一种轴向非均匀发热电加热棒及其制备工艺、应用的制作方法

1.本发明涉及反应堆热工水力研究技术领域，具体涉及一种轴向非均匀发热电加热棒及其制备工艺、应用。


背景技术：

2.在商用反应堆中，用到棒束燃料元件，针对这些结构开展热工水力实验中需要模拟其发热或冷却特征，一般采用电加热棒模拟燃料元件发热，对于均匀厚度的金属圆管或棒而言，其电阻沿长度方向是均匀的。
3.然而，实际上燃料元件沿轴向的发热是不均匀的，需要沿长度方向改变金属板的电阻，使其沿长度方向按一定的要求变化，从而实现不均匀发热。
4.因此，现有均匀发热的加热棒不能准确模拟燃料元件沿轴向的发热，所以，有必要设计一种新的加热棒，实现不均匀发热。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种轴向非均匀发热电加热棒，该加热棒能够实现在轴向上不均匀加热，能够用于模拟沿轴向发热不均匀的燃料元件。
6.此外，本发明还提供上述加热棒的制备工艺、应用。
7.本发明通过下述技术方案实现：
8.一种轴向非均匀发热电加热棒，所述电加热棒沿着径向由内到外至少包括两层加热层，沿电加热棒的轴向各个加热层的厚度均呈连续变化，且所有加热层的总厚度保持不变。
9.本发明所述连续变化具体是指加热层的厚度为渐变或厚度变化函数连续可导，即厚度变化函数后平滑曲线，不同于阶跃变化的阶梯状线条。
10.本发明通过将电加热棒设计为多层结构，沿电加热棒的轴向各个加热层的厚度均呈连续变化，能够实现根据所需电阻率计算各个加热层的厚度变化，即能够实现在轴向上不均匀加热，能够用于模拟沿轴向发热不均匀的燃料元件，解决了现有均匀发热的加热棒不能准确模拟燃料元件沿轴向的发热的问题。
11.进一步地，电加热棒为空心结构，且电加热棒的内径在其轴向上保持不变，即所述电加热棒设置有一个轴向通孔，该轴向通孔为圆形孔。
12.进一步地，加热层的材质为金属或合金。
13.不同加热层的材质可以相同或不同。
14.进一步地，加热层的具体材质由根据模拟对象计算电加热棒所需要的电阻范围确定。
15.进一步地，各个加热层的厚度变化由根据电加热棒轴向发热需求计算的厚度变化函数确定。
16.一种轴向非均匀发热电加热棒的制备工艺，包括以下步骤：
17.s1、根据模拟对象计算电加热棒所需要的电阻范围并选定各个加热层的材质；
18.s2、根据电加热棒的轴向发热需求计算各个加热层沿长度方向的厚度变化函数；
19.s3、由内向外依次加工各个加热层，当层数超过两层时，先加工最内层的外侧曲面，然后采用3d打印或高压冷喷将第二层加热层与最内层加热层结合为一体，再加工第二层的外侧曲面，依次类推，直到加工完所有加热层；
20.s4、根据计算总厚度加工最外层加热层的外侧表面，形成对应外径的圆管。
21.例如，当只有两层时，根据内层加热层沿长度方向的厚度变化函数加工其外侧曲面，然后采用3d打印或高压冷喷将外层加热层与内层加热层结合成一体形成加热板；
22.s5、根据计算总厚度加工最外层加热层的外侧表面，形成对应外径的圆管。
23.进一步地，加热层至少设置两层。
24.进一步地，加热层的材质为金属或合金。
25.一种轴向非均匀发热电加热棒的应用，用于模拟加热元件。
26.进一步地，加热元件包括燃料棒。
27.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
28.1、本发明通过多层材料层叠形成电加热棒，实现管壁厚度均匀的金属或合金圆管沿长度方向的电阻率按设计需要连续变化，可应用于燃料棒模拟发热的试验中，实验通过电加热模拟燃料棒的发热，提高了模拟发热的准确性。
29.2、本发明所电加热棒的述制备工艺简单易实现，便于使用推广。
附图说明
30.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
31.图1为实施例1所述加热棒盐轴向剖视图；
32.图2为图1a-a向剖视图；
33.图3为实施例1中电阻率沿长度方向的变化。
34.附图标记说明：
35.1-内层加热层，2-外层加热层。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
37.实施例1：
