一种压水堆燃料棒束高温加热夹持实验装置的制作方法

本发明涉及反应堆严重事故条件下堆芯行为特性研究技术领域，具体涉及一种压水堆燃料棒束高温加热夹持实验装置。

背景技术：

反应堆严重事故的发展过程是一个气、液、固共存，多种物理材料交叉结合的一个复杂的物理化学过程。该过程包括早期氧化，共晶现象，以及堆芯燃料棒烛化，堆芯流道堵塞，堆芯熔融池的形成，熔融池破裂流入下封头等过程。其中，反应堆堆芯燃料棒的烛化，以及堆芯流道堵塞，堆芯熔融池的形成，是研究严重事故序列的关键环节。这一过程，能够为堆内外的反应堆严重事故分析提供源项，其发展结果会对反应堆压力容器的完整性造成威胁，并可以决定氢气的产生以及裂变产物的迁移。同时，反应堆堆内燃料棒的烛化和迁移过程的研究也至关重要。反应堆堆芯燃料棒的烛化及迁移过程，能够为反应堆压力容器的失效分析提供参数。反应堆的堆芯熔化是一个非线性非连贯的物理过程，它伴随着在高温高压的情况下反应堆堆芯材料的熔化及烛化。反应堆燃料棒包壳氧化过程会释放热量，提高堆芯的温度；但是氧化锆包壳层可以提高材料的物理性质，延缓熔融物的迁移过程。为了研究这一过程，需要进行相关的实验研究。实验过程中，反应堆的堆内熔化物会在不同的物理空间，不同的温度环境中受到冷却并凝固，对夹持装置造成损坏，进行后续实验必须更换夹持装置，由于夹持装置为铼钼电极，更换的话，会造成成本的提高。另外，现有的铼钼电极为板状，通过将两个铼钼板进行挤压，形成不规则的孔，对燃料棒进行夹持，造成接触面积比较小，电阻较大，可能会对电极造成损坏。此外，现有的实验针对的是单根燃料棒，无法研究堆芯流道堵塞、燃料棒之间的相互影响。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种反应堆严重事故条件下压水堆燃料棒束高温加热夹持实验装置，该实验装置铼钼电极能够更换，提高了反应堆严重事故条件下堆芯行为特性研究的准确性，降低重复实验过程中的损失，并且可以研究严重事故条件下多根燃料棒之间的相互影响。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种压水堆燃料棒束高温加热夹持实验装置，包括设置在高温熔融炉内的用于夹持燃料棒的铼钼电极，铼钼电极由第一电极夹头、第二电极夹头及铼钼板组成；铼钼板的一端设置有相配合的第一电极夹头和第二电极夹头；第一电极夹头和第二电极夹头上均开设有一个半圆槽，第一电极夹头和第二电极夹头安装在一起，配合形成圆形孔，用来夹持燃料棒束顶端的导电帽。

本发明进一步的改进在于，第一电极夹头和第二电极夹头的两端均开设有贯穿圆孔，通过穿过第一电极夹头和第二电极夹头的一端的贯穿圆孔的螺栓将第一电极夹头和第二电极夹头固定，采用螺栓穿过第一电极夹头另一端的贯穿圆孔将第一电极夹头固定在铼钼板上，采用螺栓穿过第二电极夹头另一端的贯穿圆孔将第一电极夹头固定在铼钼板上。

本发明进一步的改进在于，燃料棒束采用9根燃料棒通过3×3方式排列，每根燃料棒的横截面直径为12mm，相邻两个燃料棒之间的距离为1.5mm，燃料棒束的下方有用于盛装燃料棒掉落熔融物的坩埚。

