反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统及方法与流程

本发明涉及核反应堆严重事故条件下的堆芯熔融物与基座混凝土的反应特性研究技术领域，具体涉及核反应堆堆芯熔融物与混凝土反应的模拟试验系统及方法。

背景技术：

在核反应堆发生严重事故，得不到足够冷却时，堆芯熔化形成熔融池，可能会将压力容器烧穿。熔融物烧穿压力容器后在重力的作用下掉落在混凝土基座上，发生熔融物与混凝土反应，即mcci(moltencoriumconcreteinteraction)。mcci反应会产生大量不凝结气体，使得安全壳超压，或者不断烧蚀混凝土基座，当基座被烧穿后会引起放射性物质的泄露。同时，混凝土墙壁的烧蚀会破坏压力容器的支撑结构，严重威胁到安全壳的完整性，也会引起放射性物质的大量外泄。

mcci反应过程十分复杂，如高温下混凝土的分解，多组分熔融物熔化凝固时复杂的物理化学现象，该熔融物还由于熔融混凝土的混入而不断改变组分，金属的氧化，熔融物的局部凝固以及熔融物或界面处硬壳行为等。这些特点直接影响着堆芯熔融物与混凝土的反应强度与结果，且在很大程度上决定了混凝土基座是否会被堆芯熔融物烧穿造成放射性物质外泄。因此，通过开展堆芯熔融物与混凝土反应模拟试验研究，可以确定熔融物与混凝土反应的烧蚀特性，对反应堆混凝土基座的设计安全性分析具有重要意义。

针对熔融物与混凝土的反应实验，混凝土的烧蚀深度和烧蚀形状是重点关注的物理参数，而实验的关键是熔融物和混凝土材料以及实验维度的选择，它们决定能否准确模拟核反应堆中真实的熔融物与混凝土的反应现象以及过程。

例如，文献(thompsondh,farmermt,finkjk,etal.compilation,analysisandinteractionofacephasecandmaceexperimentaldata[j].argonnenationallaboratory,chicago,il,reportacextr-c-14,1997.)和(tuomosevón,christophejourneau,lionelferry.vulcanovb-u7experimentoninteractionbetweenoxidiccoriumandhematite-containingconcrete[j].annalsofnuclearenergy,2014,59:224-229.)公开的堆芯熔融物与混凝土反应装置，试验采用二氧化铀、二氧化锆等原型氧化物模拟堆芯熔融物，但由于直接采用这种原型材料开展熔融物与混凝土的反应试验成本很高，同时氧化物的熔化温度较高，试验设计也要复杂得多。

又例如，文献(shinky,kimsb,kimjh,etal.thermo-physicalpropertiesandtransientheattransferofconcreteatelevatedtemperatures[j].nuclearengineeringanddesign,2002,212(1):233-241.)公开的堆芯熔融物与混凝土反应装置，采用铝-铝热剂来模拟堆芯熔融物，该装置可以模拟较高温度的熔融物，但缺点是该装置只是一维的，只能得到烧蚀深度，不易获得烧蚀截面的形状。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统及方法，开展熔融物与混凝土的反应试验，获得反应堆严重事故条件下的熔融物与混凝土反应的烧蚀特性数据。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统，包括实验部件1，实验部件1外层为圆柱形石坩埚，石坩埚用圆柱铁皮外壳包围，石坩埚中部放置一块铝制分隔板，石坩埚中填充混凝土，多点热电偶固定在混凝土试验件中；石墨导流槽2固定在实验部件1与熔炼炉3之间，用于熔炼炉3倾倒时，熔炼炉3中的熔融铁流至实验部件1的混凝土试验件中；熔炼炉3用于熔化铁，熔化铁作为熔融物模拟材料；熔炼炉3内部布置有冷却通道，用于防止熔炼炉3的感应线圈在熔化铁时出现过温烧毁，以及在熔融铁倾倒完毕后对熔炼炉3的继续冷却；远程操控倾倒装置4的转动轴与熔炼炉3的箱体通过法兰连接，它能通过远程操控，控制熔炼炉3的旋转角度和旋转角速度，并使其中的熔融铁能按照一定的速度倾倒至导流槽2中；远程操控倾倒装置4固定在混凝土石基5上；中频电源柜7用于向熔炼炉3供电，中频电源柜7内部含有冷却通道，用于带走中频电源柜7在调频供电时感应线圈产生的热量；该冷却通道通过混凝土隔离墙6与熔炼炉3的冷却通道相连；混凝土隔离墙6用于实验过程中倾倒熔融铁时的隔离屏蔽；