38.如图1-图2所示，一种轴向非均匀发热电加热棒，所述电加热棒沿着径向由内到外至少包括两层加热层，沿电加热棒的轴向各个加热层的厚度均呈连续变化，且所有加热层的总厚度保持不变；所述电加热棒为空心结构，且电加热棒的内径在其轴向上保持不变，所述电加热棒的整体外形呈圆管结构；所述加热层的材质为金属或合金；所述加热层的具体材质由根据模拟对象计算电加热棒所需要的电阻范围确定；各个加热层的厚度变化由根据电加热棒轴向发热需求计算的厚度变化函数确定。
39.在本实施例中，电加热棒由内层加热层1和外层加热层2构成，内层加热层1的厚度变化曲线由模拟对象所需的轴向热流密度分布确定。
40.在本实施例中，内层加热层1的材质选用不锈钢，外层加热层2的材质选用镍。
41.本实施例的制备工艺包括以下步骤：
42.s1、根据模拟对象所需要控制的轴向热流密度分布可获得其电阻沿轴向的变化曲线，从而选定内外两层的材质，例如图1中1选用不锈钢，2选用镍；
43.s1、根据电阻变化曲线计算得到两层材料沿轴向的厚度变化曲线；
44.s3、根据内层加热层1长度方向的厚度变化函数加工其外侧曲面；
45.s4、采用3d打印、高压冷喷或其他类似的方式将内层加热层1和外层加热层2紧密结合成一体；
46.s5、根据计算总厚度加工外层加热层2的外侧表面，形成对应外径的圆管。
47.本实施例中电加热棒各截面单位长度电阻沿轴向变化曲线如图3所示，通过精确控制两种金属沿长度方向的厚度可精确控制其沿轴向的发热量，从而实现真实燃料棒发热的模拟。
48.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种轴向非均匀发热电加热棒，其特征在于，所述电加热棒沿着径向由内到外至少包括两层加热层，沿电加热棒的轴向各个加热层的厚度均呈连续变化，且所有加热层的总厚度保持不变。2.根据权利要求1所述的一种轴向非均匀发热电加热棒，其特征在于，所述电加热棒为空心结构，且电加热棒的内径在其轴向上保持不变。3.根据权利要求1所述的一种轴向非均匀发热电加热棒，其特征在于，所述加热层的材质为金属或合金。4.根据权利要求3所述的一种轴向非均匀发热电加热棒，其特征在于，所述加热层的具体材质由根据模拟对象计算电加热棒所需要的电阻范围确定。5.根据权利要求1所述的一种轴向非均匀发热电加热棒，其特征在于，各个加热层的厚度变化由根据电加热棒轴向发热需求计算的厚度变化函数确定。6.如权利要求1-5任一项所述的一种轴向非均匀发热电加热棒的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据模拟对象计算电加热棒所需要的电阻范围并选定各个加热层的材质；s2、根据电加热棒的轴向发热需求计算各个加热层沿长度方向的厚度变化函数；s3、由内向外依次加工各个加热层，当层数超过两层时，先加工最内层的外侧曲面，然后采用3d打印或高压冷喷将第二层加热层与最内层加热层结合为一体，再加工第二层的外侧曲面，依次类推，直到加工完所有加热层；s4、根据计算总厚度加工最外层加热层的外侧表面，形成对应外径的圆管。7.根据权利要求6所述的一种轴向非均匀发热电加热棒的制备工艺，其特征在于，加热层至少设置两层。8.根据权利要求6所述的一种轴向非均匀发热电加热棒的制备工艺，其特征在于，加热层的材质为金属或合金。9.如权利要求1-5任一项所述的一种轴向非均匀发热电加热棒的应用，其特征在于，用于模拟加热元件。10.根据权利要9所述的一种轴向非均匀发热电加热棒的应用，其特征在于，所述加热元件包括燃料棒。

技术总结
本发明公开了一种轴向非均匀发热电加热棒及其制备工艺、应用，所述电加热棒沿着径向由内到外至少包括两层加热层，沿电加热棒的轴向各个加热层的厚度均呈连续变化，且所有加热层的总厚度保持不变。本发明通过将电加热棒设计为多层结构，沿电加热棒的轴向各个加热层的厚度均呈连续变化，能够实现根据所需电阻率计算各个加热层的厚度变化，即能够实现在轴向上不均匀加热，能够用于模拟沿轴向发热不均匀的燃料元件，解决了现有均匀发热的加热棒不能准确模拟燃料元件沿轴向的发热的问题。确模拟燃料元件沿轴向的发热的问题。确模拟燃料元件沿轴向的发热的问题。


技术研发人员：王艳林 钟华强 黄彦平
受保护的技术使用者：中国核动力研究设计院
技术研发日：2021.10.13
技术公布日：2022/1/14