专利名称:应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种反应堆工程设备，特别是关于一种应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置。
背景技术：
清华大学核研院于2000年建成并运行了一座IOMW高温气冷实验堆(HTR-10)。该实验堆是一座采用石墨基体包覆颗粒球形燃料元件及全石墨堆芯结构，同时利用高纯氦气作为冷却剂的高温气冷堆，其主要建设目的包括论证模块式高温气冷堆的安全特性和形成科研基地以开展相关实验研究等。
高温气冷堆的高温氦气过滤沉积取样装置是工艺辐射监测系统的一个重要部件，主要用于收集HTR-10反应堆热氦气中可沉积裂变产物(主要研究碘同位素和金属裂变产物)在一回路金属表面和石墨粉尘中的吸附沉积行为，以及燃料元件的整体释放情况。
由于从高温气冷堆的蒸汽发生器一回路引出的高温氦气约为750° C，经过热氦引流管后，出口温度约为650° C，使得经过高温氦气过滤沉积取样装置的氦气温度较高，并且其中载带的可沉积裂变产物颗粒和石墨粉尘尺寸差别较大(粒径一微米以下至十几微米)、种类较多，因此要求高温氦气过滤沉积取样装置在能够耐受较高温度的同时，有效地吸附高温氦气中的不同尺寸、不同种类的可沉积裂变产物颗粒和石墨粉尘，并能承受高温氦气对该装置产生的压力。传统的高温氦气过滤沉积取样装置得到的可沉积裂变产物种类单一、效率偏低，而且同一工况条件下无法进行多样品的对比。更为重要的是，传统的高温氦气过滤沉积取样装置并不具备温度控制的功能，对于高温氦气沉积规律的研究来说，需要对取样装置的结构进行创新设计，使其能够在有效沉积的同时可以根据气体流量的不同进行温度调节，以维持温度梯度的稳定性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置，其特征在于，所述装置包括:套管，固定于所述套管内且沿轴向延伸的芯棒，若干个沿轴向顺序间隔开地固定于所述套管的外壁上的控温单元，若干段连通相邻两个所述控温单元的输水管段，以及分别与最外侧的两个所述控温单元相连的入水口和出水口。
在一个优选的实施例中，各所述控温单元包括:保温套管，其通过前、后端板固定于所述套管的外壁上，并在所述保温套管的内壁与所述套管的外壁之间填充有保温填料；和控温套管，其通过前、后端板固定于所述保温套管的外壁上，并在所述控温套管的内壁与所述保温套管的外壁之间填充有设冷水。
在一个优选的实施例中，所述输水管段的一端与一个所述控温单元的控温套管的上部或下部连通，而另一端与相邻的那个控温单元的控温套管的下部或上部连通。
在一个优选的实施例中，相邻两个所述输水管段在径向上相对地设置。
在一个优选的实施例中，所述设冷水的流动方向与氦气的流动方向相反。
在一个优选的实施例中，每个所述控温单元的首尾处均安装有一个铠装热电偶，所述铠装热电偶由环箍固定于所述套管的外壁上。
在一个优选的实施例中，在从所述套管的前端至后端的方向上，各所述控温单元的长度依次增加。
在一个优选的实施例中，所述芯棒、套管、保温套管和控温套管为同轴设置。
在一个优选的实施例中，所述芯棒的上部、中部和下部具有起到固定和保持同轴度作用的凸槽。
本发明的有益效果在于，本发 明提供的控温沉积取样装置采用“沉积取样套管-保温套管-控温套管”的三层套管式结构，能够在整个沉积长度内对蒸汽发生器弓I出的高温氦气的环境进行一定的温度控制，使高温氦气在不断降温的过程中，将其载带的不同种类、不同粒径范围的可沉积裂变产物颗粒和石墨粉尘经一定的温度梯度逐步沉积吸附在该装置中，从而可有效进行后续测量和分析。
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
图1是根据本发明的套管式氦气控温沉积取样装置的结构示意图；
图2是根据本发明的套管式氦气控温沉积取样装置的结构俯视图；
图3是根据本发明的套管式氦气控温沉积取样装置的控温前端单元的结构示意图；
图4是根据本发明的套管式氦气控温沉积取样装置的控温级联单元一的结构示意图；
图5是根据本发明的套管式氦气控温沉积取样装置的控温末端单元的结构示意图。