冷却水回路中，冷却水箱9依次通过第一球阀101、第一过滤器501、第一离心泵8和相应的管道与中频电源柜7的冷却通道相连；冷却水箱9上安装第四温度表404，用于监测冷却水箱9内水温变化；第一离心泵8的下游管道上有一个三通，三通的垂直分支通过管道与第二球阀102联通到冷却水箱9构成一个旁通回路，用于辅助调节冷却水的流量；在三通的下游管道依次安装第一压力表301、第一电磁流量计201和第一热电偶401分别获得管道压力、冷却水流量和中频电源柜7冷却通道入口温度；该冷却通道穿过混凝土隔离墙6与熔炼炉3的冷却通道相连；

被熔炼炉3加热的冷却水晶锅板式换热器10和冷却塔11的冷却恢复到初始水温后再回到冷却水箱9；在板式换热器10的一次侧进水口，通过管道和第五球阀105与熔炼炉3冷却通道的出口相连，在管道上安装第二热电偶402获得熔炼炉3冷却通道出口温度；在板式换热器10的一次侧出水口，通过管道和第三球阀103与冷却水箱9相连，形成一次侧封闭回路，与冷却水箱9相连的管道上安装有第三热电偶403，用于获得板式换热器10一次侧的出口水温；板式换热器10的二次侧水流方向与一次侧流向相反，形成逆流，二次侧出水口依次通过第六球阀106和第二电磁流量计202连接到冷却塔11的进水口；冷却塔11的出水口依次通过第二过滤器502、第二离心泵12、第七球阀107和相应管道与板式换热器10相连，形成二次侧闭合回路；在二回路管道上安装第五热电偶405、第二电磁流量计202和第二压力表302分别获得板式换热器10二次侧的出口冷却水温度、二回路的流量和管道压力；第二压力表302下游和板式换热器10二次侧上游之间布置有第六热电偶406，用于测量板式换热器10的进口冷却水温度；此外，在板式换热器一次侧，在第五球阀105的下游管道上有一个三通，三通的垂直分支通过管道与第四球阀104连接，第四球阀104的下游管道通过三通与板式换热器10一次侧的出口管道以及第三球阀103的上游管道相连，从而构成一个旁通回路，用于协助调解冷却水的流量；

该试验系统还包括配套的配电设备15、仪控设备16以及数据测量与采集设备17。

所述的熔炼炉3采用电磁感应方式加热，将铁加热熔化至1500℃熔融态，熔融铁的温度通过安装在熔炼炉上方顶棚处的红外线测温仪13来测量；高温熔融铁在远程操控倾倒装置4的作用下通过导流槽流至实验部件1的混凝土试验件中，通过安装的录像仪14，可方便观察倾倒过程以及高温熔融铁与混凝土试验件的反应过程。

所述冷却水回路中设计了多处的阀门和旁通管线，方便进行水流量调节，保证中频电源柜7以及熔炼炉3中感应线圈能得到足够的冷却，防止感应线圈应过热而损坏，同时又能使得熔炼炉产生足够的热量保证实验铁的熔化。

远程操控倾倒装置4通过旋转熔炼炉3来倾倒熔融铁，避免近距离地操作熔炼炉3倾倒所造成的危险；同时，熔炼炉3一侧设计有石墨导流槽2，将熔融铁导流到实验部件1中，防止熔融铁在倾倒过程中的不稳定性造成危险。

