CN102592689B - 复合材料加热块、其制造方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料加热块，其可在核能工程、热能工程和工程热物理等领域中用于临界热流密度（CHF）的精确测量或评估，尤其是用于热导率较低的材料的表面CHF的精确测量或评估。本发明还涉及该复合材料加热块的制造方法以及该复合材料加热块的应用。该复合材料加热块的特点是，制造方法简单，特别适合用于由热导率较低的材料（比如低合金钢）制成的表面CHF的精确测量或评估，热流密度耐受力高，可靠性好，并且容易操作和控制。

Description

复合材料加热块、其制造方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种复合材料加热块，其可在核能工程、热能工程和工程热物理等领域中用于临界热流密度（CHF）的精确测量或评估，尤其是用于热导率较低的材料的壁面CHF的精确测量或评估。本发明还涉及该复合材料加热块的制造方法以及该复合材料加热块的应用。

背景技术

在核电站设计中，核安全是需考虑的首要问题。尤其是1979年美国三哩岛核电厂事故、1986年前苏联切尔诺贝利核电厂事故和2011年日本福岛核电厂事故发生后，严重事故的预防和缓解成为核电站设计必须考虑的因素。严重事故通常指的是堆芯熔化事故。如何降低这种严重事故的发生频率，缓解严重事故的后果，提高核电站的安全水平，已成为各国核工业界和核安全监管当局关注的重点之一。

核电站发生严重事故时，堆芯由于失去冷却水将导致堆芯裸露并开始升温、过热，燃料元件由于冷却不足而发生熔化，最终堆芯熔融物落入压力容器下腔室，对压力容器的完整性构成威胁。一旦压力容器熔穿，熔融物流入堆腔室后，将可能发生堆外蒸汽爆炸、熔融物与混凝土反应等现象，致使安全壳内升温升压，对安全壳的完整性构成威胁。因此，如何对熔融物进行有效的冷却是严重事故缓解的关键。

为此，通过从压力容器外部对熔融物进行充分有效的冷却，将堆芯熔融物滞留在压力容器内的技术手段是保证压力容器完整性，进而防止多数可能威胁安全壳完整性的堆外现象发生的重要措施。作为缓解该严重事故的关键措施之一，熔融物堆内滞留（IVR）技术近年来在核工业界获得了实际应用，也逐步成为近年来标志性的严重事故缓解措施之一。

IVR是通过用水或者水溶液冷却压力容器外壁面而实现的。其中，压力容器外部冷却（ERVC）是实现IVR的重要内容之一。其原理是，利用重力引起的自然循环将水或水溶液等冷却工质注入到压力容器外壁面和压力容器保温层形成的流道，对压力容器下封头进行冷却。当压力容器下封头的热流密度小于压力容器外壁面对应位置的临界热流密度（CHF）时，就可保证压力容器得到充分冷却，达到保证压力容器完整性的目的。

合适的ERVC方案设计，能够确保压力容器外壁面得到足够的冷却，以保证容器内熔融物热负荷以合理可靠的方式排出，防止压力容器发生热熔穿。可以说，压力容器外壁面的CHF大小决定了ERVC的冷却能力限值，同时也决定了IVR的有效性，是IVR成功的关键之一。

但是，实际获得严重事故时压力容器外壁面的CHF是不可能的，因此必须引入模拟试验。为了设计合适的ERVC方案或研发合适的IVR技术，很多研究者不得不为此搭建试验台架，以试图模拟严重事故时压力容器外壁面的真实冷却工况，并测量或评估压力容器外壁面不同角度位置处的表面CHF，以试图获得严重事故时压力容器外壁面的真实表面CHF数据。

这类试验台架主要有两类。一类是二维切片全高度试验，其特点是全尺寸模拟决定自然循环能力的反应堆设计和堆腔淹没工况的高度，典型代表是服务于西屋AP600及AP1000的美国加州大学圣巴巴拉分校的ULPU系列试验台架。另一类是三维缩比试验，其特点是通过比例分析，对整个压力容器进行三维缩比，典型代表是服务于韩国APR1400的美国宾夕法尼亚州立大学的SBLB试验台架。

