专利名称：一种高水平放射性废物处置缓冲材料导热性的实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种实验装置，尤其涉及一种高水平放射性废物处置缓冲材料导 热性的实验装置。
背景技术：
随着核科学的发展与核技术的应用，核工业所产生的高水平放射性废物(简称高 放废物)处置问题日益紧迫。为了核工业与人类、自然的和谐发展，很多国家拟采取多重屏 障的深地质处置概念模型来最大限度降低高放废物的危害性。由于膨润土具有良好的热 稳定性、核素吸附性和极低的渗透性等性能，在这个模型中，许多国家选用膨润土作高放废 物地质处置缓冲材料的基材，高放废物不但放射性强度高、半衰期长，同时放出大量的衰变 热，这些热量是影响高放废物处置库，特别是人工屏障稳定性与安全性的最主要因素。衰变 热将导致处置库温度升高，一般认为最高可达100°c，这样可能会影响缓冲材料结构与性能 的变化，所以必须对缓冲材料，即膨润土进行热传导特性研究。国内对膨润土热性能的研 究多仅限于导热参数的测定，而很多国家已经开始高放废物处置大比例尺寸的现场试验研 究。为了研究高放废物深地质处置时膨润土压实块实地原位热性能变化情况，促进国内高 放废物处置水平与国际接轨，设计并制作了这套模拟工程现场的膨润土热传导设备。
发明内容本实用新型的目的在于提供了一种高水平放射性废物处置缓冲材料导热性的实 验装置，该装置可以用于普通粘土、岩土的热传导性能的科学研究，而且用于热传导教学实 验，由于其具有模拟实际工程现场的特点，有助于拓展学生的思维空间，激发创新热情，充 分挖掘设计潜能，使科研与教学紧密结合。本实用新型是这样来实现的，它包括双层钢筒、保温隔热材料、加热筒、加热棒、探 头热电偶、膨润土、温湿度传感器、温控箱、环境传感器、温湿度信号采集转换模块、数据显 示监控存储器、不间断电源，其特征是双层钢筒的筒壁中填充有保温隔热材料，双层钢筒的 中间竖直插有加热筒，加热筒内插有两根加热棒，加热棒旁边设有探头热电偶，加热筒内填 充有铝粉，加热筒与双层钢筒之间的空腔内填充有若干层膨润土，膨润土层与膨润土层之 间设有若干个温湿度传感器，加热棒和探头热电偶通过导线连接温控箱，温湿度传感器和 环境传感器分别连接温湿度信号采集转换模块，温湿度信号采集转换模块连接数据显示监 控存储器，加热棒连接不间断电源。本实用新型的优点是(1)热传导装置模拟了高放废物处置库工程现场的多层圆 筒状的概念模型，对于研究实地处置高放废物的缓冲材料温湿度变化规律具有较好的指 导意义；(2)无论是控温，还是温湿度数据的监控存储系统都实现全自动，使得设备操作简 单，节省人力；(3)加热棒、传感器、温控仪表的优异性能参数以及良好的密封系统、自动存 储系统确保数据结果的稳定性和精确度；(4)可以测定其他各种粘土、岩土的热传导性，同 时传感器可以安要求随意设计，土块中还可嵌入压力传感器、水分传感器等研究温度变化过程中膨胀力、水分等参数的变化规律。
图1为本实用新型的结构示意图。图2为本实用新型温湿度传感器的布置图。图3为本实用新型温湿度传感器的另一种布置图。在图中，1、双层钢筒2、保温岩棉3、加热筒4、加热棒5、探头热电偶6、铝 粉7、膨润土 8、温湿度传感器9、温控箱 10、环境传感器11、温湿度信号采集转换 模块12、数据显示监控存储器13、不间断电源
具体实施方式
如图1所示，本实用新型是这样来实现的，双层钢筒1的筒壁中填充有保温岩棉2， 双层钢筒1的中间竖直插有加热筒3，加热筒3内插有两根加热棒4，加热棒4旁边设有探 头热电偶5，加热筒3内填充有铝粉6，加热筒3与双层钢筒1之间的空腔内填充有若干层 膨润土 7，膨润土层与膨润土层之间设有若干个温湿度传感器8，加热棒4和探头热电偶5 通过导线连接温控箱9，温湿度传感器8和环境传感器10分别连接温湿度信号采集转换模 块11，温湿度信号采集转换模块11连接数据显示监控存储器12，加热棒4连接不间断电源 13。膨润土 7作为缓冲材料必须压实成一定密度的块体，才能有效发挥减慢核素迁移 速度，加快衰变热传导，均化围岩压力，封闭围岩裂缝及缓解机械破坏等作用，这样密实的 人工屏障和天然屏障的双重作用，衰变热的会比较慢，为了模拟这一效果，双层钢筒1中间 充满保温岩棉2的封闭性比较好结构，而且导线及紧固螺栓缝隙用耐高温胶水密封，以确 保热量与水分尽可能少的向装置外部环境散失。加热筒3模拟高放废物衰变热源处于多层 筒体的中心，内部设置两个加热棒4，一般开启一根加热，另外一根备用，也可以同时启动两 个加热棒4来加大功率，加热棒4旁边为测定温度的探头热电偶5，加热棒4和探头热电偶 5导线由双层钢筒1顶部中心位置导出，接入温控箱9，为了加快热传导速率，加热筒3内充 满铝粉6。嵌入膨润土块内部的多个温湿度传感器8是主要测定温湿度变化的元件，其导线 从保温岩棉2中穿过，由双层钢筒1顶部集中导出，接入温湿度信号采集转换模块11。温湿度传感器的布置为了测定膨润土 7压实块内部在模拟衰变热源的作用下，处于热源不同位置温湿 度随时间的变化规律，需要在土块中布置一些微型温湿度传感器8。膨润土块采用层叠的方 式加入，从上至下依次为第1 8层。