实验部件1中部设计有一块铝制分隔板，实验结束后通过取出铝制分隔板后方便将混凝土试验件分离，从而能直观地观察混凝土试验件的烧蚀情况以及烧蚀剖面形状。

所述实验部件1有四组，其中一组实验部件1中的混凝土试验件上部无覆盖件，另外三组实验部件1中的混凝土试验件上部分别设计有混凝土、铁皮和沙子的覆盖件，这样用于对比研究不同材料对缓解混凝土在高温熔融物的热冲击下皲裂的效果差异。

在实验部件1的混凝土试验件中，多点热电偶的测点沿混凝土试验件的高度方向不均匀布置，靠近混凝土试验件的上表面多点热电偶的测点密集，而靠近混凝土试验件下表面的测点则相对稀疏；在实验过程中，当数据采集系统无法采集某点处布置的热导偶传递的信号时，表明该处的热电偶因过温损坏，混凝土已被熔融铁烧蚀，由此推断出混凝土的烧蚀深度以及烧蚀速度。

所述配电设备15主要包括依次连接的配电柜、输电线和用电设备，供电源容量满足试验系统的全部用电需求；所述仪控设备16主要包括试验系统中的显示仪表、熔炼炉的启动控制平台、离心泵启动控制平台、远程操控倾倒装置控制平台；所述数据测量与采集设备17主要包括热电偶、流量计和压力传感器、接线盒、数据采集卡、测量模块、信号调理器、计算机的驱动软件和数据采集软件。

上述所述的反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统的试验方法，试验开始前，将准备好的实验部件1放置在导流槽2出口的下方，然后依次打开数据测量与采集设备17，开启冷却水回路中的第二离心泵12以及第一离心泵8，当冷却水回路的流量与温度稳定后，向熔炼炉3中加入实验要求作为熔融物材料的圆柱形铁棒，然后分别启动红外线测温仪13，录像仪14和中频电源柜7；熔炼炉3开始加热，在加热过程中根据冷却回路内温度调节冷却水流量，使得冷却回路内温度保持稳定；当红外线测温仪13测得的熔融铁温度达到1500℃时，关闭中频电源柜7；通过远程操控倾倒装置4的远程操控手柄将熔炼炉3中的熔融铁倾倒至导流槽2中；实验共有4组，在做完第一组实验后，待实验部件1冷却后，更换新的一组实验部件1，然后重新向熔炼炉3中加入作为熔融物材料的圆柱形铁棒，将其加热至1500℃，然后关闭中频电源柜7，通过远程操控倾倒装置4的远程操控手柄将熔炼炉3中的熔融铁倾倒至导流槽2中；之后的每组实验都重复以上操作；实验结束后，冷却水回路的第一离心泵8和第二离心泵12保持继续运转，待熔炼炉的温度降至常温后才能关闭。

和现有技术相比较，本发明具有如下优点：

1、本发明所述的反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统及方法，是针对压水堆核电厂反应堆严重事故条件下，压力容器下封头被熔融物熔穿后，熔融物与混凝土基座发生相互作用的特点而发明的试验系统，本发明的试验系统采用高温熔融铁作为熔融物模拟物来开展试验，由于熔融铁与原型熔融氧化物相比，其温度相对较低，这样可降低对熔炼炉的功率要求，同时冷却水回路的冷却能力要求也相对较低。

2、本发明所述的反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统及方法，实验部件中的混凝土试验件中间设计有铝制隔板，实验后容易将混凝土试验件分离，方便观察混凝土试验件的烧蚀形状。

3、本发明所述的反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统及方法，共设计有四组实验部件，其中一组实验部件中的混凝土试验件上方没有覆盖层，另外三组实验部件中的混凝土试验件上方分别设计有混凝土、铁皮和沙子的覆盖件，用于对比研究不同材料对缓解混凝土在高温熔融物的热冲击下皲裂的效果差异。

本发明所述的反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统及方法，冷却水系统可以通过冷却水箱、板式换热器和冷却塔带走中频电源柜和熔炼炉中感应线圈的发热量，保证中频电源柜和熔炼炉的感应线圈不会过温烧毁。同时，冷却水箱和板式换热器均设置有旁通管线，方便进行流量调节。

