金属工质底部加热装置的制作方法

本实用新型涉及反应堆热工水力试验技术领域，特别涉及一种金属工质底部加热装置。

背景技术：

压水堆核电厂发生堆芯融化事故后，燃料元件及堆内构件由于冷却不足而发生熔化并在压力容器底部形成分层熔池结构。熔池的上层为密度较小金属层，主要成分为熔化的不锈钢和未被氧化的锆，其温度约为1600k。金属层的主要传热过程为：下部由温度更高的氧化物层内衰变热通过对上方金属层的底部进行加热，顶部通过辐射对外面进行换热，侧部则通过对流对压力容器侧壁进行换热。由于金属层厚度较薄且与容器壁的接触面积小，热传递更加集中，热流密度很大，会对压力容器的完整性造成巨大的威胁。以降低金属层的侧壁热流密度为目标而开展的压力容器堆内滞留及缓解措施相关研究中，有必要开展原型材料的高温液态金属的传热特性试验，为反应堆安全分析程序提供直接的数据支撑。

高温熔融金属层传热试验最关键基础条件是可靠的熔融物底部加热装置，用以提供金属工质达到液相温度所需热量并由维持稳定的底部向上热流。以往高温熔融金属层的试验装置中根据加热方式的不同，可分为两类：感应加热、电加热棒直接加热(elias装置)。采用感应加热技术的anais装置和hitec装置可实现1700k的工作温度，但加热器的形式及材料有所不同。其中，anais由法国cea设计，使用氧化锆陶瓷坩埚做为液态金属承装容器，实现了约20kg不锈钢加热至熔融状态。美国加州大学hitec台架使用感应加热石墨坩埚并内衬钢坩埚的方式，将约13g锆铁金属的混合物快速加热至1410℃。然而上述两种加热方式均为底部和侧壁同时加热，且由于采有感应加热使得熔融金属内部存在内热源，与真实条件下的单一底部加热条件有所不同，对换热带来的影响也较难评估。因此韩国elias装置，选用模拟低熔点金属开展试验，采用底部加热板直接加热的方式将金属锌加热至700k。但由于金属锌与锆铁混合物热物性上的差异，其结果有待进一步评估。

具体的，hitec试验装置的核心部分为石墨坩埚及其内衬的不锈钢坩埚，石墨坩埚周围由保温材料覆盖。为了避免坩埚及锆铁工质在高温条件下在空气内氧化，采用玻璃围桶进行封闭，并充氩气保护。感应线圈位于玻璃围桶侧壁的外部，通过感应加热石墨坩埚，并将热量传导至不锈钢及锆铁工质，可将13g锆铁金属粉末的混合物加热至1410℃，加热时间约为3～4小时。此方案钢坩埚的尺寸内径为12.7mm，内高25.4mm，可用于开展试验的工质质量较小，约13g。此外试验工质成分为4.8～8.8％锆(摩尔分数)对应的混合物熔点约为1335℃，此温度在钢坩埚的熔点以下，因此采用厚度为6.35mm的钢坩埚可以在试验过程中保持完整，试验结束后钢坩埚发生一定的厚度的侵蚀，对熔池工质成分配比有所改变。与此同时，当试验工质成分发生改变后，熔点有所提高后，钢坩埚将会完全融化，比如当锆的摩尔分数提高至33％时对应的工质熔点变为1675℃，因此限制了此技术方案的温度使用范围。

anais由法国cea设计，使用冷坩埚感应加热技术，将直径为200mm的氧化锆坩埚液态金属承装容器，由此向外依次为氧化铝套筒、水冷铜坩埚、玻璃纤维及感应线圈。试验装置整体位于安全防护室内，由惰性气体保护。感应线圈直接将氧化锆坩埚内约20kg的304不锈钢感应加热至1650℃，达到熔融状态。采用感应线线圈直接对金属工质电磁加热，使金属工质内部在内热源的同时还存在电磁搅拌力，与原型条件下金属层内部流动为典型的rayleigh-bénard热对流(由底部及上部的温差驱动，无其它外力)的情况有明显差别，因此，试验装置采用电磁感应方案导致对熔池内流动及传热产生影响难以评估。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本实用新型的目的在于提出一种金属工质底部加热装置，可快速将金属工质加热至熔融状态，并确保金属层传热边界条件为底部向上传热。

