一种用于模拟反应堆燃料棒包壳材料动态试验的反应釜

1.本发明涉及核电技术领域，特别涉及一种用于模拟反应堆燃料棒包壳材料动态试验的反应釜。


背景技术：

2.包壳是反应堆中的重要安全屏障，用于包容裂变产物，防止裂变产物外泄。为了保证核电安全，要求包壳具有足够的耐高温、耐高压和耐腐蚀等性能；同时要求在正常运行的反应堆堆芯工况下，处于高温高压以及水冷却环境中的包壳的内、外表面不会超过设计温度，并且包壳金属层的厚度需要足以支撑燃料元件。
3.为确保包壳满足要求，需要对包壳材料进行反应堆堆芯服役的性能试验，包括氧化特性(耐腐蚀特性)，这对促进核安全具有重要的指导作用。想要对包壳材料的氧化特性进行评估，需要对反应堆堆芯的高温高压环境进行模拟。在由冷却剂构成的一回路中，包壳的基体金属会出现氧化层，同时冷却剂中的腐蚀产物发生沉积形成沉积层，因而通过对一回路水相进行动态检测即可对包壳材料的腐蚀行为进行研究。
4.相关技术主要采用分层式电加热方式来模拟真实情况下包壳径向的温度梯度，但是对不同段的保温材料要求较高，目标较难实现。或者采取横向固定燃料棒的格架，但是模拟不够充分，只是简单固定，而且对燃料棒的磨损较严重，没有涉及燃料组件格架对包壳材料腐蚀行为中的影响，对模拟包壳性能产生影响。或者，有相关技术还通过充入高温高压水来加热，但其所模拟的堆芯温度不足，以致包壳无法生成实际环境中的固溶体，不能真实反映堆芯工况包壳材料的服役环境。
5.除此之外，相关技术在模拟试验中采取的模拟装置一体化程度高，分离度较低，对反应釜的清洗以及燃料组件的更换极为不便。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于模拟反应堆燃料棒包壳材料动态试验的反应釜，结构简单，方便拆卸和清洗，而且可以通过电加热器加热至1000℃的高温、高压气体充入燃料棒内，可测量一回路中温度、压力、流速、浓度以及ph等物理化学量来研究包壳表面沉积层特性。
7.具体地，本发明采取的技术方案如下：
8.一种反应釜，包括：
9.釜体；
10.釜盖，所述釜盖可拆卸地盖合在釜体上；且所述釜盖的顶部开设有进气口，所述进气口上设置有一可拆卸的分体式法兰；
11.燃料组件，所述燃料组件设置在釜体内，包括燃料棒进气单元，所述燃料棒进气单元包括燃料棒进气管；所述燃料棒进气管的直径小于所述进气口的直径并穿过所述进气口，通过所述分体式法兰与反应釜外部的气管相连。
12.根据本发明第一方面的反应釜，至少具有如下有益效果：
13.本发明通过在釜盖上开设直径大于燃料棒进气管的进气口，并通过一分体式法兰使燃料棒进气管与反应釜外部的气管连接，在试验结束，拆除分体式法兰，使燃料棒进气管与外部的气管分离，然后可直接将釜盖穿过燃料棒进气管从上方取出，最终使得燃料组件可以从釜体中整体取出。
14.在本发明的一些实施方式中，所述分体式法兰包括法兰本体、分别设置在法兰本体上方和下方的第一法兰盘和第二法兰盘，所述第一法兰盘与所述第二法兰盘可拆卸连接；法兰本体由左右两片分体组成，两片分体的接合处形成法兰中心孔。通过设置第一法兰盘和第二法兰盘，以及左右两片分体，可实现反应釜外部的气管、釜盖和燃料棒进气管三者的紧密连接，又能使三者分离。
15.在本发明的一些实施方式中，所述燃料组件还包括燃料棒，所述燃料棒设置在所述燃料棒进气单元的下方，且所述燃料棒进气单元的底部与所述燃料棒连通。通过燃料棒进气单元将高温高压气体传输到燃料棒内部，以使燃料棒内的反应堆反应。
16.在本发明的一些实施方式中，所述燃料棒进气单元还包括分流板；所述燃料棒进气管的底部设有沿进气方向(从上向下)截面逐渐增大的气室，所述气室的底部通过若干根分流管与燃料棒连通；所述分流板开设有分流板小孔，且横向设置在气室中，将所述气室分为上方气室和下方气室。通过设置气室以及分流板、分流管，可使高温高压气体均匀地进入燃料棒。