附图说明

图1为本发明反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统示意图。

图2为本发明反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统模块结构图。

图3为本发明反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统配电设备示意图。

图4为本发明反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统仪控设备示意图。

图5为本发明反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统数据测量与采集设备示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：

如图1和图2所示，本发明是反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验系统及方法，所述试验系统包括核反应堆堆芯熔融物与混凝土反应的模拟实验部件1，提供高温熔融物的熔炼炉2，与熔炼炉连接的中频电源柜7，远程操控倾倒装置4以及冷却水系统；第一离心泵8驱动冷却水箱9里的水依次通过中频电源柜7和熔炼炉3中的冷却通道带走感应线圈发出的热量，被加热的冷却水经过板式换热器10和冷却塔11的冷却恢复到初始水温后再回到冷却水箱9；熔炼炉3中的熔融铁温度通过安装在顶棚的红外线测温仪13测量，同时在顶棚安装的录像仪14可用于观察和记录熔融铁的倾倒过程以及与实验部件1中混凝土试验件的反应过程；试验系统还包括配套的配电设备15、仪控设备16和数据测量采集设备17。

所述核反应堆堆芯熔融物与混凝土反应模拟试验系统的实验部件1包括圆柱形石坩埚，石坩埚用圆柱铁皮外壳包围，石坩埚中部放置一块铝制分隔板，多点热电偶预先固定在石坩埚空腔内，然后向石坩埚空腔内填充混凝土。实验部件1共有四组，其中一组不带覆盖件，另外三组中，实验部件1中的混凝土试验件上方分别带有一层混凝土、铁皮和沙子的覆盖件，用于对比研究不同材料对缓解混凝土在高温熔融物的热冲击下皲裂的效果差异。

所述用于制备高温熔融铁的熔炼炉3由中频电源柜7供电，炉壁外侧通过法兰与远程操控倾倒装置4连接，远程操控倾倒装置4通过三脚架固定在混凝土石基5上。操控远程操控倾倒装置4，可将熔炼炉3中的高温熔融铁倾倒至石墨导流槽2中。熔融铁经石墨导流槽2流至实验部件1的混凝土试验件中。安装在熔炼炉上方的顶棚的红外线测温仪13用来监测熔炼炉3中熔融铁的温度，而录像仪14则用来观察和监控熔融铁的倾倒过程以及熔融铁与混凝土试验件的反应过程。熔炼炉3有冷却通道，其入口与中频电源柜7的冷却通道出口相连，其出口与冷却水回路相连，该冷却通道用于冷却熔炼炉3的感应线圈，防止其过温烧毁。

冷却水回路中，冷却水箱9依次通过第一球阀101、第一过滤器501、第一离心泵8和相应管道与中频电源柜7冷却通道的入口相连，水箱上安装第四热电偶404用于监测水箱内水温变化。第一离心泵8的下游管道上有一个三通，三通的垂直分支通过管道与第二球阀102连通到冷却水箱9构成一个旁通回路，用于协助调节冷却水的流量；在三通的下游管道上依次安装第一压力表301、第一电磁流量计201和第一热电偶401分别获得管道压力、冷却水流量和中频电源柜7冷却通道的入口温度。被中频电源柜7和熔炼炉3加热的冷却水经过板式换热器10和冷却塔11的冷却恢复到初始水温后再回到冷却水箱9。在板式换热器10的一次侧进水口，通过管道和第五球阀105与熔炼炉3的冷却通道出口相连，在管道上安装第二热电偶402获得熔炼炉3冷却通道出口的冷却水温度；在板式换热器10的一次侧出水口，通过管道和第三球阀103与冷却水箱9相连，形成一次侧闭合回路。板式换热器10的二次侧水流方向与一次侧流向为逆流，二次侧出水口依次通过第六球阀106和第二电磁流量计202连接到冷却塔11的进水口；冷却塔11的出水口依次通过第二过滤器502、第二离心泵12、第七球阀107和相应管道与板式换热器10二次侧进水口相连，形成二次侧闭合回路。在二回路管道上安装第五热电偶405、第二电磁流量计202和第二压力表302分别获得二回路冷却水温度、流量和管道压力。此外，在板式换热器一次侧，在第五球阀105的下游管道上有一个三通，三通的垂直分支通过管道与第四球阀104连接，第四球阀104的下游管道通过三通与板式换热器10一次侧的出口管道以及第三球阀103的上游管道相连，从而构成一个旁通回路，用于协助调解冷却水的流量。

