一种水下燃料棒模拟装置及其安装控制方法与流程

1.本发明涉及模拟水下燃料棒的技术领域，尤其涉及一种水下燃料棒模拟装置及其安装控制方法。


背景技术：

2.核电站以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，使核能转变成热能来加热水产生蒸汽。核燃料的形式为由铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷芯块。几百个芯块叠在一起装入细长的锆合金材料套管内，因为核裂变反应就像是在燃烧原子，因此称为燃料棒。在实际工作过程中，燃料组件在堆芯内运行会出现裂纹、磨损、变形、氧化层增厚、表面杂质沉淀堆积等各种现象，问题严重时将影响燃料组件完整性及反应堆的安全运行。因此，需要必要的技术手段发现和鉴别影响燃料组件功能和完整性的因素，并对故障组件进行修复，确保燃料组件再入堆时的安全使用、提高燃料组件的利用效率。燃料棒直径测量技术主要用于检测燃料棒的减薄情况，保证其在运行允许范围内。
3.现有还提出了一种采用非接触式测量的方法，通过图像处理的方式测量水下燃料棒的直径和间隙。由于燃料棒具有强辐射性质，传统的人工接触式测量和记录方式不但精度低、速度慢，还对工作人员的身体健康造成一定的影响。同时，实际工作时会对精密仪器测量与仪器机械结构产生不利的影响，燃料棒短时间近距离接触测量仪器即会导致仪器损坏甚至失灵等情况发生。
4.目前模拟水下燃料棒的技术方案是：将发热电阻丝进行防水处理后缠绕在金属棒上，工作状态下电阻丝通电加热，并将热量传递给金属棒，实现燃料棒正常工作时发热状态的模拟，观察燃料棒发热产生的热扰动现象。
5.另一种模拟水下燃料棒的技术方案是：将电热棒做好防水处理后直接放入水中，通电加热电热棒也会在水中产生热扰动现象，通过图像处理的方式对电热棒进行尺寸测量。
6.由于现有技术中，采用经过防水处理的发热电阻丝缠绕在金属棒上实现模拟真实燃料棒的自发热状态，造成电阻丝传热不均匀、装置自身损耗较高等现象，使现有技术存在可调节程度不高、安全性不高、实验成本高等缺点。
7.首先，在性能方面上，电阻丝加热后会与金属棒发生热传递，实际上电阻丝传递给金属棒的热量不均匀，会导致金属棒本体温度不均匀，不能完全模拟燃料棒实际工作情况。若是采用直接将电热棒放入水中加热的方案，由于工艺原因，电热棒不是标准件，物件边缘尺寸不完全相同、均匀，因此无法进行下一步测量实验。
8.其次，安全性方面上，电阻丝加热会对自身与表面缠绕的防水材料造成损耗，一方面会影响导热性能，出现传热不均匀的现象，不符合燃料棒实际工作情况。另一方面，防水材料的损耗会导致电阻丝防水性能下降，存在漏电的安全风险，危害实验人员的身体健康。
9.最后，在实验成本方面，电阻丝自身的损耗和其加热间接造成的防水材料损耗会
包括：
31.s2
‑1‑
1：将所述发热件的绝缘部与电源相连接；
32.s2
‑1‑
2：将所述发热件的发热部浸没在所述内腔的传热介质中，并与所述导热件的导热部相对应，通过所述传热介质传热至所述导热部。
33.优选地，在本发明所述的水下燃料棒模拟装置的安装控制方法中，所述步骤s4包括：
34.通过温度控制器判断检测到所述内腔中传热介质的温度是否与预设的加热温度值存在偏差，若是，则发送控制信号至所述发热件，以调整所述内腔中传热介质的温度至预设的加热温度值，保持预设的恒温自发热状态。
35.通过实施本发明，具有以下有益效果：
36.本发明利用发热件通过传热介质间接加热导热件，导热件受热后会与导热件外表面的传热介质发生热传递，从而产生热扰动现象。并且，通过温度传感器和温度控制器，保证该装置能够在一定的时间内完成恒温加热，从而更安全、更便捷地模拟和还原水下燃料棒实际工作状态下的恒温自发热状态。
附图说明
37.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
38.图1是本发明水下燃料棒模拟装置示意图；
39.图2是本发明的负反馈温度控制系统示意图；
40.图3是本发明的水下燃料棒模拟装置的安装控制方法流程图。
具体实施方式
41.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