本发明进一步的改进在于，每根燃料棒长度为0.9m，燃料棒包括位于中心且直径为3mm的钨铼加热棒，钨铼加热棒外侧为厚度3.5mm的氧化铝管，并且氧化铝管将钨铼加热棒包裹，氧化铝管外侧为厚度1mm的锆-4合金管，并且锆-4合金管将氧化铝管包裹，每根燃料棒顶部均设置有导电帽；导电板上开设有9个通孔，9根燃料棒的顶端的导电帽均穿过通孔，位于燃料棒束中心的一根燃料棒的顶端的导电帽的高度大于其他8根燃料棒顶端的导电帽的高度，铼钼电极夹持位于中心的一根燃料棒的顶端的导电帽。

本发明进一步的改进在于，每根燃料棒顶部与该燃料棒顶部的导电帽之间设置有绝缘垫片。

本发明进一步的改进在于，位于中心的一根燃料棒的顶端的导电帽的半径为5mm，直径为10.5mm，第一电极夹头和第二电极夹头配合形成的圆形孔的直径为10.0mm。

本发明进一步的改进在于，高温熔融炉包括炉体，炉体为圆筒形结构，内径为1.0m，高度为1.5m，壁厚度为0.01m；炉体顶部设置有弧形的炉盖，炉盖为弧形炉盖上开设有第二出水口、氩气出口和第二进水口；炉体底部侧壁上开设有第一进水口和氩气进口，炉体底部设置有能够旋转的盖子；燃料棒束在炉体内竖直设置。

本发明进一步的改进在于，炉体侧壁上开设有6个观察窗，6个观察窗沿炉体侧壁螺旋式上升排布，相邻的两个观察窗在竖直方向上的距离为0.16m，6个观察窗沿炉体侧壁周向均匀分布；每个观察窗处均开设有用于安装热电偶的热电偶插孔，热电偶采用钨铼热电偶。

本发明进一步的改进在于，炉体采用氧化锆材料，高温熔融炉的炉体内设置有钼屏，炉体内壁上设置有水层，冷却塔与水分配器相连，水分配器与水层相连；钼屏内为燃料棒区域，钼屏与水层之间设置有高温隔热层，高温隔热层采用氧化锆隔热材料；高温隔热层采用环形的钼板支撑。

本发明进一步的改进在于，高温熔融炉外侧设置有机械泵和罗茨泵，机械泵与罗茨泵相连，罗茨泵和高温熔融炉内部相连通，铼钼电极一端位于高温熔融炉内，一端位于高温熔融炉外，铼钼电极位于高温熔融炉外的一端与水冷铜电极相连。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明中通过在铼钼板上设置相配合的第一电极夹头和第二电极夹头，第一电极夹头和第二电极夹头形成的圆孔夹持燃料棒束顶端的导电帽，当进行实验时，熔化材料滴落至电极时，只需更换第一电极夹头和第二电极夹头，铼钼板不需要更换，将极大程度的减少损坏造成的损失，克服了现有技术中对电极损坏需要替换铼钼电极带来的成本高、损失大问题。

进一步的，位于中心的一根燃料棒的顶端的导电帽的半径为5mm，直径为10.5mm，第一电极夹头和第二电极夹头形成的圆孔的直径为10.0mm，采用本发明中的铼钼电极夹头与导电帽，减少了接触电阻，极大程度的降低由于电流过大导致电极烧毁的可能。

进一步的，燃料棒束设置在高温熔融炉内部，通过对燃料棒中心的钨铼加热棒进行电加热，模拟反应堆严重事故期间的衰变热，最高加热温度达到2000℃，能够真实模拟反应堆严重事故条件下燃料棒烛化行为。

