条件和结论具有较大差异；2)已有的系统程序模型和机理分析模型，都存在大量的简化假设，已有模型的适用性十分有限；3)常规数值模拟方法很难处理这么复杂的多相多物理场行为。因此亟需深入开展压水堆堆芯材料熔化及熔融物的迁徙行为实验研究。高温熔融物扩展壅塞实验研究有助于揭示堆芯材料熔化及熔融物的迁徙行为机理，降低现有严重事故分析程序的不确定性，是严重事故研究的基础科学问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高温熔融物扩展壅塞实验装置及实验方法，用于揭示堆芯材料熔化及熔融物的迁徙行为机理，利用实验数据优化已有系统程序模型并开发机理分析模型，为常规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。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高温熔融物扩展壅塞实验装置，包括加热炉，所述加热炉包括炉体，炉体为圆筒型结构，并且采用氧化锆制作；炉体内沿炉体内壁设置有一圈高温隔热层，炉体侧壁上开设有若干透窗，透窗内安装有热电偶；炉体内中心竖直设置有若干测试棒；每根测试棒包括位于中心的钨铼加热棒，钨铼加热棒外侧为氧化铝层，氧化铝层外侧为锆-4合金层；热电偶热端与氧化铝层表面接触，冷端穿过透窗；加热炉下方设置有变压器，变压器与钨铼加热棒相连。

本发明进一步的改进在于，该装置还包括琴台柜，琴台柜上设置有温度控制仪表、电流电压表、空气开关、温控按钮以及控制按钮，温度控制仪表、电流电压表、空气开关、温控按钮以及控制按钮均与变压器相连。

本发明进一步的改进在于，每根测试棒的长度为0.9m；钨铼加热棒的直径为3mm，氧化铝层的厚度为3.5mm，锆-4合金层的厚度为1mm。

本发明进一步的改进在于，测试棒采用3*3矩阵排列，每根测试棒的横截面的直径为12mm，相邻两个测试棒之间的距离为1.5mm。

本发明进一步的改进在于，若干测试棒由包裹层包裹在一起。

本发明进一步的改进在于，所述加热炉内径为1.0m，炉体高度为1.5m，炉体壁厚度为0.01m。

本发明进一步的改进在于，炉体顶部设置有弧形的炉盖，炉盖上开设有氩气出口；炉体底部侧壁上开设有氩气进口；炉体内设置有用于支撑高温隔热层的钼板。

本发明进一步的改进在于，透窗的数量为6个，6个透窗沿炉体侧壁螺旋式上升排布，相邻的两个透窗在竖直方向的距离为0.16m，6个透窗沿炉体侧壁周向均匀分布，每个透窗处均设置有用于安装热电偶的热电偶插孔；热电偶输出端还连接有可编程温度控制系统。

本发明进一步的改进在于，所述炉体底部设置有能够旋转的底盖；若干测试棒的下方设置有用于盛装测试棒的掉渣的坩埚；坩埚设置在氧化锆块上，氧化锆块设置在氧化铝块上；变压器通过导电板与钨铼加热棒两端相连。

一种高温熔融物扩展壅塞的实验方法，其特征在于，0s时预热阶段开始，外部氩气源向氩气进口持续通入10g/s的氩气，以便排出实验装置内部的空气和水蒸气；钨铼加热棒加热功率维持在1kW，用于加热蒸发装置材料中的水分并预热测试棒；经过2000.0s持续的加热，实验装置内的空气和水蒸气已经完全排出，整个装置内充满着化学性质稳定的保护气体；2000s时，瞬态实验阶段开始，同时关闭氩气进口和氩气出口阀门；通过可编程温度控制系统，使得加热功率从1kW开始以0.01kW/s的速度上升至21kW后保持不变，直至瞬态实验阶段结束；此阶段为测试棒熔化及熔融物迁徙的瞬态过程，通过高速摄像仪实时记录；高速摄像仪拍摄的视频数据通过多通道数据采集系统最终保存于电脑中；5000s后停止加热，待钨铼加热棒完全冷却，熔融物熔化迁徙过程完全结束后，拍摄熔化掉落的熔融物分布情况，实验结束。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