为了实现上述目的，本实用新型提出了一种金属工质底部加热装置，包括：石墨加热器，用于根据感应线圈通电后产生的电磁感应对所述金属工质加热；所述感应线圈，位于所述石墨加热器的外围，用于将电源产生的高频交变电流转变为高频交流电磁场，以对所述石墨加热器提供电磁感应；保温套筒，用于为所述金属工质提供承装空间，并提供保温和隔热作用；底部保温层，位于所述石墨加热器底部，且与所述石墨加热器底部之间存在间隙，用于进行保温绝热；线圈保温层，用于支撑石墨加热器，并对所述石墨加热器进行保温；高温测温孔，用于监测所述石墨加热器的温度，并根据所述温度控制所述感应线圈的功率。

另外，根据本实用新型上述的金属工质底部加热装置还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述石墨加热器由感应加热区、平板导热区和侧部密封区三部分组成，其中，所述平板导热区的厚度大于在所选情况的集肤层厚度，用于屏蔽电磁场对所述金属工质的影响，并向所述金属工质提供稳定的热流；所述侧部密封区选择性采用向上翻沿结构；所述感应线圈位于所述感应加热区的外围，且位于所述平板导热区的下部。

在一些示例中，所述感应加热区被配置为柱状、桶状、方形或内空方形结构，电流通过所述感应线圈在所述感应加热区产生涡流，以对所述感应加热区加热。

在一些示例中，所述感应加热区被配置为柱状、桶状、方形或内空方形结构，电流通过所述感应线圈在所述感应加热区产生涡流，以对所述感应加热区加热。

在一些示例中，所述感应线圈为螺旋状水冷铜管，内通冷却水。

在一些示例中，所述保温套筒包括保温内套筒和保温外套筒。

在一些示例中，所述线圈保温层包括：铺设于所述感应线圈内部的内部线圈保温层和铺设于所述感应线圈外部的外部线圈保温层，所述内部线圈保温层用于屏蔽电磁感应，所述外部线圈保温层用于提供支撑和保温作用。

在一些示例中，所述高温测温孔采用高温热电偶或红外测温的方式监测所述石墨加热器的温度。

在一些示例中，所述高温热电偶采用侧壁插入方式安装在所述石墨加热器上。

在一些示例中，所述石墨加热器由高纯度静压石墨材料构成。

根据本实用新型的金属工质底部加热装置，可实现速将金属工质加热至熔融状态，并由熔融金属底部提供稳定的向上热流，用于开展高温液态金属传热及材料相关试验，确保金属层传热边界条件与反应堆严重事故条件相似，获得的试验数据更具有工程指导价值；此外，还可以保证熔融金属内部均匀的温度梯度。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型一个实施例的金属工质底部加热装置的结构示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的石墨加热器的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下结合附图描述根据本实用新型实施例的金属工质底部加热装置。

图1是根据本实用新型一个实施例的金属工质底部加热装置的结构示意图。

如图1所示，该金属工质底部加热装置，包括：石墨加热器1、感应线圈2、保温套筒、底部保温层5、线圈保温层和高温热电偶孔8。

其中，石墨加热器1用于根据感应线圈2通电后产生的电磁感应对金属工质9加热。

感应线圈2位于石墨加热器1的外围，用于将电源产生的高频交变电流转变为高频交流电磁场，以对石墨加热器1提供电磁感应。

保温套筒用于为金属工质9提供承装空间，并提供保温和隔热作用。

底部保温层5位于石墨加热器1底部，且与石墨加热器1底部之间存在间隙，用于进行保温绝热。具体地说，即底部保温层5位于石墨加热器1底部，且与石墨加热器1底部之间可留有或不留气空间，使加热体底部有更好的保温绝热的作用。