42.需要说明的是，附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
43.附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
44.由于现有的水下燃料棒模拟装置中存在的性能不足、安全性不高、成本高等缺点，本发明利用中空的导热件3、发热件4和传热介质2材料，提出一种新的水下燃料棒模拟装置，解决了水下燃料棒这种特殊环境和材料的实验环境搭建，其包括：容置有传热介质2的容器1、发热件4、导热件3、温度传感器6以及温度控制器。
45.具体地，导热件3包括中空内腔33，导热件3设于容器1内以令至少部分的内腔33和导热件3外部充有传热介质2；发热件4设于内腔33中，通过传热介质2传热至导热件3；温度传感器6设于内腔33中，用于实时检测内腔33中传热介质2的温度；温度控制器设于容器1外，用于根据检测到的内腔33中传热介质2的温度实时控制发热件4的发热，以保持预设的恒温自发热状态。
46.本发明的原理为：利用发热件4通过传热介质2间接加热导热件3的方式，最大程度模拟水下燃料棒恒温自发热状态。利用发热件4的良好产热性能，在实验进行的过程中持续保持定量的热量产生。发热件4不直接与中空的导热件3直接接触，而是浸泡在传热介质2中，通过加热传热介质2间接加热导热件3，导热件3受热后会与导热件3外表面的传热介质2发生热传递，从而产生热扰动现象。并且，通过温度传感器6和温度控制器，保证该装置能够在一定的时间内完成恒温加热，模拟燃料棒实际工作状态下的恒温自发热工况。
47.其中，本发明的热源为发热件4，例如电热棒，电热棒具有加热速度快，功率可调节等性能优点，并且稳定性较好，可供实验长期使用。优选地，发热件4位于内腔33的中心轴线上。
48.实验中使用的传热介质2为液体传热介质或固体传热介质等导热性能较好的物质，例如水和细沙，这些物质能够将热量均匀地传递给导热件3，使得所模拟的物体在水下产生热扰动的情况更加接近燃料棒实际工作状况下产生热扰动的情况。
49.该导热件3由导热性能较好的金属材料高精密加工制成，形成物件边缘尺寸完全相同、均匀的标准金属件，中间采用镂空设计，即具有中空内腔33，使得发热件4和传热介质2能够放入其中。
50.此外，本发明的模拟装置还具备一个负反馈温度控制系统，控制系统如图2所示。温度传感器6于实时检测内腔33中传热介质2的温度并通过模数转换输出给温度控制器，操作人员给定预设的加热温度值，通过温度控制器判断检测到内腔33中传热介质2的温度是否与预设的加热温度值存在偏差，若是，则发送控制信号至发热件4，以调整内腔33中传热介质2的温度至预设的加热温度值，保持预设的恒温自发热状态。通过负反馈温度控制系统保证该装置能够在一定的时间内完成恒温加热，模拟燃料棒实际工作状态下的恒温自发热工况。
51.在本实施例中，导热件3包括与发热件4对应的导热部32以及用于支撑在容器1内底部的支撑部31。当传热介质2为液体传热介质2时，例如水，支撑部31上开设有与内腔33和导热件3外部液体相连通的至少一排液孔311，图1中的箭头示出了水流方向。优选地，支撑部31的两侧均开设有排液孔311。
52.由于水自身的物理性质，在发热件4加热的过程中，导热件3内的水会受热蒸发，导致导热件3内部的传热介质2减少，影响装置的传热性能。本发明通过排液孔311，利用连通器原理，及时地将导热件3外部液体环境中的水补充至导热件3内部，保持传热介质2的传热性能。同时，通过物理减弱热扰动的方式，即用水流冲击水中发热件4表面，从而加快发热件4周围空间流体的流动，减少发热件4周围的流体“分布不均匀”，减弱发热件4周围空间的折射率变化，最终有效减少热扰动对视觉产生的影响，极大地提高被测物体成像质量。其中，用水流冲击水中发热件4表面是指：导热件3内部的水会因发热件4发热而蒸发掉一部分，外部环境的水会从排液孔311流入，从下往上冲击发热件4表面，去除附着的气泡。
53.在本实施例中，发热件4包括与电源5相连接的绝缘部41以及浸没在传热介质2中的发热部42，该发热部42与导热部32相对应。在一些实施例中，绝缘部41位于发热件4的上半部分，发热部42位于发热件4的下半部分。当绝缘不发热的绝缘部41接通电源5时，发热部42持续保持定量的热量产生。