1.该实验装置由于在炉体内设置测试棒，测试棒的中心为钨铼加热棒，通过对钨铼加热棒进行电加热，模拟燃料棒衰变热，实验加热最高温度可达2000℃，所以能够真实模拟堆芯材料熔化及两千度以上高温熔融物的迁徙壅塞特性。

2.在炉体侧开有若干可视化透窗，能够动态揭示堆芯材料熔化及熔融物的迁徙行为机理。

3.本发明中可方便更改测试棒棒束布置方式，以便于模拟各种类型反应堆堆芯排布方式，从而揭示高温熔融物在不同布置方式下的棒束间隙内的流动壅塞行为特性。

进一步的，多个高温热电偶的螺旋式上升排布可以实现对熔化过程中测试棒不同高度全视角表面温度的实时记录收集，可作为传统系统程序边界条件或验证参数，并对已有模型验证提供准确的实验数据。

进一步的，测试棒上下端均通过导电板与变压器连接形成低压高电流环路，钨铼热电偶输出端还连接有可编程温度控制系统，可编程温度控制系统检测测试棒表面温度，并反馈给低压高电流环路，防止测试棒表面温度过高而产生危险。

进一步的，变压器20输入220V交流电输出低于36V的低压交流电，交流电通过导电板流入钨铼加热棒中，由于钨铼加热棒电阻很小，此环路电流很高，即使人体直接接触也是无害的，因此设计是十分安全的。

本发明在0s时预热阶段开始，外部氩气源向氩气进口持续通入10g/s的氩气，以便排出实验装置内部的空气和水蒸气；钨铼加热棒加热功率维持在1kW，用于加热并蒸发测试棒和加热炉内材料中的水分并预热测试棒；经过2000.0s持续的加热，实验装置内的空气和水蒸气已经完全排出，整个装置内充满着化学性质稳定的保护气体；2000s时，瞬态实验阶段开始，同时关闭氩气进口和氩气出口阀门；通过可编程温度控制系统，使得加热功率从1kW开始以0.01kW/s的速度上升至21kW后保持不变，直至瞬态实验阶段结束；此阶段为测试棒熔化及熔融物迁徙的瞬态过程，通过高速摄像仪实时记录；高速摄像仪拍摄的视频数据通过多通道数据采集系统最终保存于电脑中；5000s后停止加热，待钨铼加热棒完全冷却，熔融物熔化迁徙过程完全结束后，拍摄熔化掉落的熔融物分布情况，实验结束。通过实验结果可以了解燃料棒熔化起始位置及熔融物迁徙动态行为特性，对后续程序验证和模型修正改进起到决定性作用。

附图说明

图1为高温熔融物扩展壅塞实验装置加热炉示意图。

图2为高温熔融物扩展壅塞实验加热炉截面图。

图3为测试棒截面示意图。其中，(a)为剖视图，图(b)为俯视图。

图4为测试棒棒束布置示意图。

图5为熔融物蚀化实验装置。

图中，1为炉体，2为高温隔热层，3为测试棒，4为包裹层，5为炉盖，6为透窗，7为氩气出口，8为氩气进口，9为钼板，10为坩埚，11为氧化锆块，12为氧化铝块，13为钨铼加热棒，14为氧化铝层，15为锆-4合金层，16为导电帽，17为热电偶，18为导电板，19为琴台柜，20为变压器，21为温度控制仪表，22为控制按钮，23为温控按钮，24为显示器，25为键盘，26为空气开关，27为控制线，28为热电偶插孔，29为台架，30为底盖。

具体实施方式

下面通过结合附图对本发明进行详细描述。

参见图5，本发明包括操作琴台柜19、变压器20、多通道数据采集系统、可编程温度控制系统、可控硅、可控硅触发器以及加热炉等。

参见图1，所述加热炉包括炉体1，炉体1为圆筒型结构，加热炉内径为1.0m，炉体高度为1.5m，炉体壁厚度为0.01m。炉体1顶部设置有弧形的炉盖5，弧形的炉盖5成压能力强一些，炉盖5上开设有氩气出口7；炉体1内沿炉体1内壁设置有一圈高温隔热层2，炉体1内设置有用于支撑高温隔热层2的钼板9；参见图5，炉体1上开设有6个透窗6，透窗6的数量为6个，6个透窗6沿炉体1侧壁螺旋式上升排布，相邻的两个透窗6在竖直方向的距离为0.16m，6个透窗6沿炉体1侧壁周向均匀分布，每个透窗6处均设置有用于安装热电偶12的热电偶插孔28。