这类试验台架的基本原理如图1所示。在图1中，1代表加热块（相应于压力容器下封头），该加热块1的外壁面与侧壁板2一起限定了冷却工质3（比如水）的流动通道，4是用于加热加热块的电加热棒，5是热电偶或热电阻，其顶端从加热块块体一侧接近加热块1的外壁面（即与冷却工质3接触的一侧表面，以下有时称为加热壁面）。根据该图1，加热块1被电加热棒4加热（以模拟掉落的堆芯熔融物所产生的热量），热量被传导至加热块1的外壁面，并不断被冷却工质3带走，而热电偶或热电阻5则用于测量或评估加热块1外壁面此时的温度或热流密度。通过改变电加热棒4的数量或输出功率等，使传导至加热块1外壁面的热流密度不断增加。当该热流密度增加到足够高时，加热块1外壁面的冷却工质3全部汽化，导致该外壁面与水之间被气膜阻隔。由于气膜导热很差，因此该外壁面的温度突然上升，此时测得的热流密度即判定为CHF。当外壁面的热流密度达到CHF（或者称为沸腾危机）时，冷却工质3就失去了对该外壁面进行有效冷却的功能，此时应立即切断加热棒电源，否则加热块1内部不断蓄积的热量无法有效散失而温度升高较多，后果是，电加热棒4过热烧毁，试验无法继续进行。在实际反应堆的IVR过程中，如果压力容器下封头内熔池向壁面传递的热流密度大于压力容器外壁面对应位置的CHF，压力容器可能发生热熔穿。

在现有建成的试验台架中，加热块1是用一整块的紫铜（比如前述的ULPU系列试验台架）或者铝（比如前述的SBLB试验台架）制作的，因此加热壁面是紫铜或者铝，测得的是铜或者铝加热壁面的CHF值。但已知的是，实际的反应堆压力容器都是用低合金钢制作的，加热壁面为低合金钢材料。

发明内容

本发明的发明人通过研究发现，加热壁面或加热壁的材料种类和表面特性等对CHF的测量或评估有显著影响，当冷却工质为化学溶液，例如磷酸三钠溶液或硼酸溶液时，上述效应会更加明显。据此可以判断，采用紫铜或者铝加热块测得的紫铜或铝加热壁面的CHF值并不能真实地反映比如低合金钢制加热壁的CHF值。因此，对于实际的反应堆压力容器而言，现有建成的试验台架所测得的CHF值数据均无法反映真实情况的CHF值，存在改进的必要。

鉴于此，为了满足当今对ERVC方案或IVR技术越来越严格的审查和评价要求，迫切地需要开发一种可以精确地测量或评估实际冷却工况下，钢制压力容器下封头外壁面不同位置处的真实CHF值的技术。另外，在其他的一些领域，如热能工程、工程热物理领域等，有时也希望利用加热块来测量或评估由各种材料制成的容器外壁面的（表面）CHF值。

但是，在直接使用低合金钢来制造加热块时，在测量或评估中要求热流密度较高（比如2MW/m²以上，据估算在大功率反应堆中掉落的堆芯熔融物即可产生如此高的热流密度，而加热壁面的CHF值要高于这一数值才能保证压力容器下封头不被熔穿）的情况下，由于低合金钢的热导率较低（约40 W/(m·K)），而加热壁面的热流密度很大，往往会导致低合金钢加热块内部温度过高，结果会造成电加热棒、与加热块接触的密封材料等烧毁，最终测量或评估或模拟无法进行。另一方面，在直接使用低合金钢制造加热块时，由于低合金钢热导率较低，为了保证加热块内部的温度不至于过高而烧毁电加热棒，低合金钢加热壁面的最大热流密度通常只能达到约1.0MW/m²，而据估算大功率反应堆中压力容器下封头内的热流密度可高达1.6MW/m²，压力容器下封头外表面的CHF可达2.0WM/m²以上。因此用低合金钢制造加热块无法测得高热流密度条件下的CHF值。

因此，现有技术的现状是，在测量加热壁面的CHF时，目前还没有一种以低合金钢做为加热壁，加热壁面热流密度能够长时间地或常时保持较高的数值（比如大于2MW/m²以上）而不产生电加热棒烧毁等故障，且加热壁面热流分布控制方便的加热块。实际上，不仅是低合金钢，在模拟或测量或评估由热导率较低的材料构成的加热壁面的CHF值时，都存在这一需要解决的技术课题。

