一种核材料性能测试装置及测试方法

本发明属于核材料，具体涉及一种核材料性能测试装置及测试方法。

背景技术：

1、铅冷快堆(lfr)、熔盐堆(msr)、钠冷快堆(sfr)等第四代核反应堆技术的研究与开发正在全球范围内进行。区别于传统商用轻水型反应堆，结构材料将面临着更高的运行温度、更高的中子辐照剂量以及更恶劣的腐蚀环境。在这种情况下，结构材料不得不承担更高的负担，对材料服役性能提出了更加严苛的挑战。与此同时，对它们进行接近实际工况条件的多物理场耦合作用下性能测试变得尤为重要。

2、在理想情况下，核材料相关性能测试通常应该在试验反应堆进行。然而，目前可用的试验反应堆数量是非常有限的，同时还存在着成本高、分析难度大和周期长等缺点，这些对于开发满足工程应用的核材料带来严重障碍，严重影响了第四代反应堆部署的进程。相比之下，离子辐照实验给这一困境带来了新的曙光。近年来，国际上陆续开发了一些基于加速器的多场耦合实验装置，利用这些装置可以更加有效地模拟材料的堆内服役环境进行性能测试，具体包括如下装置：瑞士保罗谢尔研究所基于加速器开发的质子辐照/铅铋腐蚀装置、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室基于加速器开发的质子辐照/铅铋腐蚀装置、美国麻省理工学院基于加速器开发的质子辐照/高温熔盐腐蚀装置、美国密歇根大学基于加速器开发的质子辐照/高温高压水腐蚀装置，以及我国中科院兰州近物所基于加速器开发的重离子辐照/铅铋腐蚀装置。但是，这些装置也存在一些缺点。例如，除了瑞士保罗谢尔研究所设计的质子辐照/铅铋腐蚀装置可以满足辐照/腐蚀/力学多场耦合作用下测试外，其余装置只能进行材料辐照/高温液体腐蚀耦合效应研究，但是瑞士保罗谢尔研究所设计的质子辐照/铅铋腐蚀装置无法实现高温液体氧含量的精准调控以及液体流速的调节。此外，对于国内已开发的唯一装置而言，采用重离子作为辐照粒子，难以获得理想的材料辐照深度，且高温液体氧含量无法实现精准控制，这些均不利于材料宏观性能的测试表征分析。因此，为了有效解决这些问题，助力核材料的开发，开发更先进的离子辐照/高温液体腐蚀/力学多场耦合作用下性能测试装置及其实验方法便成为了核材料领域的重要研究方向。

技术实现思路

1、本发明实施方式的目的在于提供一种核材料性能测试装置，其结构简单，使用方便，能够较好的改善上述问题。

2、本发明实施方式的另一个目的在于提供一种核材料性能测试方法，通过该方法能够获得理想的材料辐照深度，从而便于对材料的宏观性能进行更准确的分析。

3、本发明的实施方式是这样实现的：

4、本发明的实施方式提供了一种核材料性能测试装置，包括加速器主机、测试平台、液态金属腐蚀回路系统和氧控回路系统，所述加速器主机通过加速器管道与所述测试平台连通，所述液态金属腐蚀回路系统包括储液箱、氧控箱，所述氧控箱与所述测试平台的进液口之间通过第一输液管连通，所述第一输液管上依次设有永磁泵、流量计和第一液控阀，所述氧控箱与所述测试平台的出液口之间通过第二输液管连通，所述储液箱与所述氧控箱之间通过第三输液管连通，所述第三输液管上设有第二液控阀，所述氧控回路系统分别与所述储液箱和所述氧控箱通过气管连通。

5、进一步的，所述测试平台包括单轴拉伸机、第二计算机和传感器，所述传感器设置于所述单轴拉伸机上，所述第二计算机与所述传感器和所述单轴拉伸机通信连接，所述加速器主机通过加速器管道与所述单轴拉伸机的质子进口连通，所述氧控箱与所述单轴拉伸机的进液口之间通过第一输液管连通，所述氧控箱与所述单轴拉伸机的出液口之间通过第二输液管连通。

6、进一步的，所述氧控箱内设有第一液位探头、第一温度探头，所述氧控箱的外壁上设有第一压力表，所述储液箱内设有第二液位探头、第二温度探头，所述储液箱的外壁上设有第二压力表。

7、进一步的，所述第一输液管和所述第二输液管上均设有膨胀节。

8、进一步的，所述储液箱、所述氧控箱、所述第一输液管、所述第二输液管和所述第三输液管的外侧壁上均设有伴热保温层。

9、进一步的，所述氧控回路系统包括第一计算机、真空泵、过滤箱、氧探头、第一高压气瓶、第二高压气瓶、第三高压气瓶、第四高压气瓶、流量控制器，所述储液箱与所述过滤箱通过第一气管连通，所述第一气管上设有第一气控阀和第二气控阀；所述真空泵设置于所述第一气管上且位于所述第二气控阀与所述过滤箱之间；所述氧控箱通过第二气管与第一气管连通，且连通点位于所述第一气控阀和所述第二气控阀之间，所述第二气管上设有第三气控阀；所述氧控箱还通过第三气管直接接入过滤箱，所述第三气管上设有第四气控阀；所述第一高压气瓶与所述第一气管之间通过第四气管连通，且连通点位于所述第一气控阀和所述第二气控阀之间，所述第四气管上设有第五气控阀；所述流量控制器与所述氧控箱之间通过第五气管连通，所述第五气管上设有第六气控阀；所述第二高压气瓶与所述流量控制器之间通过第六气管连通，所述第六气管上设有第七气控阀；所述第三高压气瓶与所述流量控制器之间通过第七气管连通，所述第七气管上设有第八气控阀；所述第四高压气瓶与所述流量控制器之间通过第八气管连通，所述第八气管上设有第九气控阀；所述氧探头设置于所述氧控箱内；所述过滤箱上设有排气管，所述第一计算机与所述氧探头和所述流量控制器通信连接。