热电偶12采用钨铼热电偶；炉体1底部侧壁上开设有氩气进口8。炉体1底部设置有底盖30，底盖30为可旋转的盖子。

炉体1内中心竖直设置有若干测试棒3，测试棒3的顶部设置有导电帽16；具体的，测试棒的数量为9根，9根测试棒由横截面为正方形状的包裹层4包裹。

每根测试棒结构如图3所示，测试棒长度为0.9m。测试棒的中心为直径为3mm的钨铼加热棒13，钨铼加热棒13外侧为厚度3.5mm的氧化铝层14，氧化铝层外侧为厚度1mm的锆-4合金层15。即测试棒由内向外依次为钨铼加热棒13、氧化铝层14以及锆-4合金层15。

测试棒3采用如图4所示的3*3(*表示乘号)矩阵排列。每根测试棒的横截面的直径为12mm，相邻两个测试棒之间的距离为1.5mm；通过对位于中央的钨铼加热棒13进行电加热，模拟燃料棒衰变热，实验加热最高温度可达2000℃。通过合理的布置热电偶测量得到各测试棒的包壳温度、熔融物及水蒸气工质温度等瞬态参数，并用绘图软件绘制成二维图，用以描述实验装置的系统状态。为获得测试棒棒束表观特征随时间的变化，设置数台摄像仪从不同方位对包裹层观察，由高速摄像仪记录实验过程，全面地记录堆芯材料熔化及熔融物的迁徙动态特性，为已有系统程序模型修正提供实验数据。若干测试棒3的下方设置有用于盛装测试棒3的掉渣的坩埚10。实验结束后可以通过坩埚内的熔融物位置分布及熔融物质量等情况，真实反映熔化过程中熔融物迁移最终脱离燃料棒的行为特性。坩埚10设置在氧化锆块11上，氧化锆块11设置在氧化铝块12上。

参见图1，炉体采用氧化锆材料，可以承受2000℃以上的高温。加热炉的炉体内包裹层内为测试棒棒束区域，包裹层4周围为高温隔热层2，高温隔热层2采用氧化锆隔热材料，以保持实验环境的温度并保护外界环境。高温隔热层部分打孔，用于布置可视化透窗6和钨铼热电偶，孔高为35mm，宽为35mm。钨铼热电偶热端与氧化铝层14表面接触，冷端从热电偶插孔中引出放置在炉体1外部。热电偶冷端通过透窗孔导出外界环境中，温度满足冷端要求。热电偶使用前先进行标定，通过热电偶实时测量氧化铝表面的温度并通过数据采集系统将曲线呈现在琴台柜19处供检测。高温隔热层的材料使用环形钼板9支撑。

参见图5，加热炉设置在台架29上，台架29下部设置有变压器20，变压器20通过导电板18与钨铼加热棒13相连。变压器20还通过控制线27与琴台柜19上的温度控制仪表21、电流电压表、空气开关26、温控按钮23以及控制按钮22相连。

炉体底部开设有氩气进口8，实验初期可持续通入氩气，为实验熔化过程提供氩气保护，以保证高温熔化过程的安全。测试棒下放的坩埚用于收集熔化下落的熔融物，测试棒上下端均通过导电板18与变压器20连接形成低压高电流环路。

参见图5，琴台柜19上设置有连接着电脑主机的显示器24、温度控制仪表21、电流电压表、空气开关26、温控按钮23以及控制按钮22；电脑主机连接有键盘25。低压高电流环路的电压电流等参数通过多通道数据采集系统测量，然后通过换算将检测结果显示在电脑显示器上，并实时保存。钨铼热电偶输出端还连接有可编程温度控制系统，可编程温度控制系统检测测试棒表面温度，并反馈给低压高电流环路，防止测试棒表面温度过高而产生危险。低压高电流环路中还串联有可控硅及可控触发器，可控触发器作为一种移相型电力控制器可以实现对加热棒的电压电流及功率的调节，使得钨铼加热棒以规定的功率曲线加热表面的氧化铝材料。