进一步的，本发明中的燃料棒既可以是单根也可以是多根燃料棒束，既可以研究单根燃料棒的行为也可以研究多个燃料棒之间的相互影响情况。

附图说明

图1为高温熔融炉示意图。

图2为燃料棒示意图。

图3为燃料棒俯视图。

图4为燃料棒束三维示意图。

图5为熔融物烛化实验装置平面图。

图6为铼钼电极的主视图。

图7为铼钼电极的俯视图。

图中，1为第一进水口，2为氩气进口，3为钼板，4为燃料棒，5为炉体，6为观察窗，7为第一出水口，8为炉盖，9为第二出水口，10为氩气出口，11为第二进水口，12为水冷铜电极，13为高温隔热层，14为钼屏，15为热电偶，16为铼钼电极，17为坩埚，18为水层，19为氧化铝块，20为盖子，21为导电帽，22为绝缘垫片，23为锆-4合金管，24为氧化铝管，25为钨铼加热棒，26为冷却塔，27为水分配器，28为机械泵，29为罗茨泵，30为弱电电缆沟，31为氩气系统，32为可编程控制柜，33为琴式操作台，34为100KW进线柜，35为调功器，36为高温熔融炉，37为贯穿圆孔，38为铼钼板，39为第一电极夹头，40为第二电极夹头，41为圆形孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1-图7，本发明的压水堆燃料棒束高温加热夹持实验装置，包括高温熔融炉以及设置在高温熔融炉内部的燃料棒束和铼钼电极等。

参见图1，高温熔融炉包括炉体5，炉体5为圆筒形结构，内径为1.0m，高度为1.5m，壁厚度为0.01m。炉体5顶部设置有弧形的炉盖8，炉盖8为弧形的设计，能够提高承压能力，炉盖8上开设有第二出水口9、氩气出口10和第二进水口11。炉体5内设置有用于支撑高温隔热层13的钼板3。炉体5侧壁上开设有6个观察窗6，6个观察窗6沿炉体5侧壁螺旋式上升排布，相邻的两个观察窗6在竖直方向上的距离为0.16m，6个观察窗6沿炉体5侧壁周向均匀分布。每个观察窗6处均开设有用于安装热电偶15的热电偶插孔，热电偶15采用钨铼热电偶。炉体5底部侧壁上开设有第一进水口1和氩气进口2，氩气进口2在实验初期可持续通入氩气，为实验熔化过程提供氩气保护，以保证高温熔化过程的安全。炉体5底部设置有可旋转的盖子20。炉体5内中心竖直设置有燃料棒束，燃料棒束包括若干根燃料棒。

具体的，燃料棒束采用9根燃料棒通过如图4所示的3*3(*表示乘号)方式排列。每根燃料棒的横截面直径为12mm，相邻两个燃料棒之间的距离为1.5mm，通过合理的布置热电偶测量得到各燃料棒的包壳温度、熔融物及水蒸气工质温度等瞬态参数。通过设置数台高速摄像仪从不同方位记录实验过程，全面记录堆芯材料熔化及熔融物迁移动态特性，为现有程序模型修正提供实验数据。燃料棒4的下方有用于盛装燃料棒4掉落熔融物的坩埚17。实验结束后可以通过坩埚17内的熔融物位置分布和质量等真实反映熔化过程中熔融物迁移最终脱离燃料棒的行为特性。坩埚17设置在氧化铝块19上，氧化铝块19设置在盖子20上。

单根燃料棒的结构如图2和图3所示，燃料棒4长度为0.9m，燃料棒4包括位于中心的且直径为3mm的钨铼加热棒25，钨铼加热棒25外侧为厚度3.5mm的氧化铝管24，并且氧化铝管24将钨铼加热棒25包裹，氧化铝管24外侧为厚度1mm的锆-4合金管23，并且锆-4合金管23将氧化铝管24包裹，每根燃料棒4顶部均设置有导电帽21。

如图4所示，导电板上开设有9个通孔，9根燃料棒4的顶端的导电帽穿过通孔，位于9个导电帽中心的一根燃料棒的顶端的导电帽的高度大于其他8根燃料棒顶端的导电帽的高度，铼钼电极16夹持中心的一根燃料棒的顶端的导电帽。每根燃料棒顶部与导电帽之间设置有绝缘垫片22。