17.在本发明的一些实施方式中，所述燃料组件还包括用于固定支撑燃料棒的若干个格架，每一个所述格架包括若干根并排间隔设置的第一弹性带和若干根并排间隔设置的第二弹性带，第一弹性带和第二弹性带相互交叉，形成若干供燃料棒穿插的栅格。燃料棒采取弹性格架固定，可减少格架与燃料棒接触面积，更好地模拟在一回路中燃料棒的包壳材料腐蚀行为。
18.在本发明的一些实施方式中，至少一个格架与釜体可拆卸固定连接。通过将格架与釜体进行可拆卸固定连接，可避免燃料组件倾斜。
19.在本发明的一些实施方式中，与所述釜体可拆卸固定连接的格架设置在燃料棒上端。通过使顶部的格架与釜体固定连接，可以在取下釜盖时，防止燃料组件受力不均而发生侧倾。
20.在本发明的一些实施方式中，所述燃料组件还包括燃料组件底座，所述燃料组件底座设置有若干个竖向的燃料棒槽口，每个燃料棒槽口的底部开设有贯穿燃料组件底座的排液细孔；所述燃料棒的底部插入所述燃料棒槽口中。通过在燃料棒槽口底部设置排液细孔，可防止槽内堆积液体。
21.在本发明的一些实施方式中，所述燃料组件底座与釜体可拆卸固定连接。
22.在本发明的一些实施方式中，所述燃料棒的数量为1个或1个以上。
23.在本发明的一些实施方式中，所述燃料棒的数量为1个以上。通过设置多个燃料棒，可设置对照来研究不同包壳材料的腐蚀行为。
24.在本发明的一些实施方式中，所述釜盖还开设有温度计管口、ph计管口、视镜孔、压力表管口、安全阀门、灯孔，分别用于安装温度计、ph计、视镜、压力表、灯，便于对反应釜内的温度、ph、压力等进行监测或者便于观察。
25.相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
26.本发明结合了传统反应釜与反应堆燃料组件来模拟反应堆堆芯工况，通过一个分体式法兰来实现整体式取出反应釜盖和带有进气管口的燃料组件，实现外部进气管、釜盖、带有进气管的燃料组件三者分离，可极其方便地清洗反应釜及更换釜内包壳材料。
27.燃料棒进气管上方设有分流板，且气体分流板上方的进气管设置为弧形，进一步促进气室内气体压强均匀，可实现气体同时均匀地进入燃料棒，有利于模拟燃料棒真实工作环境。
28.通过控制燃料棒数量可设置对照研究不同包壳材料的腐蚀行为；反应釜内装入有温度、压力、浓度、流量等在线监测釜内环境的变送器以对包壳材料服役行为进行研究。燃料棒采取弹性格架固定，减少格架与燃料棒接触面积，更好地模拟在一回路中包壳材料腐蚀行为。
29.本发明的反应釜的分离程度较高，改装空间较大，也可用以其它领域中管材在高温高压气体、液体环境中服役的腐蚀性能评价。
附图说明
30.图1为反应釜的结构示意图；
31.图2为反应釜的俯视图；
32.图3为分体式法兰的结构示意图；
33.图4为燃料组件的结构示意图；
34.图5为燃料组件底座的结构示意图(图1中a的局部放大图)；
35.图6为图1中b的局部放大图；
36.图7为格架的结构示意图；
37.图8为图1中c的局部放大图；
38.图9为燃料棒进气单元的结构示意图。
39.附图标记：
40.夹套100，夹套回路入口110，夹套回路出口120，夹套排气口130，支撑架140，夹套残渣出口150；
41.釜体200，一回路入口210，一回路出口220，釜体残渣出口230，釜体残渣出口法兰组件240；
42.釜盖300，螺栓310，密封垫片320，进气口330，分体式法兰331，法兰本体3311，第一法兰盘3312，第二法兰盘3313，法兰中心孔3314，温度计管口340，温度计3401，ph计管口350，视镜孔360，压力表管口370，安全阀门380，灯孔390，吊环3100；
43.燃料组件400，燃料组件底座410，燃料棒槽口4101，排液细孔4102，底座伸出杆4103，燃料棒420，格架430，格架框4301，第一弹性带4302，第二弹性带4303，弹性带卡子4304，支撑杆4305，燃料棒进气单元440，燃料棒进气管4401，分流板4402，分流管4403。
具体实施方式
44.以下结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。
45.参见图1和图2，本发明提供一种模拟反应堆燃料棒包壳材料动态试验的反应釜，