实验运行时，变压器20输入220V交流电输出低于36V的低压交流电，交流电通过导电板18(即铜板)流入钨铼加热棒13中。由于钨铼加热棒13电阻很小，此环路电流很高，即使人体直接接触也是无害的，因此设计是十分安全的。多通道数据采集系统可采集实验装置的多路温度数据、实验装置的输入电压和电流等，并实时记录完整的运行参数(时间和温度)的数据记录功能。数据显示可选择曲线图及数据列表两种表现方式。用曲线图可快速全面掌握变化趋势，用数据列表的形式能准确了解分析每个采样点的数据值。所有记录数据能长期保存并能定期刻录，以备以后查阅。数据的记录具有确定的真实性和准确性，数据记录不能更改，数据查阅操作简单实用。多通道数据采集系统还可以监控历史报警记录，可显示并记录在指定时间段发生了什么样的报警，何时排除。可编程温度控制系统通过琴台柜操作，主要对实验装置电源输出电压进行程序控制。加热炉主要实现对测试棒的定量加热并使得测试棒熔化，加热炉的设计使得超两千摄氏度的高温熔化过程可以安全进行。熔化产生的高温熔融物会在测试棒棒束间隙中迁徙壅塞，并被透窗外的高速摄像仪所记录下来，透窗设计可以使得整个熔化过程可视化。整个加热炉体上有6个透窗，透窗由边长为35mm的正方形透明材料制作，由于高温熔化过程将产生大量的热和光，因此高速摄像仪前需要添加一个遮光器。

下面详细说明本发明的实验方法具体如下：

整个实验在上述实验装置上进行，在实验进行之前，需要对6个钨铼热电偶进行标定，标定合格后实验开始。0s时预热阶段开始，外部氩气源(氩气瓶)向氩气进口持续通入10g/s的氩气，以便排出实验装置内部的空气和水蒸气。钨铼加热棒加热功率维持在1kW，用于加热蒸发装置材料中的水分并预热测试棒。经过2000.0s持续的加热，可以认为实验装置内的空气和水蒸气已经完全排出实验段，整个装置内充满着化学性质稳定的保护气体。预热阶段主要目标是为瞬态实验阶段提供一个氩气保护的加热环境，保证熔化过程的安全性，此阶段热电偶持续工作，监测燃料棒表面温度，此阶段也可以视为瞬态实验阶段前的一个稳态过程，提高后续瞬态实验参数测量的准确性。

2000s时，瞬态实验阶段开始，同时关闭氩气进口和氩气出口阀门。通过可编程温度控制系统，使得加热功率从1kW开始以0.01kW/s的速度上升至21kW后保持不变直至瞬态实验阶段结束。此阶段为测试棒(即燃料棒)熔化及熔融物迁徙的瞬态过程，需要通过高速摄像仪实时记录。高速摄像仪前添加一个遮光板以防止熔化过程光过于耀眼而影响拍摄图像，高速摄像仪拍摄的视频数据通过数据采集系统最终保存于电脑中。瞬态实验阶段，琴台柜显示的电压、温度、加热功率等参数十分直观的反应熔化过程，一旦参数超过设定阈值，报警就会响起，琴台柜空气开关自动跳闸并关闭供电停止加热。这将有效缓解熔化过程中可能出现的安全事故，保证实验装置的安全。

5000s后停止加热，冷却阶段开始，打开氩气入口和氩气出口阀门，冷氩气持续冷却钨铼加热棒。待钨铼加热棒完全冷却，熔融物熔化迁徙过程完全结束后，拍摄熔化掉落的熔融物分布情况，实验结束。通过实验结果可以了解燃料棒熔化起始位置及熔融物迁徙动态行为特性。对后续程序验证和模型修正改进起到决定性作用。

本发明可用于堆芯材料熔化及熔融物的迁徙实验中。

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。