在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面对照附图并通过对实施例的描述来进一步详细地说明本发明。需要说明的是，本文中的“前端”、“后端”均针对于取样气流的流动方向来定义，其中“前端”指取样气流的流动方向的上游。
图1、图2显示了根据本发明的套管式高温氦气控温沉积取样装置100，该装置包括一根沉积取样套管I，一根固定于沉积取样套管I内且沿轴向延伸的的沉积取样芯棒2,沿轴向顺序间隔开地固定于沉积取样套管I外壁的控温前端单元3、第一控温级联单元4、第二控温级联单元5和控温末端单元6，三段连通相邻两控温单元的输水管段7，一个连通控温前端单元3的出水口 9，以及一个连通控温末端单元6的入水口 10。
在一个优选的实施例中，各控温单元采用“等温不等距”的布置方式，即从沉积取样套管I前端至后端，各控温单元的长度依次增加。这样可以保证取样点在温度坐标上比较均匀，使数据分布不会过于集中。
在一个优选的实施例中，沉积取样套管I和沉积取样芯棒2可以采用不锈钢等金属耐高温材料,也可以采用陶瓷等非金属耐高温材料。沉积取样套管I和沉积取样芯棒2可以采用同一种材料，也可以采用两种不同的材料，以更有效地对比同一工况下高温氦气在不同材料上的沉积规律。同时，也可以根据样本种类和对比需要，更换沉积取样套管I和沉积取样芯棒2的材料，以进行多样本之间的分析对比。
在一个优选的实施例中，沉积取样芯棒2的上部、中部和下部具有凸槽，以起到固定和保持同轴度的作用。
图3显示了根据本发明的套管式高温氦气控温沉积取样装置的控温前端单元3。该控温前端单元3作为一个整体固定于沉积取样套管I的前端外壁上，其包括保温沉积取样套管15、控温沉积取样套管11和保温材料14。保温沉积取样套管15通过前、后端板16定位并焊接于沉积取样套管I的外壁上，且保温沉积取样套管15内壁与沉积取样套管I外壁组成的环形空间填充有保温填料14。控温沉积取样套管11通过前、后端板13定位并焊接于保温沉积取样套管15的外壁上，且控温沉积取样套管11内壁与保温沉积取样套管15外壁组成的环形空间填充有设冷水12。出水口 9和输水管段7分别焊接于控温沉积取样套管11的上部和下部。
在一个优选的实施例中，沉积取样芯棒2、沉积取样套管1、保温沉积取样套管15和控温沉积取样套管11为同轴设置。
图4、图5显示了根据本发明的套管式高温氦气控温沉积取样装置的第一、第二控温级联单元4、5和控温末端单元6 ，其结构与控温前端单元3类似，区别仅在于将相邻的两段输水管段7相对地焊接于相邻两控温单元的控温沉积取样套管11上部和/或下部，将入水口 10焊接于控温末端单元6的控温沉积取样套管11下部且与出水口 9的位置相对，从而使得设冷水12可由入水口 10进入并流经各控温单元，最终由出水口 9流出，这样设冷水12与沉积取样套管I内的高温氦气在轴向上形成逆流，有利于传热和温度控制。
在一个优选的实施例中，每个控温单元的首尾处均安装有一个铠装热电偶8，铠装热电偶8由环箍(未示出)固定于沉积取样套管I外壁。铠装热电偶8可以对其附近的沉积取样套管I内壁和沉积取样芯棒2外壁进行取样和分析，并实时显示温度。根据流入高温氦气的流量变化，可调节控温沉积取样套管11中的设冷水12流量，以控制高温氦气从入口处的高温降至出口处的低温这段流动距离内始终保持比较稳定的温度梯度和范围，提高数据的稳定性和对比性。
在一个优选的实施例中，可以根据取样精度需要，在沉积取样套管I长度允许条件下，选择性地串联数个控温级联单元固定于沉积取样套管I的外壁上，同时相应的要增加所述销装热电偶8的数量，从而提闻取样精度。
本发明在工作时，从高温气冷堆的蒸汽发生器引出的高温氦气从沉积取样套管I的前端导入，高温氦气在沉积取样套管I内壁与沉积取样芯棒2外壁形成的环形空间中流动，最终从沉积取样套管I的后端导出。同时，将设冷水12由入水口 10注入并流经各控温单元，最终由出水口 9流出，这样设冷水12与沉积取样套管I内的高温氦气在轴向上形成逆流，从而使引出的高温氦气在不断降温的过程中，将其载带的不同种类、不同粒径范围的可沉积裂变产物颗粒和石墨粉尘经一定的温度梯度逐步沉积吸附在沉积取样套管I和沉积取样芯棒2上。