54.在一些实施例中，发热件4、传热介质2、导热件3能根据不同的实验对象工作情况
进行更换，满足不同工作状况下相应工作温度的模拟，提高了实验装置的性能和灵活性。
55.如图3所示，本发明还公开了一种水下燃料棒模拟装置的安装控制方法，包括以下步骤：
56.步骤s1：设置一容置有传热介质2的容器1，将导热件3设于容器1内，至少部分的导热件3的中空内腔33和导热件3外部充有传热介质2；
57.步骤s2：将发热件4设于内腔33中，通过传热介质2传热至导热件3；
58.步骤s3：将温度传感器6设于内腔33中，实时检测内腔33中传热介质2的温度；
59.步骤s4：将温度控制器设于容器1外，根据检测到的内腔33中传热介质2的温度实时控制发热件4的发热，以保持预设的恒温自发热状态。
60.在本实施例中，由于发热件4与导热件3内的传热介质2存在温差，发热件4与传热介质2发生热传递，一段时间后，导热件3温度上升至预设的温度值，实验人员可以从导热件3外壳表面观察到热扰动现象，此时可通过温度传感器6和温度控制器保持发热件4的恒温自发热状态。
61.其中，本发明的热源为发热件4，例如电热棒，电热棒具有加热速度快，功率可调节等性能优点，并且稳定性较好，可供实验长期使用。优选地，发热件4位于内腔33的中心轴线上。
62.实验中使用的传热介质2为液体传热介质或固体传热介质等导热性能较好的物质，例如水和细沙，这些物质能够将热量均匀地传递给导热件3，使得所模拟的物体在水下产生热扰动的情况更加接近燃料棒实际工作状况下产生热扰动的情况。
63.该导热件3由导热性能较好的金属材料高精密加工制成，形成物件边缘尺寸完全相同、均匀的标准金属件，中间采用镂空设计，即具有中空内腔33，使得发热件4和传热介质2能够放入其中。
64.此外，本发明的模拟装置还具备一个负反馈温度控制系统，控制系统如图2所示。温度传感器6于实时检测内腔33中传热介质2的温度并通过模数转换输出给温度控制器，操作人员给定预设的加热温度值，通过温度控制器判断检测到内腔33中传热介质2的温度是否与预设的加热温度值存在偏差，若是，则发送控制信号至发热件4，以调整内腔33中传热介质2的温度至预设的加热温度值，保持预设的恒温自发热状态。通过负反馈温度控制系统保证该装置能够在一定的时间内完成恒温加热，模拟燃料棒实际工作状态下的恒温自发热工况。
65.在本实施例中，导热件3包括与发热件4对应的导热部32以及用于支撑在容器1内底部的支撑部31。当传热介质2为液体传热介质2时，例如水，支撑部31上开设有与内腔33和导热件3外部液体相连通的至少一排液孔311，图1中的箭头示出了水流方向。优选地，支撑部31的两侧均开设有排液孔311。
66.由于水自身的物理性质，在发热件4加热的过程中，导热件3内的水会受热蒸发，导致导热件3内部的传热介质2减少，影响装置的传热性能。本发明通过排液孔311，利用连通器原理，及时地将导热件3外部液体环境中的水补充至导热件3内部，保持传热介质2的传热性能。同时，通过物理减弱热扰动的方式，即用水流冲击水中发热件4表面，从而加快发热件4周围空间流体的流动，减少发热件4周围的流体“分布不均匀”，减弱发热件4周围空间的折射率变化，最终有效减少热扰动对视觉产生的影响，极大地提高被测物体成像质量。其中，
用水流冲击水中发热件4表面是指：导热件3内部的水会因发热件4发热而蒸发掉一部分，外部环境的水会从排液孔311流入，从下往上冲击发热件4表面，去除附着的气泡。
67.在本实施例中，发热件4包括与电源5相连接的绝缘部41以及浸没在传热介质2中的发热部42，该发热部42与导热部32相对应。在一些实施例中，绝缘部41位于发热件4的上半部分，发热部42位于发热件4的下半部分。当绝缘不发热的绝缘部41接通电源5时，发热部42持续保持定量的热量产生。
68.在一些实施例中，发热件4、传热介质2、导热件3能根据不同的实验对象工作情况进行更换，满足不同工作状况下相应工作温度的模拟，提高了实验装置的性能和灵活性。
69.具体地，步骤s1进一步包括：
70.步骤s1
‑
1：设置一容置有液体传热介质2的容器1，将导热件3设于容器1内，导热件3的支撑部31支撑在容器1的内底部，至少部分的导热件3的中空内腔33和导热件3外部充有液体传热介质2，且支撑部31上的至少一排液孔311与内腔33和导热件3外部液体相连通。
71.或者，步骤s1
‑
2：设置一容置有固体传热介质2的容器1，将导热件3设于容器1内，至少部分的导热件3的中空内腔33和导热件3外部充有固体传热介质2。
72.该步骤s2进一步包括：
73.步骤s2
‑
1：发热件4设于内腔33中并与导热件3的导热部32相对应，通过传热介质2传热至导热部32。
74.优选地，步骤s2
‑
1包括：
75.步骤s2
‑1‑
1：将发热件4的绝缘部41与电源5相连接；
76.步骤s2
‑1‑
2：将发热件4的发热部42浸没在内腔33的传热介质2中，并与导热件3的导热部32相对应，通过传热介质2传热至导热部32。
77.该步骤s4进一步包括：
78.通过温度控制器判断检测到内腔33中传热介质2的温度是否与预设的加热温度值存在偏差，若是，则发送控制信号至发热件4，以调整内腔33中传热介质2的温度至预设的加热温度值，保持预设的恒温自发热状态。
79.在此对相关技术术语的名词进行解释：
80.1、热扰动现象：在水下环境中，具有自发热属性的被测物体由于与周围液体存在温度差，被测物体与表面附近的流体发生热传递。发生热传递的流体因受热而进行膨胀，密度变小上升，而温度较低、密度较大的流体则下降。然后，下降的流体接触到被测物体时，发生热传递，温度变高、密度变小，流体又会膨胀上升，如此反复循环，形成热对流现象。
81.热对流现象会使得被测物体周围环境中流体形成“非均匀分布”，造成流体折射率发生变化，相机所拍得的图像发生畸变，也就是“热扰动”现象。被测物体自身高温产生的热传递对于相机成像质量产生严重的影响，高温改变成像空间温度分布导致折射率非线性变化，致使光线发生偏折，最终影响被测物体的测量误差。不同于常温情况下的视觉测量中的线性成像，高温物体成像光线不再是单一的直线传播，从高温到常温的传播过程中由于温度的不均匀分布，光线产生连续偏折，在常温成像空间内光线则继续直线传播，最终在成像平面产生像素偏移误差。
82.热扰动现象会对水中物体成像产生不良的影响，这种影响会给实际测量结果带来较大的偏差。此外，若测量环境为可溶解空气的液体环境，则被测物体表面发热会降低周围
液体环境对空气的溶解度，导致被测物体表面附着气泡，这会不利于图像处理并且严重影响测量精度。因此，本发明通过物理减弱热扰动的方式，即用水流冲击水中被测物体表面，从而加快被测物体周围空间流体的流动，减少被测物体周围的流体“分布不均匀”，减弱被测物体周围空间的折射率变化，最终有效减少热扰动对视觉产生的影响，极大地提高被测物体成像质量。其中，在本发明中，其被测物体是发热件。用水流冲击水中被测物体表面是指：导热件内部的水会因发热件发热而蒸发掉一部分，外部环境的水会从排液孔流入，从下往上冲击发热件表面，去除附着的气泡。
83.2、连通器原理：几个底部互相连通的容器，注入同一种液体，在液体不流动时连通器内各容器的液面总是保持在同一水平面上。连通器的原理可用液体压强来解释。若在u形玻璃管中装有同一种液体，在连通器的底部正中设想有一个小液片ab。假如液体是静止不流动的。左管中之液体对液片ab向右侧的压强，一定等于右管中之液体对液片ab向左侧的压强。因为连通器内装的是同一种液体，左右两个液柱的密度相同，根据液体压强的公式p＝ρgh可知，只有当两边液柱的高度相等时，两边液柱对液片ab的压强才能相等。所以，在液体不流动的情况下，连通器各容器中的液面应保持相平。
84.连通器的特点是只有容器内装有同一种液体时各个容器中的液面才是相平的。如果容器倾斜，则各容器中的液体即将开始流动，由液柱高的一端向液柱低的一端流动，直到各容器中的液面相平时，即停止流动而静止。如用橡皮管将两根玻璃管连通起来，容器内装同一种液体，将其中一根管固定，使另一根管升高、降低或倾斜，可看到两根管里的液面在静止时总保持相平。
85.通过实施本发明，具有以下有益效果：
86.本发明利用发热件通过传热介质间接加热导热件，导热件受热后会与导热件外表面的传热介质发生热传递，从而产生热扰动现象。并且，通过温度传感器和温度控制器，保证该装置能够在一定的时间内完成恒温加热，从而更安全、更便捷地模拟和还原水下燃料棒实际工作状态下的恒温自发热状态。
87.可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。