本发明人在现有技术的基础上经过刻苦的研究发现，通过使用一种特定的制造方法来制造加热块，就可以解决前述问题，并由此完成了本发明。

根据本发明，涉及如下方面的内容。

一种复合材料加热块的制造方法，其中所述复合材料加热块包括经由复合界面结合的由第一金属材料块A构成的层A和由第二金属材料块B构成的层B，

所述复合材料加热块的制造方法包括：

准备热导率大于200W/(m·K)的第一金属材料块A和热导率小于100W/(m·K)的第二金属材料块B的准备步骤，其中所述第一金属材料块A具有规定了该第一金属材料块A的厚度H1的第一主表面和第二主表面，所述第二金属材料块B具有规定了该第二金属材料块B的厚度H2的第三主表面和第四主表面；

将所述第一主表面和所述第二主表面中的一方与所述第三主表面和所述第四主表面中的一方利用爆炸焊接法冶金结合为一体，从而获得金属复合材料块的复合步骤，由此形成所述第一金属材料块A与所述第二金属材料块B的复合界面；和

按照以下方式（1）和/或（1'）与方式（2）和/或（2'）的组合，钻取至少一个孔A和至少一个孔B的钻孔步骤，其中所述孔A与所述孔B彼此完全独立，所述孔A的直径大于所述孔B的直径，并且所述孔A仅位于所述第一金属材料块A中，

（1）沿着与所述复合界面平行的方向，向所述第一金属材料块A的块体中钻至少一个孔A，

（1'）沿着与所述复合界面成夹角θ的方向，向所述第一金属材料块A的块体中钻至少一个孔A，其中0o＜θ≤90o，并且所述孔A的深度不及所述复合界面；

（2）沿着与所述复合界面平行的方向，向所述第一金属材料块A的块体和/或所述第二金属材料块B的块体中钻至少一个孔B，

（2'）沿着与所述复合界面成夹角θ'的方向，仅从所述第一金属材料块A一侧开始，向所述第一金属材料块A的块体中钻至少一个孔B，其中0o＜θ'≤90o，所述孔B为盲孔，并且所述孔B的深度选自：i）不及所述复合界面；ii）到达所述复合界面；和/或iii）穿越所述复合界面并进入所述第二金属材料块B的块体中。

前述任一方面的制造方法，其中所述第一金属材料块A由铜、铝、银、金、铜合金、铝合金、银合金和金合金中的任意一种制成，所述第二金属材料块B由铁、铁合金、钛、钛合金、锆、锆合金、镍、镍合金和钼合金中的任意一种制成。

前述任一方面的制造方法，其中所述第一金属材料块A由铜制成，所述第二金属材料块B由选自低合金钢的铁合金制成。

前述任一方面的制造方法，其中所述层A的厚度与所述层B的厚度之比为8~50:1。

前述任一方面的制造方法，其中所述孔A的直径为8~30mm。

前述任一方面的制造方法，其中所述孔B的直径为0.5mm~5.0mm。

前述任一方面的制造方法，其中所述层A的厚度与所述层B的厚度之和为40~150mm。

前述任一方面的制造方法，还包括在钻孔步骤之前或之后，对所述金属复合材料块施以选自切割加工和压机成型的至少一种机加工的机加工步骤。

一种复合材料加热块，是由前述任一方面的制造方法制造的。

前述任一方面的复合材料加热块，其加热壁面面积为0.015~5m²。

前述任一方面的复合材料加热块作为加热块在临界热流密度测量或评估中的应用，其中使用所述第三表面和所述第四表面中的另一方作为加热壁面（与冷却工质直接接触）。

一种临界热流密度的测量或评估方法，其包括以前述任一方面的复合材料加热块作为加热块，在所述孔A中设置电加热棒，在所述孔B中设置热电偶或热电阻，并使用所述第三表面和所述第四表面中的另一方作为加热壁面（与冷却工质直接接触）。

一种临界热流密度测量或评估装置，包括前述任一方面的复合材料加热块、容纳在所述孔A中的电加热棒、容纳在所述孔B中的热电偶或热电阻和流通冷却工质的流道，其中所述流道以所述第三表面和所述第四表面中的另一方为加热壁面的至少一部分（与冷却工质直接接触）。