温湿度传感器8的设计位置如图2、图3所示，箭头上 数字为温湿度传感器探头防护罩顶端距离加热筒3外壁尺寸，用s来表示，第1 4、6 8 层，各层0°方向s = 70mm处设置1个温湿度传感器，第5层180°方向s = 70mm处设置 1个，通过这些距离加热源相同位置温湿度传感器的温湿度变化情况，了解模拟高放废物处 置现场膨润土压实块纵向温湿度变化规律。第3层的90°、180°、270°方响s = 45mm、 20mm、95mm处分别设置1个，第五层的90°、0° ,270°方向s = 95mm、20mm、45mm处分别设 置1个，通过第3、5层距离加热源不同方向位置传感器的温湿度变化情况，研究模拟高放废 物处置现场膨润土压实块径向温湿度变化规律。安装室内环境温湿度传感器1个，了解环境温湿度对热传导系统的影响。还可以根据其它不同的粘土、岩土试样性能特点和实验要求来自行设计土块和传 感器的安装及布置方案。由于高放废物地质处置时间长，而且水分在压实膨润土中的扩散较慢，热传导测 试实验时间根据膨润土的成分、密度和含水率等性质的不同，一般需要几天到几十天不等， 这就要求提供连续稳定的电源，该设计采取不间断电源(UPS)和稳压器的组成供电系统。温控箱主要监控加热筒的功率、温度及两加热棒间的切换，同时显示探头热电偶 实际测定的加热筒内部的温度值。在温控箱的控制面板上可以进行功率、温度的设定及显 示，加热棒的实际输出功率可以根据温度设定的高低，升温速度的快慢和控温的精度在额 定功率的5% 100%范围内调节。控温箱还配有散热和温度的自动报警装置，增加了安全 系数。数据显示监控存储器是由膨润土导热性在线监控软件实现的，软件可以在导热系 统示意图相应的位置自动实时显示温湿度传感器温湿度数值，并能够进行简单的在线数据 分析，不同时间的温湿度数据会自动存储到相应文件中，随时可以转换成常用的文件格式 进行详细数据分析与整理。软件中参数、示意图等可以根据需要随意设定，如数据存储时 间间隔可以根据温湿度变化快慢来调整，实验初始温湿度变化较快，间隔可以设置短些，实 验后期间隔可以长些。电源采用220V交流电，通过UPS与稳压器为整套设备供应稳定连续电流。加热元 件采用额定功率为1. lkW，直径10mm，长400mm可以连续加热3000小时以上的工业用干烧 电加热管。传感器采用的是防护型工业高精度温湿度传感器，该温湿度传感器有防护罩， 防护罩的孔隙使膨润土粉末、灰尘及大分子颗粒无法进入，但气体可以进入，从而可以有效 检测温湿度，抵抗压实膨润土块压力，保护传感器芯片，从而延长传感器的使用寿命。相对 湿度测量范围0 100% RH，精度士 1.8% RH;温度测量范围-40 +123.8°C ；精度 士0. 3°C ；响应时间< 4s。双层钢筒的外钢筒较厚10mm，双层钢筒的内钢筒要钻孔，较薄 1mm，夹层隔热保温材料为军工用保温岩棉，厚度50mm，耐温750°C，保温等级二级。温度控 制器为输出电力调节器，电流40A，可控温度范围士3°C。设备启动及实验把一定初始含水率和压实密度的待用90°扇形膨润土压实块体放入加热系统中， 每一层为4块共8层，压实块体中放置好传感器，用同样组成的膨润土填好缝隙，封好上盖， 连接整套设备各种线路。打开热传导在线监控系统软件，设定好各项参数。打开电源，设定 温控箱上的温度与功率值，启动加热，开始实验，温湿度数据自动显示并存储到软件中。
权利要求一种高水平放射性废物处置缓冲材料导热性的实验装置，它包括双层钢筒、保温隔热材料、加热筒、加热棒、探头热电偶、膨润土、温湿度传感器、温控箱、环境传感器、温湿度信号采集转换模块、数据显示监控存储器、不间断电源，其特征是双层钢筒的筒壁中填充有保温隔热材料，双层钢筒的中间竖直插有加热筒，加热筒内插有两根加热棒，加热棒旁边设有探头热电偶，加热筒内填充有铝粉，加热筒与双层钢筒之间的空腔内填充有若干层膨润土，膨润土层与膨润土层之间设有若干个温湿度传感器，加热棒和探头热电偶通过导线连接温控箱，温湿度传感器和环境传感器分别连接温湿度信号采集转换模块，温湿度信号采集转换模块连接数据显示监控存储器，加热棒连接不间断电源。
专利摘要一种高水平放射性废物处置缓冲材料导热性的实验装置，双层钢筒的筒壁间填充有保温材料，双层钢筒的中间竖直插有加热筒，加热筒内插有两根加热棒，加热棒旁边设有探头热电偶，加热筒内填充有铝粉，加热筒与双层钢筒之间的空腔内填充有待测热传导性能的若干层膨润土块体。本实用新型的优点是(1)热传导装置模拟了高放废物处置库工程现场的多层圆筒状的概念模型；(2)使得设备操作简单，节省人力；(3)自动存储系统确保数据结果的稳定性和精确度；(4)可以测定其他各种粘土、岩土的热传导性。
文档编号G01N25/18GK201689068SQ20102018470
公开日2010年12月29日 申请日期2010年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者任广元, 刘晓东, 朱国平, 杨婷, 罗太安, 辛育东, 郑举功, 陈庆春, 陈泉水 申请人:东华理工大学