通过对位于中央的钨铼加热棒25进行电加热，模拟燃料棒衰变热，实验加热最高温度可达2000℃。

参见图1，炉体5采用氧化锆材料，可以承受2000℃以上的高温。高温熔融炉的炉体5内设置有钼屏14，炉体5内壁上设置有水层18，冷却塔26与水分配器27相连，水分配器27与水层18相连。钼屏14内为燃料棒区域，钼屏14与水层18之间设置有高温隔热层13，高温隔热层13采用氧化锆隔热材料，以保持实验环境的温度并保证实验人员安全。高温隔热层13上部分打孔，用于布置可视化透窗6和钨铼热电偶，孔高为35mm，宽为35mm，钨铼热电偶水平设置，并穿过孔。钨铼热电偶热端与氧化铝管24表面接触，冷端通过透窗和孔导出外界环境中，温度满足冷端要求。热电偶使用前先进行标定，通过热电偶实时测量氧化铝管24表面的温度并通过数据采集系统将曲线呈现在琴式操作台33处供检测。高温隔热层13采用环形的钼板3支撑。

参见图5，高温熔融炉36外侧设置有机械泵28和罗茨泵29，调功器35与水冷铜电极12相连。实验进行时，通过机械泵28和罗茨泵29相连，罗茨泵29和高温熔融炉36内部相连通，采用双级泵对高温熔融炉36抽真空，当炉内真空度达到设定值后氩气系统31随之启动。恒定流量的氩气从炉底通入至熔融炉内直至炉内压力达到1.2MPa。随后，100kW进线柜34输出220V交流电通过调功器35输出低于36V的低压交流电，交流电流经水冷铜电极12，通过铼钼电极16流入钨铼加热棒25中。温度与图形数据等输出信号通过弱电电缆沟30进入可编程控制柜(PIC)32并最终在电脑显示器上实时输出。高温熔融炉主要实现对燃料的定量加热并使得燃料棒熔化，熔融炉的设计使得超2000℃的高温熔化过程可以安全进行。熔化产生的高温熔融物会在燃料棒表面烛化迁移，并被透窗外的高速摄像仪所记录下来，炉壁透窗设计可以使得整个烛化过程可视化。

参见图6和图7，铼钼电极16由第一电极夹头39、第二电极夹头40及铼钼板38组成。铼钼板38的一端设置有上下配合的第一电极夹头39和第二电极夹头40；第一电极夹头39和第二电极夹头40上开有6个的贯穿圆孔37，第一电极夹头39和第二电极夹头40上开设有一个半径为5mm的半圆，第一电极夹头39和第二电极夹头40安装在一起，配合形成圆形孔41，用来夹持位于中心的一根燃料棒的顶端的导电帽。

铼钼板38另一端开有2个的贯穿圆孔37。装配时，将第一电极夹头39和第二电极夹头40形成的圆形的孔夹持位于中心的一根燃料棒的顶端的导电帽。

位于中心的一根燃料棒的顶端的导电帽的半径为5mm，直径为10.5mm，第一电极夹头39和第二电极夹头40形成的圆孔的直径为10.0mm，略小于导电帽21直径，这将增大接触面积，减少接触电阻。铼钼电极16的第一电极夹头39和第二电极夹头40由6个螺栓固定，当燃料棒熔化时产生的熔融物滴落至第一电极夹头39和第二电极夹头40后，只需打开左侧第一电极夹头39和第二电极夹头40之间的螺栓更换夹头，右侧的铼钼板38可长期使用。

铼钼电极16另一端通过两个螺栓与水冷铜电极12相连，钨铼加热棒25位于熔融炉中心。通过电加热，燃料棒棒束材料将在2000℃以上的高温条件下熔化迁移。透过炉壁透窗，熔化的动态过程可实时观测并记录，实验数据可为传统数值模拟方法提供验证，降低现有严重事故分析程序的不确定性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。