包括夹套100、釜体200、釜盖300和燃料组件400。其中，釜体200套设在夹套100内；釜盖300可拆卸地设置在釜体200上，并可对釜体200进行盖合；燃料组件400设置在釜体200内部。
46.具体地，夹套100可设置为圆筒形，夹套100的侧壁中开设有相互分离的夹套回路入口110、夹套回路出口120、夹套排气口130。夹套100的外壁设置有支撑架140，支撑架140的数量可设置为2个或2两个以上，优选在夹套100的外壁上均匀地分布。夹套100的底部开设有夹套残渣出口150。
47.釜体200的形状与夹套100匹配，套设在夹套100内，并被夹套100密封，且釜体200与夹套100之间存在空隙。釜体200的上边缘设置有两个或两个以上釜体螺栓孔，这些釜体螺栓孔优选在釜体200的上边缘对称、均匀地分布。釜体200的侧壁上设置有相互分离的一回路入口210和一回路出口220，其中一回路出口220设置在一回路入口210上方。一回路入口210和一回路出口220分别穿过夹套100的侧壁。在工作状态下，冷却剂通过一回路入口210进入釜体200内部，并通过一回路出口220流出釜体200，形成回路。釜体200的底部开设有釜体残渣出口230，釜体残渣出口230中设置有连接釜体200底部和夹套100底部的釜体残渣出口法兰组件240。
48.釜盖300设置在釜体200上，其下边缘设置有两个或两个以上釜盖螺栓孔，釜盖螺栓孔的大小和位置与釜盖螺栓孔对应。将釜盖螺栓孔和釜体螺栓孔对合后，通过一螺栓310使釜盖300和釜体200紧密固定，实现釜盖300对釜体200的密封盖合。为提高釜盖300与釜体200之间的密封性，螺栓310可与配套的密封垫片320配合使用。需要说明的是，除了采用螺栓310实现釜盖300和釜体200之间的可拆卸连接外，还可以采用其他方式使釜盖300对釜体200进行盖合，例如可以使釜盖300与釜体200之间通过螺纹旋转连接，这时候可不设置釜体螺栓孔、釜盖螺栓孔和螺栓310。
49.釜盖300上开设有相互分离的进气口330、温度计管口340、ph计管口350、视镜孔360、压力表管口370、安全阀门380、灯孔390，其中进气口330位于釜盖300顶部的中间位置，温度计管口340、ph计管口350、视镜孔360、压力表管口370、安全阀门380、灯孔390可环绕设置在第一进气口330的周围。
50.进气口330上设置有一可拆卸的分体式法兰331。参见图3，分体式法兰331包括法兰本体3311、分别通过螺栓固定设置在法兰本体3311上方和下方的第一法兰盘3312和第二法兰盘3313。法兰本体3311的中部开设有法兰中心孔3314，且法兰本体3311由左右两片分体通过螺栓固定形成，两片分体的接合处形成法兰中心孔3314。
51.温度计管口340、ph计管口350、视镜孔360、压力表管口370、灯孔390分别用于安装温度计3401、ph计、视镜、压力表、灯，便于对反应釜内的温度、ph、压力等进行监测或者便于观察。
52.釜盖300上还固定设置有吊环3100，以便于对釜盖300进行拿取。优选地，吊环3100的数量设置为2个或两个以上，优选在釜盖300上均匀地分布。
53.参见图1、图4、图5，燃料组件400包括燃料组件底座410、燃料棒420、格架430和燃料棒进气单元440。其中，燃料组件底座410设置有若干个竖向的燃料棒槽口4101，每个燃料棒槽口4101的底部开设有贯穿燃料组件底座410的排液细孔4102。同时，燃料组件底座410的侧壁设置有若干个底座伸出杆4103。底座伸出杆4103与釜体200底部或靠近底部的侧壁通过螺栓固定连接，从而将燃料组件400固定于釜体200的底部。
54.燃料棒420的数量可设置为若干个，例如可以设置为13个，或者根据实际需要设置为其他数量。若干个燃料棒420按一定间隔排列并被格架430固定成束且每一个燃料棒420的底部插入燃料组件底座410的燃料棒槽口4101中。