前述任一方面的临界热流密度测量或评估装置，其是核电站熔融物堆内滞留中ERVC压力容器下封头外壁临界热流密度测量试验台架。

前述任一方面的临界热流密度测量或评估装置，其中第二金属材料块B为核反应堆压力容器钢，并且所述加热壁面的热流密度可以达到2.0MW/m²以上。

前述任一方面的临界热流密度测量或评估装置，其中第二金属材料块B为核反应堆压力容器钢，并且所述加热壁面常时保持热流密度为2.0MW/m²以上。

前述任一方面的制造方法、复合材料加热块、应用、临界热流密度的测量或评估方法，或者临界热流密度测量或评估装置，其中第二金属材料块B为核反应堆压力容器钢，并且所述加热块的加热壁面常时保持热流密度为2.0MW/m²以上。

发明效果

根据本发明，消除了直接使用低合金钢等热导率较低的材料来制造加热块时存在的前述问题，而且加热壁面热流密度控制准确方便，因此可以以简便而有效的方式获得由热导率较低的材料制成的加热壁面在真实冷却工况下的实际CHF值。

根据本发明，可以以简单而低廉的方法制造出热流密度耐受力高（比如2MW/m²以上，或者高达2.4MW/m²）、界面接触热阻小、界面热应力小、加热壁面积大、可靠性高、且使用和维护方便的复合材料加热块。该复合材料加热块特别适合用于精确地测量或评估或模拟由热导率较低的材料构成的加热壁面在真实冷却工况下的实际CHF。

根据本发明，在使用该复合材料加热块（比如以用于真实压力容器的低合金钢材料比如SA-508 Gr.3 Cl.1钢作为热导率相对较低的第二金属材料，并以其为加热壁面与冷却工质接触）来搭建试验台架时，可以真实地再现实际压力容器外壁面的CHF，由此为研发合适的ERVC方案或IVR技术提供相比现有技术而言更为准确和精确的试验数据支持，从而为确保核电站的安全性提供了更为可靠的保障，由此极大地提升我国在自主研发核电站方面的实力和能力。

附图说明

图1是加热壁面CHF测量或评估的原理图（剖面图）。

图2是根据实施例1制造的弧形复合材料加热块的示意图，其中图2（a）是该弧形复合材料加热块的立体图，图2（b）是其局部细节放大图。

图3是实施例1制造的弧形复合材料加热块的第8区的示意图，图3（a）为第8区加热块的侧面视图，图3（b）为第8区加热块的俯视图。

图4是现有技术试验台架总体构成的概略图，其上安装了本发明的复合材料加热块。

图5是实施例1制造的弧形复合材料加热块的第8区中，表示加热块的功率加载过程、壁面热流密度以及热电偶2测得的温度变化过程的曲线图。

图6是根据实施例2制造的半球形复合材料加热块的示意图，其中图6（a）是该半球形复合材料加热块的立体图，图6（b）是其局部细节放大图。

图7是根据本发明可以制造的管状复合材料加热块的示意图。

图8是现有技术涉及的试验台架的流道结构示意图。

图9是本发明涉及的试验台架的流道结构示意图。

具体实施方式

本说明书提到的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文献全都引于此供参考。除非另有定义，本说明书所用的所有技术和科学术语都具有本领域技术人员常规理解的含义。在有冲突的情况下，以本说明书的定义为准。

在本发明的上下文中，热导率相对较高或高热导率或其类似用语指的是热导率大于200W/(m·K)，而热导率相对较低或低热导率或其类似用语指的是热导率小于100W/(m·K)，其中该热导率是通过闪光法测定的。以下给出了一些金属或合金的热导率的例子。

热导率小于100 W/(m·K)的材料

金属名称	纯金属的热导率（W/(m·K)）	合金的热导率（W/(m·K)）	备注
				铁	80	不锈钢、碳钢、低合金钢<80
钛	22	<22
				锆	23	<23
镍	91	<91
				钼	138	<139	钼合金的热导率有时小于100
铂	72	<72
				钯	72	<72
钨	174	<174	钨合金的热导率有时小于100
				钽	58	<58
铌	54	<54
				铬	94	<94
锌	116	<116	锌合金的热导率有时小于100
				锡	67	<67
钌	117	<117	钌合金的热导率有时小于100