10、本发明的实施方式还提供了一种核材料性能测试方法，包括以下步骤：

11、s1：分别将第一实验样品和第二实验样品固定在单轴拉伸机试验段的对应工位上；

12、s2：将腐蚀材料放入储液箱并密封，打开第一气控阀、第二气控阀、第三气控阀，再打开真空泵对储液箱和氧控箱进行抽真空处理，当储液箱和氧控箱的真空度低于10-4pa时，关闭第一气控阀、第二气控阀、第三气控阀和真空泵；

13、s3：分别打开第七气控阀、第六气控阀、第五气控阀、第一气控阀，向储液箱内通入第一高压气瓶中的气体，向氧控箱内通入第二高压气瓶中的气体，直至第一压力表和第二压力表显示气压达到一个标准大气压为止，关闭所有气控阀，从而建立完成保护氛围；

14、s4：通过伴热保温层对储液箱、氧控箱、第一输液管、第二输液管和第三输液管加热，直至储液箱中的腐蚀材料完全液化，并维持加热温度；

15、s5：打开第五气控阀和第一气控阀，向储液箱中通入第一高压气瓶中的气体，当储液箱中的气压大于2个标准大气压时，关闭第五气控阀和第一气控阀；

16、s6：打开第三气控阀、第四气控阀和第二液控阀，使得储液箱中的液态腐蚀材料在压强差作用下流入氧控箱，当第一液位探头监测到氧控箱中的液位达到设定值后，关闭第二液控阀，然后打开第一气控阀，使储液箱内的压强与大气压强一致后，关闭第一气控阀；

17、s7：开启永磁泵和第一液控阀，使得液态腐蚀材料从氧控箱经过第一输液管流入单轴拉伸机的试验段内，然后从第二输液管回流到氧控箱内，保持液态腐蚀材料循环流动，流速满足0.5-3m/s，再通过伴热保温层对氧控箱、第一输液管、第二输液管加热实验所需温度；

18、s8：打开第六气控阀、第八气控阀和第九气控阀，通过流量控制阀控制气体的流量，使得第三高压气瓶和第四高压气瓶中的气体根据需要流入氧控箱内，确保氧控箱中的液态腐蚀材料的含氧量达到实验所需值；

19、s9：维持液态腐蚀材料流速和氧含量稳定后，开启加速器主机，使得加速器主机产生的质子作用在第一实验样品和第二实验样品上，然后通过第二计算机设置实验所需静态载荷值和样品的尺寸参数，通过单轴拉伸机将静态载荷加载到拉伸样品上，其中拉应力大小设置为实验所需值，传感器会将静态载荷值和位移值传输至第二计算机，从而根据要求开展耦合试验；

20、s10：耦合试验测试完成后，先关闭单轴拉伸机、加速器主机，然后关闭第九气控阀、第八气控阀、第六气控阀、第三气控阀和第四气控阀，通过伴热保温层逐渐降低回路温度，然后关闭永磁泵，打开第二液控阀，氧控箱中的液态腐蚀材料在重力作用下回流到储液箱内，氧控箱中的液态腐蚀材料回流完成后，关闭第二液控阀，再开启永磁泵，将管道内残留的部分液态腐蚀材料清理回流到氧控箱内，关闭永磁泵，最后，继续降低回路温度，当液态金属腐蚀回路系统的温度降低至室温时，分别取下第一实验样品和第二实验样品即可。

21、进一步的，s4步骤中的加热维持温度不低于腐蚀材料介质的熔点；s8步骤中，液态腐蚀材料的含氧量控制为10-8-10-4wt％。

22、进一步的，s9步骤中，加速器主机的参数质子能量和质子束流强度设置为实验所需值。

23、进一步的，第一实验样品的直径为3-10mm，厚度为50-500μm；第二实验样品的长度为5-50cm，厚度为50μm-1mm，第一实验样品与第二实验样品之间的间距为1mm-1cm。

24、本发明的有益效果为：

25、本发明实施方式提供的核材料性能测试装置，有效解决了重离子辐照深度浅、液态金属中氧含量无法精准调节等问题，该装置引入了材料力学测试系统，实现了质子辐照与高温液体腐蚀以及力学多场耦合作用下性能测试，可以用来进一步验证在应力存在下候选材料性能的变化行为，以探索这种运行条件下带来的潜在影响。

26、本发明实施方式提供的核材料性能测试方法，操作方便，通过该方法能够获得理想的材料辐照深度，从而便于对材料的宏观性能进行更准确的分析和评估，为未来满足反应堆应用的先进核材料提供了有效的技术保证。