作为本发明的优选实施方式，所述冷却水系统设计了多处的阀门和旁通管线，方便进行水流量调节，保证中频电源柜7和熔炼炉3的感应线圈不会因过热而烧坏，同时又能使得熔炼炉3产生足够的热量保证实验铁的熔化。

如图3所示，作为本发明的优选实施方式，所述配电设备15主要包括依次连接的配电柜、输电线和用电设备。配电设备15的供电源容量满足试验系统需求，为试验系统提供熔炼炉3的加热电源、第一离心泵8和第二离心泵12的动力电源、远程操控倾倒装置4的动力电源，仪控设备16和数据测量与采集设备17的工作电源、红外线测温仪13和录像仪14等监控设备的工作电源等。

如图4所示，作为本发明的优选实施方式，所述仪控设备16主要包括试验回路各个部位的显示仪表、熔炼炉启动控制平台、离心泵启动控制平台和远程操控倾倒装置控制平台，具体部件包括中频电源柜、阀门控制器、压力表、温度计包括热电偶和红外线测温仪、流量计和录像仪以及远程操控手柄。通过中频电源柜调节熔炼炉的功率，通过阀门控制器调节阀门开度，通过温度计和压力表显示冷却水和熔融铁的状态，通过流量计显示冷却水的流量，通过录像仪监控熔融铁倾倒过程以及与混凝土试验件的反应过程，远程操控手柄用来远程操控熔炼炉的倾倒。

如图5所示，所述数据测量与采集设备17主要包括热电偶、流量计和压力传感器、接线盒、采集卡、测量模块、信号调理器、计算机的驱动软件和数据采集软件，红外线测温仪和录像仪。热电偶、流量计和压力传感器将物理参数转化为电信号，经过接线盒，传输到信号调理器进行过滤整定，由测量模块和数据采集卡将电信号转化成数字信号，提供给计算机的驱动软件和数据采集软件，然后由labview编译的程序对所有传感器的信号进行处理和显示。红外线测温仪直接测量得到的熔融铁温度以及录像仪的监控视频直接传输到计算机中显示和保存。

本发明核反应堆堆芯熔融物与混凝土反应试验方法，具体的试验操作流程如下：试验开始前，将准备好的实验部件1放置在导流槽2出口的下方，然后依次打开数据测量与采集设备17开启冷却水回路中的第二离心泵12以及第一离心泵8，当冷却水回路的流量与温度稳定后，向熔炼炉3中加入实验要求作为熔融物材料的圆柱形铁棒，然后分别启动红外线测温仪13，录像仪14和中频电源柜7；熔炼炉3开始加热，在加热过程中根据冷却回路内温度调节冷却水流量，使得冷却回路内温度保持稳定；当红外线测温仪13测得的熔融铁温度达到1500℃时，关闭中频电源柜7；通过远程操控倾倒装置4的远程操控手柄将熔炼炉3中的熔融铁倾倒至导流槽2中。实验共有4组，在做完第一组实验后，待实验部件1冷却，更换新的一组实验部件1，然后重新向熔炼炉3中加入作为熔融物材料的圆柱形铁棒，将其加热至1500℃，然后关闭中频电源柜7，通过远程操控倾倒装置4的远程操控手柄将熔炼炉3中的熔融铁倾倒至导流槽2中；之后的每组实验都重复以上操作；实验结束后，冷却水回路的第一离心泵8和第二离心泵12保持继续运转，待熔炼炉的温度降至常温后才能关闭。