一种用于球床堆堆内温度在线测量的快响应式测温石墨球的制作方法

本发明涉及反应堆工程技术领域，特别涉及一种球床型高温冷气堆堆内温度测量试验中，用于在线测量堆芯内温度的快响应式测温石墨球。

背景技术：

以清华大学10mw高温气冷堆（htr-10）是以石墨为慢化剂、氦气为冷却剂的高温反应堆，氦气的堆芯出口温度高达700℃，是一种固有安全性好、发电效率高、用途极为广泛的先进核反应堆。反应堆活性区由石墨反射层围成，芯部装有大量球形燃料元件，形成球床堆芯。燃料元件直径60mm，在堆芯中依靠重力驱动按不同的流线和速度自上向下流动。为了验证球床堆堆芯理论计算的不确定性问题（例如球流、局部填充率变化、冷却剂流量分配等），了解理论计算的误差和导致偏差的因素，确定可以保证高温气冷堆安全运行的最高出口温度，需要对堆内最高温度进行测量和计算分析。根据前期分析，堆芯内最高温度出现在堆芯底部靠近出球口的位置，图1是堆芯球床示意图，“a层”为最高温度所在的位置。

由于10mw高温气冷堆球床堆芯的高温和流动特性，在堆芯内部不宜设置传统测温元件。因此如何测量堆芯内部最高温度，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题：在球床型高温气冷堆堆内温度测量试验中，如何在难以布置测点、传统测温方法失效的情况下，准确测量反应堆正常运行工况下堆芯内部最高温度。

本发明的目的是：提供一种用于球床堆堆内温度在线测量的快响应式测温石墨球。

具体技术方案为：

一种用于球床堆堆内温度在线测量的快响应式测温石墨球，该测温石墨球包括：石墨球体，所述石墨球体采用与燃料元件上相同的石墨材料制成，其直径与燃料元件相等，石墨球体上插置有石墨柱，所述石墨柱上存放有由石英管和金属丝构成的若干个测温元件，其中，所述石英管为密闭结构其内腔为氦气环境，在不同测温元件的石英管内分别装有熔点不同的金属丝。

进一步，所述石墨球体上设置有通孔，所述通孔的内壁上带有内螺纹结构，所述石墨柱为与该通孔形状相匹配的圆柱型，石墨柱的两端为弧形面，石墨柱的侧面上设置有外螺纹结构，通过所述内螺纹结构和所述外螺纹结构配合将石墨柱固定在石墨球体上，固定后石墨柱的两端与石墨球体的表面构成完整的球面。

进一步，所述石墨球体上设置有盲孔，所述盲孔的内壁上带有内螺纹结构，所述石墨柱为与该盲孔形状相匹配的圆柱型，石墨柱的一端为弧形面，石墨柱的侧面上带有外螺纹结构，通过所述内螺纹结构和所述外螺纹结构配合将石墨柱固定在石墨球体上，固定后石墨柱的弧形面与石墨球体的表面构成完整的球面。

进一步，所述石墨柱上开设有若干个通孔或者盲孔作为所述测温元件的存储单元，每个所述存储空间内放置有1-2个测温单元。

进一步，熔点不同所述金属丝的形状和尺寸相同。

进一步，所述金属丝的熔点在450℃-1200℃。

本发明的提供的一种球床型高温气冷堆堆内温度测量试验中进行堆内温度测量的专用快响应式测温石墨球，具有以下优点：

（1）满足450-1200℃的测温范围需求，满足25-50℃的测温精确度需求。

（2）石墨球体和石墨柱分别采用与高温堆燃料元件和侧反射层石墨构件相同的材料制造，确保堆内流动状态与燃料元件相同，力学性质能够满足入堆要求。

（3）测温金属丝使用石英管封装，内部充高纯氦气，堆内无金属熔液泄漏并污染堆芯，确保测温金属丝的堆内安全性。

（4）结构设计便于加工、装配和保存。

附图说明

图1为10mw高温气冷堆堆芯球床示意图；

图2为本发明的快响应式测温石墨球的剖面示意图之一；

图3为图2中编号2石墨柱的剖面示意图；

图4为图2中编号1石墨球的剖面示意图；

图5为本发明的快响应式测温石墨球的剖面示意图之二；

图6为图5中编号2’石墨柱的剖面示意图；

图7为图5中编号1’石墨球的剖面示意图；

图8为实施例1中使用的i型石墨球；

图9为实施例1中使用的ii型石墨球；

图中：1石墨球体、11内螺纹、12通孔、13盲孔、2石墨柱、21外螺纹、22存储单元、3石英管、4金属丝、1’石墨球体、2’石墨柱。

具体实施方式

下面利用实施例对本发明进行更全面的说明。本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

实施例1

图2、图3和图4为用于球床堆堆内温度在线测量的快响应式测温石墨球的第一种具体实施例，在本实施例中测温石墨球包括：石墨球体1、石墨柱2和测温元件，其中，石墨球体1采用与燃料元件上相同的石墨材料制成，其直径与燃料元件相等，石墨球体1上设置有通孔12，通孔12的内壁上带有内螺纹11，石墨柱2为与该通孔12形状相匹配的圆柱型，石墨柱2的两端为弧形面，石墨柱2的侧面上设置有外螺纹21，石墨柱2插置在通孔12中，并通过内螺纹11和外螺纹21配合将石墨柱2与石墨球体1相固定，固定后，石墨柱2的两个端面与石墨球体1的表面构成完整的球面。

石墨柱2上设置有若干个存储单元22，存储单元22为供测温元件存放的空间，在本实施例中具体设置了8个通孔作为存储单元22，当然，存储单元22的形式和数量不局限于此，如将存储单元22设置成盲孔。每个存储单元22中可以放置1-2个测温单元。

置于存储单元22内的测温单元包括石英管3和金属丝4，其中，石英管3为密闭结构，其内腔通入高纯氦气，在不同测温元件的石英管3内分别装有熔点不同的金属丝4，这些熔点不同金属丝4的形状和尺寸一致，金属丝4的熔点范围在450℃-1200℃。

下面以实施例1中的测温石墨球结构为例结合图8和图9的具体实验进行说明：

测温用金属丝4为长方体，尺寸为1.5×1.5×6mm。制备了18根具有15种不同熔点的测温金属丝4，由不同有色金属材料按照特定比例熔炼而成，将这18根金属丝4分别装在i型石墨球和ii型石墨球，其中，金属丝4的熔点分别为：1#金属丝4为450℃、2#金属丝4为500℃、3#金属丝4为550℃、4#金属丝4为600℃、5#金属丝4为650℃、6#金属丝4为700℃、9#和10金属丝4为750℃、11#金属丝4为775℃、12#金属丝4为800℃、13#金属丝4为825℃、14#金属丝4为850℃、17#金属丝4为875℃、18#金属丝4为900℃、7#和15#金属丝4为950℃、8#和16#金属丝4为1200℃。

测温金属丝4被封装于石英管3内，石英管3选用高纯石英制造，熔点高于1700°c，不会在反应堆内软化变形。石英管3的外径4mm、内径3mm、壁厚0.5mm，长度有12mm和24mm两类，分别用于封装高熔点金属丝4和低熔点金属丝4，熔点低于900℃（含900℃）的测温金属丝4采用24mm石英管3封装，熔点高于900℃的测温金属丝4采用12mm石英管封装。

石英管3的封装采用真空工艺，即封装过程中持续抽出管内气体，封装好的石英管3内部保持真空状态，以避免测温金属丝4被管内空气氧化变质。

石墨球体1总外径60mm，通孔直径24mm。石墨球体1的材料和制造工艺采用与10mw高温气冷堆球形燃料元件制备相同的工艺。

石墨柱2直径24mm，长60mm，两端与石墨球体1组成完整球形。石墨柱2上均匀排列8个直径4.1mm的通孔，用于放置测温金属丝4。石墨柱2材料为ig-110石墨，该石墨用于高温气冷堆侧反射层石墨构件。

石墨柱2通过螺纹与石墨球体1连接固定，选用m24螺纹，螺距2mm，线数1，周数10，螺纹总长20mm。

将封装好的石英管3置于石墨柱2的通孔中、再将石墨柱2与石墨球体1依靠螺纹固定，即组成完整的测温石墨球。

实施例2

图5、图6和图7为用于球床堆堆内温度在线测量的快响应式测温石墨球的第一种具体实施例，在本实施例中测温石墨球的结构与实施例1中结构基本相同，不同之处在于，石墨球体1’上设置有盲孔13，盲孔13的内壁上带有内螺纹11，石墨柱2’为与盲孔13形状相匹配的圆柱型，石墨柱2’的一端为弧形面，石墨柱的侧面上带有外螺纹21，通过内螺纹11和外螺纹21配合将石墨柱2’固定在石墨球体1’上，固定后石墨柱2’的弧形面与石墨球体1’的表面构成完整的球面。

上述示例只是用于说明本发明，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本发明思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。