热导率大于200 W/(m·K)的材料

金属名称	纯金属的热导率（W/(m·K)）	合金的热导率（W/(m·K)）
			铜	400	80~400
铝	237	100~237
			金	317	<317
银	429	<429

 在本发明的上下文中，术语“块”、“块材”或其类似用语指的是至少具有规定了该块或块材的厚度（或壁厚）的两个主要表面（主表面）的成型体，或者是由连续的两个形状相同或形状基本相同的平面或开放曲面限定了其厚度或壁厚的成型体，比如可以举出板、片、膜、长方体和立方体（在这些情况下，两个主表面指的是由其长度和宽度限定的上下两个表面）、以及壳体（包括半球壳、球壳或碗状体等）、筒体（包括一端封闭的筒）和管材（在这些情况下，两个主表面分别指的是内壁面和外壁面）等，但并不限于此。显然的是，该术语不包括颗粒、粉末等无定形体以及纤维等明显不具有两个主表面的成型体。

当本说明书以词头“本领域技术人员公知”、“现有技术”或其同义词来导出材料、物质、方法、步骤、装置或部件等时，该词头导出的对象涵盖本申请提出时本领域常规使用的那些，但也包括目前还不常用，却将变成本领域公认为适用于类似目的的那些。

在本说明书的上下文中，除了明确说明的内容之外，未提到的任何事宜或事项均直接适用本领域已知的那些，而无需进行任何改变。而且，本文描述的任何实施方式均可以与本文描述的一种或多种其他实施方式自由结合，由此而形成的技术方案或技术思想均视为本发明原始公开或原始记载的一部分，而不应被视为是本文未曾披露或预期过的新内容，除非本领域技术人员认为该结合是明显不合理的。

最后，在没有明确指明的情况下，本说明书内所提到的所有百分数、份数和比率等都是以重量为基准的，除非以重量为基准时不符合本领域技术人员的常规认识。

如前所述，本发明涉及一种复合材料加热块的制造方法，其中所述复合材料加热块包括经由复合界面结合的由第一金属材料块A构成的层A和由第二金属材料块B构成的层B，

所述复合材料加热块的制造方法包括：

准备热导率大于200W/(m·K)的第一金属材料块A和热导率小于100W/(m·K)的第二金属材料块B的准备步骤，其中所述第一金属材料块A具有规定了该第一金属材料块A的厚度H1的第一主表面和第二主表面，所述第二金属材料块B具有规定了该第二金属材料块B的厚度H2的第三主表面和第四主表面；

将所述第一主表面和所述第二主表面中的一方与所述第三主表面和所述第四主表面中的一方利用爆炸焊接法冶金结合为一体，从而获得金属复合材料块的复合步骤，由此形成所述第一金属材料块A与所述第二金属材料块B的复合界面；和

按照以下方式（1）和/或（1'）与方式（2）和/或（2'）的组合，钻取至少一个孔A和至少一个孔B的钻孔步骤，其中所述孔A与所述孔B彼此完全独立，所述孔A的直径大于所述孔B的直径，并且所述孔A仅位于所述第一金属材料块A中，

（1）沿着与所述复合界面平行的方向，向所述第一金属材料块A的块体中钻至少一个孔A，

（1'）沿着与所述复合界面成夹角θ的方向，向所述第一金属材料块A的块体中钻至少一个孔A，其中0o＜θ≤90o，并且所述孔A的深度不及所述复合界面；

（2）沿着与所述复合界面平行的方向，向所述第一金属材料块A的块体和/或所述第二金属材料块B的块体中钻至少一个孔B，

（2'）沿着与所述复合界面成夹角θ'的方向，仅从所述第一金属材料块A一侧开始，向所述第一金属材料块A的块体中钻至少一个孔B，其中0o＜θ'≤90o，所述孔B为盲孔，并且所述孔B的深度选自：i）不及所述复合界面；ii）到达所述复合界面；和/或iii）穿越所述复合界面并进入所述第二金属材料块B的块体中。