线圈保温层用于支撑石墨加热器，并对石墨加热器进行保温。

高温测温孔8用于监测石墨加热器1的温度，并根据温度控制感应线圈2的功率。

在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，石墨加热器1由感应加热区11、平板导热区12和侧部密封区13三部分组成，用于为液态锆铁金属底部提供稳定的向上流密度，并保证试验条件下液态金属工质不从石墨加热器1侧壁泄漏。

具体地，平板导热区12的厚度大于在所选情况的集肤层厚度，用于屏蔽电磁场对金属工质9的影响，并向金属工质9提供稳定的热流；侧部密封区13选择性采用向上翻沿结构；感应线圈2位于感应加热区11的外围，且位于平板导热区12的下部。

石墨加热器1为该试验装置的核心加热部件，石墨加热器1采用高纯度静压石墨材料构成，在惰性气体环境下可承受2800℃左右高温。该石墨加热器1下部为感应加热区11，受感应线圈2作用发热；通过平板导热区12将热量传递给上方的金属工质9。

在一些示例中，感应加热区11被配置为柱状、桶状、方形或内空方形结构，电流通过感应线圈2在感应加热区11产生涡流，以对感应加热区11加热，石墨加热器1的上部在感应线圈2和保温内套筒3之间可有翻沿或无翻沿。

具体地说，即感应线圈2通电后，石墨加热器1在电磁感应作用下产生热量，热量再通过石墨坩埚向上传递到上部金属工质9中。石墨加热器1可大概分为感应加热区11、平板导热区12及侧部密封区13三部分。平板导热区12厚度大于在所选情况的的集肤层厚度，一方面用于屏蔽电磁场对金属工质9的影响，避免电磁感应加热金属工质9，另一方面向上提供稳定的热流。石墨侧部视情况可采用或不用向上翻沿结构。感应线圈2位于感应下感应加热区11外围，且位于平板导热区12下部。

在一些示例中，感应线圈2为螺旋状水冷铜管，内通冷却水。感应线圈2将电源产生的高频交变电流转变为高频交流电磁场，对石墨加热器1进行感应加热。

具体地，感应线圈2位于感应加热区11外围及平板导热区12下部，将电源产生的高频交变电流转变为高频交流电磁场，以对感应加热区11进行加热。

保温套筒包括保温内套筒3和保温外套筒4。保温内套筒3和保温外套筒4用于为待加热工质提供承装空间，并提供保温、隔热功能。

线圈保温层包括：铺设于感应线圈内部的内部线圈保温层6和铺设于感应线圈外部的外部线圈保温层7，内部线圈保温层6用于屏蔽电磁感应，外部线圈保温层7用于提供支撑和保温作用。换言之，即底部保温层铺设于感应线圈2的内和外部，线圈内部保温材料及构造的选择需满足不能产生感应热，外部保温层进一步提供支撑、保温作用。

高温测温孔8设置在在石墨加热器1上，其采用高温热电偶或红外测温等方式监测石墨加热器1的温度情况，一方面用于监测石墨温度，不要超温，保证石墨加热器1的安全性；另一方面用于控制感应线圈2的加热功率。

具体地，高温热电偶采用侧壁插入方式安装在石墨加热器1上，穿过保温层，方便安装。

根据本实用新型实施例的金属工质底部加热装置，可实现速将金属工质加热至熔融状态，并由熔融金属底部提供稳定的向上热流，用于开展高温液态金属传热及材料相关试验，确保金属层传热边界条件与反应堆严重事故条件相似，获得的试验数据更具有工程指导价值；此外，还可以保证熔融金属内部均匀的温度梯度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同限定。