55.参见图6、图7和图8，格架430为弹性定位格架，对燃料棒420起固定支撑作用，其数量可根据实际需要进行设置。优选地，格架430的数量至少为2个或2个以上，且在燃料棒420的上下端至少分别设置有一个格架430。每一个格架430包括格架框4301，若干根并排间隔设置的第一弹性带4302，和若干根并排间隔设置的第二弹性带4303。其中格架框4301设置在成束的燃料棒420外壁，第一弹性带4302和第二弹性带4303设置在格架框4301围成的空间内，且第一弹性带4302和第二弹性带4303相互交叉，形成若干供燃料棒420穿插的栅格，第一弹性带4302和第二弹性带4303的末端分别通过一弹性带卡子4304固定在格架框4301的外侧。另外，位于燃料棒420顶端的格架430还通过一支撑杆4305与釜体200进行螺栓固定连接。
56.燃料棒进气单元440设置在燃料棒420的上方，并且与每根燃料棒420连通，用于将高温高压气体通入燃料棒420内。
57.具体地，参见图9，燃料棒进气单元440包括燃料棒进气管4401、分流板4402。其中燃料棒进气管4401的直径小于釜盖300上设置的进气口330，并穿过进气口330，且燃料棒进气管4401与釜盖300中的分体式法兰331的第二法兰盘3313连接，然后通过分体式法兰321的第一法兰盘3312与反应釜外部的通气管进行连接，从而使外部的气体进入燃料棒进气管4401。燃料棒进气管4401底部为弧形管道。具体地，燃料棒进气管4401的底部设有沿进气方向(从上向下)截面逐渐增大的气室，且气室的底部通过若干根分流管4403与燃料棒420连通。分流板4402横向设置在气室中，将气室分为上方气室和下方气室，且分流板4402开设有若干分流板小孔，分流板小孔的直径可以设置为分流管4403的四分之一左右。气体经燃料棒进气管4401进入气室，在上方气室中初步实现气体聚集，随后经若干分流板小孔较均匀地进入分流板4402下方的下方气室，然后经过分流管4403进入燃料棒420。
58.采用上述反应釜模拟反应堆燃料棒包壳材料动态试验的过程为：将反应釜外部的用于输送高温高压气体的通气管固定连接于分体式法兰331的第一法兰盘3312中，从而使高温高压气体通过分体式法兰331的法兰中心孔3314进入燃料棒进气管4401，然后进入气室，在上方气室中初步实现气体聚集，随后经若干分流板小孔较均匀地进入分流板4402下方的下方气室，然后经过分流管4403进入燃料棒420，使燃料棒420内部的核材料进行反应堆反应。同时，通过釜体200中的一回路入口210向釜体200中通入冷却剂，冷却剂充满釜体200后经一回路出口220流出釜体。同时，可以通过夹套回路入口110和夹套回路出口120向夹套100中通入流体，控制釜体200的温度。
59.在动态试验过程中，燃料棒420的包壳发生氧化形成氧化层，氧化层溶解进入釜体200中的冷却剂中，并发生沉积形成残渣，残渣经釜体200底部的釜体残渣出口230排除反应釜。同时，夹套100中反应形成的残渣经过夹套残渣出口150排出反应釜。在试验过程中，通过温度计3401、ph计、视镜、压力表、灯等对反应釜内的温度、ph、压力等进行监测或观察。
60.试验完成后，停止通入高温高压气体，拆除分体式法兰331中用于固定第一法兰盘3312和第二法兰盘3313的螺栓，使第一法兰盘3312、第二法兰盘3313与法兰本体3311分离，从而将反应釜外部的用于输送高温高压气体的通气管拆除，并使燃料棒进气管4401与分体
式法兰331分离。然后拆除用于固定法兰本体3311左右两片分体的螺栓，使两片分体分离，并从左右两侧将两片分体取出。接着拆除用于固定釜盖300与釜体200的螺栓310，使釜盖300和釜体200分离。由于釜盖300中的进气口330的直径大于燃料棒进气管4401的直径，因此可以直接将釜盖300直接穿过燃料棒进气管4401从上方取出。最后拆除用于固定格架430与釜体200的螺栓即可将燃料组件整体取出。
61.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。