根据本发明，作为所述第一金属材料块A，比如可以由热导率相对较高的铜（比如紫铜）、铝、银、金、铜合金、铝合金、银合金和金合金中的任意一种（热导率必须大于200W/(m·K)）制成，而作为所述第二金属材料块B，比如可以由热导率相对较低的铁、铁合金（尤其是低合金钢或碳钢）、钛、钛合金、锆、锆合金、镍、镍合金和钼合金中的任意一种（热导率必须小于100W/(m·K)）制成，但有时并不限于此。优选的是，所述第一金属材料块A由纯铜（比如牌号T2、TU2）制成，所述第二金属材料块B可以根据目标表面的材质进行适当选择，比如在用于模拟或测量或评估实际冷却工况的情况下，压力容器下封头外壁面不同位置处的（表面）CHF值时，优选由选自低合金钢或碳钢的铁合金制成。作为合适的低合金钢或碳钢，比如可以举出GB713-2008和GB3531-2008等中规定的钢牌号如16MnDR钢、15MnNiDR钢，或者Q235B钢、16MnR钢、20R钢等普通碳素钢，以及压力容器专用低合金钢如SA-508 Gr.3 Cl.1钢等。

根据本发明，对将作为本发明复合材料加热块的原材料的第一金属材料块A和第二金属材料块B的厚度没有限制，可以根据情况适当选择。一种情况是，可以预先准备任何厚度的第一金属材料块A和第二金属材料块B作为原材料，并且在复合材料加热块的制造过程中比如如下所述通过进行适当的机加工，使得在最终完成的复合材料加热块中，由所述第一金属材料块A构成的层A相对较厚，其厚度HA一般为40~150mm，而由所述第二金属材料块B构成的层B相对较薄，其厚度HB一般为2~10mm即可，但有时并不限于此。或者，优选的是，所述厚度HA与所述厚度HB的比例为8~50:1，优选20-40:1，而所述厚度HA与所述厚度HB之和一般为40~150mm，优选60-80mm。

从材料成本节省和简化制造工艺复杂度的角度来看，优选的是，在预先准备本发明复合材料加热块的原材料时，比如可以一开始就使得所述第一金属材料块A相对较厚，其厚度H1一般为40~150mm，而所述第二金属材料块B相对较薄，其厚度H2一般为2~10mm，但有时并不限于此。或者，优选的是，所述厚度H1与所述厚度H2的比例为8~50:1，优选20-40:1，而所述厚度H1与所述厚度H2之和一般为40~150mm，优选60-80mm。

在本发明的上下文中，为了简化说明起见，在没有特别说明的情况下，有时将前述的厚度HA和H1统称为H1，将前述的厚度HB和H2统称为H2，而不加以区别。

根据本发明，对最终制成的复合材料加热块的厚度没有特别的限定，这取决于第一金属材料块A和第二金属材料块B各自的初始厚度、复合材料加热块的制造条件以及目标测量或评估的要求等，一般比如可以设定为40~150mm，优选60-80mm。

根据本发明，所述层A和所述层B经由所述复合界面结合。为了确保测量或评估结果的精度和准确性和排除可能的干扰，所述复合材料加热块优选不包括除了所述层A和所述层B之外的其他层。在本发明中，为了简化说明和理解起见，不将所述复合界面处形成的混合层作为单独的层来看待，而是将所述复合界面视为没有厚度的明确的分界面。所述层A和所述层B各自的厚度即以该分界面为起点测得。

根据本发明，对所述第一金属材料块A和所述第二金属材料块B的各主表面的面积没有任何的限定，可以根据目标加热壁面积或爆炸焊接法的工艺要求等进行选择。比如，优选如下所述，使得最终获得的复合材料加热块的加热壁面积为0.015~5m²。

根据本发明，利用爆炸焊接法，使所述第一主表面和所述第二主表面中的一方（以下有时称为焊接面A）与所述第三主表面和所述第四主表面中的一方（以下有时称为焊接面B）冶金结合为一体，从而获得金属复合材料块。此时，所述第一主表面和所述第二主表面中的另一方（以下有时称为非焊接面A）以及所述第三主表面和所述第四主表面中的另一方（以下有时称为非焊接面B）则形成所述金属复合材料块（或者最终的本发明复合材料加热块）的上下两个表面或内外两个壁面。而且，通过所述爆炸焊接法，在所述第一金属材料块A与所述第二金属材料块B之间形成复合界面。