当沉积取样完成后，可以将该套管式高温氦气控温沉积取样装置中的沉积取样套管I和沉积取样芯棒2抽出，用以测量可沉积裂变产物颗粒和石墨粉尘的沉积情况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，例如关于控温级联单元数量、铠装热电偶数量、输水管段数量的增加·或减少的改进或变型等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置，其特征在于，所述装置包括: 套管， 固定于所述套管内且沿轴向延伸的芯棒， 若干个沿轴向顺序间隔开地固定于所述套管的外壁上的控温单元， 若干段连通相邻两个所述控温单元的输水管段，以及 分别与最外侧的两个所述控温单元相连的入水口和出水口。
2.如权利要求
1 所述的应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置，其特征在于，各所述控温单元包括: 保温套管，其通过前、后端板固定于所述套管的外壁上，并在所述保温套管的内壁与所述套管的外壁之间填充有保温填料；和 控温套管，其通过前、后端板固定于所述保温套管的外壁上，并在所述控温套管的内壁与所述保温套管的外壁之间填充有设冷水。
3.如权利要求
2所述的应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置，其特征在于，所述输水管段的一端与一个所述控温单元的控温套管的上部或下部连通，而另一端与相邻的那个控温单元的控温套管的下部或上部连通。
4.如权利要求
3所述的应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置，其特征在于，相邻两个所述输水管段在径向上相对地设置。
5.如权利要求
1到4中任一项所述的应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置，其特征在于，所述入水口和出水口在径向上相对地设置。
6.如权利要求
1到5中任一项所述的应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置，其特征在于，所述设冷水的流动方向与氦气的流动方向相反。
7.如权利要求
1到6任一项所述的应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置，其特征在于，每个所述控温单元的首尾处均安装有一个铠装热电偶，所述铠装热电偶由环箍固定于所述套管的外壁上。
8.如权利要求
1到7任一项所述的应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置，其特征在于，在从所述套管的前端至后端的方向上，各所述控温单元的长度依次增加。
9.如权利要求
1到8任一项所述的应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置，其特征在于，所述芯棒、套管、保温套管和控温套管为同轴设置。
10.如权利要求
1-9任一项所述的应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置，其特征在于，所述芯棒的上部、中部和下部具有起到固定和保持同轴度作用的凸槽。
专利摘要
本发明涉及一种应用于高温气冷堆的套管式氦气控温沉积取样装置，其特征在于，该装置包括套管，固定于套管内且沿轴向延伸的芯棒，若干个沿轴向顺序间隔开地固定于套管的外壁上的控温单元，若干段连通相邻两个控温单元的输水管段，以及分别与最外侧的两个控温单元相连的入水口和出水口。本发明提供的控温沉积取样装置能够在整个沉积长度内对蒸汽发生器引出的高温氦气的环境进行一定的温度控制，使高温氦气在不断降温的过程中，将其载带的不同种类、不同粒径范围的可沉积裂变产物颗粒和石墨粉尘经一定的温度梯度逐步沉积吸附在该套管和芯棒上，从而可有效进行后续测量和分析。
文档编号G21C17/112GKCN103236277SQ201310157504
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月28日
发明者房超, 杨辰, 曹建主 申请人:清华大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan