一种适用于颗粒型燃料的高温辐照试验装置的制作方法

1.本发明涉及研究堆辐照技术领域，具体涉及一种适用于颗粒型燃料的高温辐照试验装置。


背景技术：

2.出于简化燃料制造工艺、研发便于焚烧次锕系元素或钚的混合氧化物燃料(mox)等目的，国内外相关机构开展了颗粒型陶瓷燃料的研究。颗粒型的燃料元件外形与传统的燃料棒一致，但燃料包壳内为均匀填充的大直径燃料球与小直径颗粒型燃料，并经振动密实制成。此种燃料可以采用更简单、无尘的燃料制造工艺，简化了诸如制粉、挤压和研磨等步骤，从而有效减少脏污与材料损耗。另外，小直径的球形多层包覆颗粒型燃料(triso)，也在气冷堆中得到了广泛使用。
3.对于不同尺寸与制造工艺、不同锕系元素掺杂含量的颗粒型燃料，为研究其在不同燃耗水平下的热物性、颗粒型燃料开裂情况、裂变气体的释放情况等内容，需要进行反应堆内的辐照试验和辐照后检测，以研究其具体性能。
4.在实际的研究工作中，需要建立针对颗粒型燃料的辐照试验技术，以在研究堆中开展对颗粒型燃料的中子辐照试验。针对快堆或高温气冷堆中的颗粒型燃料，需要在较高的温度(500℃～900℃)下开展试验研究，而研究堆的冷却水温度仅20℃～60℃，这给辐照装置的设计与颗粒型燃料的辐照温度控制带来很大困难。同时，由于研究堆内中子注量率空间分布的固有特性，辐照装置内不同位置的颗粒型燃料裂变反应释热率差异巨大，需要采取有效措施展平不同位置处颗粒型燃料辐照温度。同时，由于燃料的体积释热率巨大，必须保证颗粒型燃料自身释放热量的有效导出，防止其因温度过高而熔化。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种适用于颗粒型燃料的高温辐照试验装置，以解决在设计高温辐照试验装置时所面临的以下三个问题：1.能够在较高的温度(500℃～900℃)下开展试验研究，2.有效展平不同位置处颗粒型燃料辐照温度，3.必须保证颗粒型燃料自身释放热量的有效导出，防止其因温度过高而熔化。
6.本发明公开了一种适用于颗粒型燃料的高温辐照试验装置。所述高温辐照试验装置可用于在低温水冷研究堆中开展500℃～900℃范围的颗粒型燃料高温辐照试验。高温辐照试验装置包括外套管和套设于所述外套管内且两端开口的内套管，所述外套管和所述内套管之间的区域被隔热件分割成至少两个互不传热的辐照腔体；
7.每一个所述辐照腔体内均设置有夹块，所述夹块和所述外套管之间设置有外气隙，所述夹块和所述内套管之间设置有内气隙，所述外气隙和内气隙通过径向气隙连通，所述外气隙和内气隙上分别连通有出气管和进气管，进气管用于导进温度调节气体，所述夹块上设置有若干第一测温元件；
8.所述夹块上开设有若干孔，每一个孔内设置有若干辐照试验件，每一个所述辐照
试验件包括一端开口的外盒，外盒的开口端设置有密封盖板，所述外盒内设置有多个燃料封装盒，所述燃料封装盒通过压紧件与所述外盒内壁压紧贴合；优选地，所述压紧件呈弧形，所述压紧件离圆心最远的点与所述外盒内壁贴合。
9.采用上述技术方案的情况下，
10.1.通过夹块与外套管和内套管之间的外气隙和内气隙，建立气隙传热温差，外部的气体调节系统通过进气管和出气管接入高温辐照试验装置，通过改变气隙内的气体成分即温度调节气体(例如氦/氩气混合气体中的氩气的体积分数)来改变内气隙和外气隙的传热温差，从而实现对各个夹块温度的独立调节与控制，间接实现对颗粒型燃料辐照温度的调节，防止颗粒型燃料因温度过高而熔化。
11.2.通过隔热件将外套管和内套管之间的区域分成至少两个互不传热的辐照腔体，每个辐照腔体内均有进气管和出气管，可独立调节外气隙和内气隙内的气体成分，以实现有效展平不同位置处颗粒型燃料辐照温度，解决有效解决因不同位置颗粒型燃料裂变功率差异导致不同位置颗粒型燃料辐照温差差异过大的问题。
12.3.通过设置压紧件使得燃料封装盒和外盒内壁压紧贴合，以使得燃料封装盒内的热量即颗粒型燃料自身释放的热量进一步有效导出，进一步防止颗粒型燃料因温度过高而熔化。
13.4.通过设置压紧件，实现燃料封装盒与辐照试验件内壁面的有效贴合，从而保证在不同温度水平下有效导出颗粒型燃料的裂变释热
14.5.将上述高温辐照试验装置用于在低温水冷研究堆中开展500℃～900℃范围的颗粒型燃料高温辐照试验时，外套管外侧和内套管的内侧通道在由堆芯冷却水(约20～60℃)冲刷冷却后，外套管外侧壁面和内套管内侧壁面的温度与堆芯冷却水(约20～60℃)温度接近，由此可知，在采用堆芯冷却水对外套管和内套管进行冷却的情况下，本发明公开的高温辐照试验装置适用于研究堆中开展500℃～900℃范围的颗粒型燃料高温辐照试验。
15.在一种可能的实现方式中，所述外盒内嵌设有导热金属，每一个所述燃料封装盒浸没于所述导热金属内；优选地，所述导热金属为铅铋共晶合金。以填充燃料封装盒和外盒内壁面间的细小间隙，有利于进一步将颗粒型燃料产生的热量导出。
16.在一种可能的实现方式中，所述导热金属和所述外盒之间设置有膨胀气腔，所述膨胀气腔内填充有导热稀有气体。用于容纳导热金属和燃料封装盒在试验过程中的体积变化。
17.在一种可能的实现方式中，贯穿所述密封盖板且伸入所述外盒内部设置有若干第二测温元件，优选地，所述第二测温元件的测温端伸入所述导热金属内。用于实时监测导热金属的温度，有利于判定颗粒型燃料的热量是否及时导出，以及调整气隙内的气体组成以及时实现温度调控。
18.在一种可能的实现方式中，每一个所述燃料封装盒均包括包壳和侧板，所述包壳和侧板围合成一端具有开口的盒体，盒体的开口端设置有密封板，所述盒体与所述外盒内壁紧密贴合的一侧内壁上贴合有软质金属层，所述软质金属层上嵌设有一层颗粒型燃料，每一颗颗粒型燃料部分嵌入所述软质金属层，，颗粒型燃料与所述侧板贴合；优选地，所述软质金属层由高纯度黄金制成。通过设置软质金属层有利于高效地导出颗粒型燃料的裂变释热，从而保证颗粒型燃料的试验安全。
19.在一种可能的实现方式中，所述燃料封装盒内填充有导热稀有气体。用于容纳辐照试验过程中释放的裂变气体。
20.在一种可能的实现方式中，所述外套管和所述内套管相同的一端分别通过第一盖板和第二盖板实现密封连接；优选地，所述夹块沿所述外套管轴向方向的两端分别密封连接有第一隔热板和第二隔热板。有效减少夹块的轴向导热散失。
21.在一种可能的实现方式中，所述第一隔热板和第二隔热板分别通过第一支撑件和第二支撑件与所述第一盖板和第二盖板连接。进一步减少夹块的轴向导热散失。
22.在一种可能的实现方式中，所述第二支撑件和所述第二隔热板之间通过弹性元件连接。不仅能够实现夹块等部件的定位，而且还能够容纳夹块等部件的轴向变形。
23.在一种可能的实现方式中，所述第一隔热板、第二隔热板、第一支撑件以及第二支撑件均由陶瓷材料制成。
24.在一种可能的实现方式中，所述夹块由金属铜制成；优选地，所述温度调节气体由氦气和氩气根据需求按照不同的体积分数混合形成的混合气体。
25.综上，本发明的有益效果为：
26.1)本发明适用于颗粒型燃料的高温辐照试验装置，适用于500℃～900℃范围的颗粒型燃料高温辐照试验，并具备辐照温度测量与调节能力。
27.2)本发明适用于颗粒型燃料的高温辐照试验装置，采用了燃料封装盒内置颗粒镶嵌软质金属层的方案来实现颗粒型燃料的封装与热量导出，通过单层的颗粒型燃料与软质金属层的接触导热，高效地导出颗粒型燃料的裂变释热，从而保证颗粒型燃料的试验安全。
28.3)本发明适用于颗粒型燃料的高温辐照试验装置，采用了压紧弹簧片方式实现燃料封装盒与辐照试验件外盒的紧密贴合，并通过填充铅铋合金的方式保证在不同温度下辐照试验件与夹块间导热的可靠性。
29.4)本发明适用于颗粒型燃料的高温辐照试验装置，辐照试验件内可设置浸没在铅铋共晶合金中的测温元件，可有效测量辐照试验件的温度，从而实现颗粒型燃料辐照温度的间接监测。
30.5)本发明适用于颗粒型燃料的高温辐照试验装置，采用分区独立的气体调节控温方法，可有效减小不同区域颗粒型燃料裂变功率不同导致的辐照温度差异。
附图说明
31.图1为实施例中高温辐照试验装置的轴向截面示意图；
32.图2为实施例中高温辐照试验装置的径向截面示意图；
33.图3为实施例中带测温元件的辐照试验件的结构示意图；
34.图4为实施例中燃料封装盒的结构示意图；
35.其中：1-夹块；2-外套管；3-外气隙；4-出气管；5-进气管；6-第二盖板；7-内套管；8-内气隙；9-孔；10-第一隔热板；11-第一支撑件；12-第二隔热板；13-第二支撑件；14-第一盖板；15-隔热件；16-径向气隙；101-密封盖板；102-外盒；103-燃料封装盒；104-压紧件；105-导热金属；106-膨胀气腔；107-第二测温元件；201-密封板；202-包壳；203-气腔；204-软质金属层；205-颗粒型燃料；206-侧板。
具体实施方式
36.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
37.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
38.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
39.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.在颗粒型燃料被正式投入使用前需要对其进行辐照试验技术，以在研究堆中开展对颗粒型燃料的中子辐照试验。针对快堆或高温气冷堆中的颗粒型燃料，需要在较高的温度(500℃～900℃)下开展试验研究，而研究堆的冷却水温度仅为20℃～60℃，因此给辐照装置的设计与颗粒燃料的辐照温度控制带来很大困难。同时由于研究堆内中子注量率空间分布的固有特性，辐照装置内不同位置的颗粒燃料裂变反应释热率差异巨大，因此需要有效展平不同位置处颗粒燃料辐照温度。以及由于燃料的体积释热率巨大，必须保证颗粒燃料自身释热的有效导出，防止其因温度过高而熔化。
42.针对上述问题，如图1和图2示例出本发明实施例中适用于颗粒型燃料205的高温辐照试验装置。可用于在低温水冷研究堆中开展500℃～900℃范围的颗粒型燃料205高温辐照试验。如图1和图2所示，上述高温辐照试验装置包括外套管2和套设于所述外套管2内且两端开口的内套管7，所述外套管2和所述内套管7之间的区域被隔热件15分割成至少两个互不传热的辐照腔体。通过设置互不传热的辐照腔体可以实现每个辐照腔体内温度的独立调节。所述内套管7和外套管2由导热系数较好的材料制成，例如：不锈钢，但不仅限于此。
43.如图1和图2所示，每一个所述辐照腔体内均设置有夹块1，所述夹块1和所述外套管2之间设置有外气隙3，所述夹块1和所述内套管7之间设置有内气隙8，所述外气隙3和内气隙8通过径向气隙16连通，所述外气隙3和内气隙8上分别连通有出气管4和进气管5，进气管5用于导进温度调节气体。通过内气隙8和外气隙3建立气隙传热温差，外部的气体调节系统(即形成温度调节气体)通过进气管5和出气管4接入温辐照试验装置，具体为：通过进气管5向内气隙8内通入温度调节气体，来改变外气隙3盒内气隙8内的传热温差，从而实现对
夹块1温度的调节与控制，间接实现对颗粒型燃料205辐照温度的调节。
44.上述夹块1由导热系数较好的材料制成，例如：铜，但不仅限于此，但最好是铜，一方面，可利用铜导热系数高的优点，有效展平夹块1自身的温度分布，并可靠的导出辐照试验件的释热；另一方面，利用铜自身密度大，其自身材料释热功率占气隙内各结构总释热份额大的特点，可有效减少不同位置的颗粒型燃料205自身释热功率差异对气隙温差的影响，从而有利于颗粒型燃料205温度的展平与控制。
45.上述出气管4和进气管5采用本领域常用材料制成，例如：陶瓷材料，但不仅限于此。
46.在实际应用中，上述温度调节气体可以由至少两种不同的导热系数的惰性气体混合而成，根据实际温度调控要求，改变各惰性气体的体积分数来得到不同的导热系数的温度调节气体。例如：氦气和氩气混合得到的混合气体，调节氩气的体积分数即可实现混合气体导热系数的改变。上述温度调节气体的组成气体不仅限于此。
47.基于此，那么各个辐照腔体内夹块1的温度均可通过与每个辐照腔体内连通且独立的进气管5和出气管4来独立调整每个辐照腔体内的外气隙3和内气隙8内填充的温度调节气体的导热系数，从而有效解决因不同位置颗粒型燃料205裂变功率差异导致不同位置颗粒型燃料205辐照温差差异过大的问题。
48.所述夹块1上设置有若干第一测温元件(图中未示出)。通过将若干第一测温元件设置于夹块1的不同区域，以实现测量夹块1不同位置的温度，为通过内气隙8和外气隙3调节夹块1温度提供数据反馈。上述第一测温元件可以为本领域中常用的测温元件，例如：热电偶，但不仅限于此。
49.如图1和图2所示，所述夹块1上开设有若干孔9，每一个孔9内设置有若干辐照试验件。在实际应用中，孔9的形状和辐照试验件的形状相匹配，以实现辐照试验件与孔9壁紧密贴合，实现快速传热，例如：孔9的形状为长方形，那么辐照试验件的形状也为长方形，但不仅限于此。
50.在实际应用中，上述辐照试验件在孔9内的排列方式可以根据实际试验要求进行排列，例如：从孔9底部向孔9口方向堆叠排列，但不仅限于此。
51.如图3所示，每一个所述辐照试验件包括一端开口的外盒102，外盒102的开口端设置有密封盖板101，所述外盒102内设置有多个燃料封装盒103，所述燃料封装盒103通过压紧件104与所述外盒102内壁压紧贴合。通过设置压紧件104能够及时导出燃料封装盒103内产生的热，避免热量堆积引起燃料封装盒103内温度升高，导致颗粒型燃料205熔化。
52.上述外盒102和密封盖板101均可由导热系数较好的材料制成，例如：不锈钢，但不仅限于此。
53.在一种可能的实施方式中，如图3所示，所述压紧件104可以呈弧形，但不仅限于此，所述压紧件104离圆心最远的点与所述外盒102内壁贴合。弧形能够增加传热面积，有利于进一步提高导热速度，避免热量堆积引起过热。
54.为了进一步提高导热速率，如图3所示，所述外盒102内嵌设有导热金属105，每一个所述燃料封装盒103浸没于所述导热金属105内。通过导热金属105来保证在不同温度下颗粒型燃料205的释热均可有效导出。在实际应用中，上述导热金属105可以采用本领域常用且在高温(1000℃左右)条件下能够呈固体状态的导热材料，例如：铅铋共晶合金，但不仅
限于此。
55.为了应对在实验过程中导热金属105和燃料封装盒103体积的变化，如图3所示，所述导热金属105和所述外盒102之间设置有膨胀气腔106，所述膨胀气腔106内填充有导热稀有气体。例如：氦气，但不仅限于此。
56.为了便于及时获取和控制上述辐照试验件在实验过程中的温度，如图3所示，贯穿所述密封盖板101且伸入所述外盒102内部设置有若干第二测温元件107。在实际应用中，第二测温元件107可以和所述密封盖板101的连接处密封设置，以实现第二测温元件107的固定。
57.为了准确及时反映热量导出情况，如图3所示，所述第二测温元件107的测温端伸入所述导热金属105内。在实际应用中，第二测温元件107可以为本领域中常用的测温元件，例如：热电偶，但不仅限于此。
58.在一种可能的实施方式中，当辐照试验件采用堆叠方式进行排列时，排列于夹块1上孔9内的辐照试验件并非是每一个都需要设置第二测温元件107，可以为：最上辐照试验件和最下辐照试验件上设置上述第二测温元件107即可，既能节约成本，也能减小需要收纳的信号传输线。
59.在实际应用中，如图4所示，每一个所述燃料封装盒103均包括包壳202和侧板206，所述包壳202和侧板206围合成一端具有开口的盒体，盒体的开口端设置有密封板201，所述盒体与所述外盒102内壁紧密贴合的一侧内壁上贴合有软质金属层204，所述软质金属层204上嵌设有一层颗粒型燃料205，每一颗颗粒型燃料205部分嵌入所述软质金属层204，颗粒型燃料205与所述侧板206贴合。
60.如图4所示，通过软质金属层204具有的良好导热性能可以通过导热的方式将颗粒燃料的裂变释热有效导出。通过设置侧板206以实现颗粒型燃料205的压紧以确保每一颗颗粒型燃料205均能部分嵌入所述软质金属层204中，以实现快速导出热量。每一颗颗粒型燃料205部分嵌入所述软质金属层204可以使得侧板206和颗粒型燃料205之间存在一定的缝隙，以保证颗粒型燃料205自身裂变气体的释放和容纳。
61.在实际应用中，所述软质金属层204可以采用本领域常用且满足条件的金属制成，例如：高纯度黄金，但不仅限于此，所述高纯度是指纯度大于99.9％。
62.在实际应用中，对于粒径为0.14
±
0.02mm的颗粒型燃料205，上述燃料封装盒103内间隙(即软质金属层204和侧板206之间的距离)的厚度取0.2mm，软质金属层204的厚度为0.1mm；对于粒径为1.2
±
0.05mm的triso颗粒型燃料205，燃料封装盒103内间隙(即软质金属层204和侧板206之间的距离)的厚度取1.8mm，软质金属层204的厚度为0.8mm。
63.在一种可能的实施方式中，所述燃料封装盒103内填充有导热稀有气体。此处导热稀有气体的压力可以为常压。导热稀有气体可以为氦气或氩气。
64.在一种可能的实施方式中，如图1所示，所述外套管2和所述内套管7相同的一端分别通过第一盖板14和第二盖板6实现密封连接。以便于出气管4的安装。
65.为了降低夹块1轴向导热，如图1所示，所述夹块1沿所述外套管2轴向方向的两端分别密封连接有第一隔热板10和第二隔热板12。在实际应用中，第一隔热板10和第二隔热板12可采用本领域常用的传热系数小的材料制成，例如：陶瓷，但不限于此。
66.为了增加夹块1安装的稳定性，如图1所示，所述第一隔热板10和第二隔热板12分
别通过第一支撑件11和第二支撑件13与所述第一盖板14和第二盖板6连接。第一支撑件11和第二支撑件13的形状可以为任意满足要求的形状，例如：圆柱形，方形等，但不仅限于此。
67.为了使得第一支撑件11和第二支撑件13不明显增加夹块1轴向导热，所述第一支撑件11和第二支撑件13可采用本领域常用的传热系数小的材料制成，例如：陶瓷，但不限于此。以及所述第一支撑件11和第二支撑件13可以在满足支撑条件的情况下其体积越小越好，以进一步降低其对夹块1轴向导热的影响。
68.为了能够应对第一隔热板10、第二隔热板12、第一支撑件11、第二支撑件13以及夹块1等部件的轴向形变，所述第二支撑件13和所述第二隔热板12之间通过弹性元件(图中未示出)连接。弹性元件处于压紧状态，还能实现各部件的定位。在实际应用中，弹性元件处于压紧状态。弹性元件可以为本领域常用的具有弹性的元件，例如：弹簧，但不仅限于此。
69.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。