在所述获得的金属复合材料块中，所述第一金属材料块A即构成层A，所述第二金属材料块B即构成层B。

根据本发明优选的方案，为了便于爆炸焊接法的实施和简化后续加工，所述焊接面A和所述焊接面B优选大小和形状（基本上）彼此吻合。

爆炸焊接法是利用炸药爆炸产生的冲击力造成工件迅速碰撞、界面处产生的局部形变与熔合实现的固态焊接，复合界面处两种原子处于冶金结合状态，所以复合界面处接触热阻非常小，比如紫铜/碳钢的界面接触热阻低达2~5×10^-6m²·K/W，相当于1~2mm厚的紫铜的热阻，几乎到了可以忽略不计的程度，而且复合界面结合强度高，消除了加热块使用过程中热应力引起的开裂现象。关于爆炸焊接法的具体内容，比如可以参见《爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用》，郑远谋著，中南大学出版社，2002年4月出版（参考文献1）。本说明书在此就该参考文献1的全文参考引用，作为本说明书的一部分。

根据本发明，可以直接适用这类已知的爆炸焊接法来使所述焊接面A和所述焊接面B冶金结合为一体，而没有任何特别的限定。虽然如此，为了尽可能减小复合界面的界面热阻，根据本发明的一个实施方式，在进行爆炸焊接之前，预先使所述焊接面A和所述焊接面B的至少之一的表面粗糙度Ra达到小于6.0 μm。在进行爆炸焊接时，可以设定所述焊接面A（比如使该面朝上）和所述焊接面B（比如使该面朝下）之间的间隔为13~16mm，并且使爆速稳定在2300-2600m/s之间。此外，为了确保测量或评估结果的精度和准确性和排除可能的干扰，根据本发明另一个实施方式，所获得的复合界面的界面结合率（基于JB4730-2005）优选大于99%，比如为99.5%或以上。

根据爆炸焊接法，复合界面的结合强度高、抗热循环疲劳性能好。因此，前述复合步骤中获得的金属复合材料块可以充分耐受后续的加工处理（比如后述的钻孔步骤和机加工步骤等）而不改变界面结合状态。鉴于此，根据本发明，可以通过进一步的机加工等将所述金属复合材料块制造成各种形状和结构简单或复杂的复合材料加热块（异型加热块），真实而准确地再现待（模拟）测量或评估对象的表面形状，由此可以精确地获得该测量或评估对象的真实表面CHF数值。而且，这种良好的界面结合状态使得本发明最终制造的复合材料加热块可以耐受测量或评估过程中的极端热应力或外力冲击而不发生故障（比如界面分层或开裂），显著提高了加热块的可靠性，由此显著地降低了测量或评估结果出现较大误差或差错的风险。 

根据本发明，因为（1）复合界面的接触热阻（比如低达2~5×10^-6m²·K/W）非常小，几乎到了可以忽略不计的程度，（2）由第一金属材料块A构成的层A即使具有较大的厚度，但其具有较高的热导率，可以迅速传导所接受的热量，（3）由第二金属材料块B构成的层B虽然具有较低的热导率，但其厚度较薄，也可以迅速导出所接受的热量，所以，电加热棒所产生的热量可以被有效而迅速地传递到层B的外侧表面（与冷却工质接触一侧的表面，比如前述的非焊接面B，也即是加热壁面），并迅速被冷却工质带走。结果是，本发明的复合材料加热块具有极高的热流密度耐受力，并且能够测量或评估高达2MW/m²以上（比如高达2.4MW/m²）的表面热流密度而不会出现热传导故障（比如直接以低合金钢制造加热块时所产生的那种加热块烧毁故障）。至此，通过组合厚度较大的高热导率材料层和厚度较小的低热导率材料层，并通过显著降低其复合界面热阻，同时保证界面结合强度，本发明获得了使用性和可靠性可以与现有技术加热块（由整块的铜或铝制成）媲美的复合材料加热块，同时解决了这类现有技术加热块存在的无法真实再现或精确测量或评估低热导率材料加热壁面CHF值的问题。

根据本发明，如下所述，所述复合材料加热块在使用过程中，使热导率较大的一侧（层A）与高温的热源（比如在孔A中安装的电加热棒）接触，而使热导率较小的一侧（层B）与低温的冷却工质接触。因此，两层在该使用过程中的温度是不同的，比如层B的加热壁面温度为130℃，而层A此时的最高温度有时可达600℃，二者的温差可高达450℃以上。已知的是，构成两层的各自金属的热膨胀系数通常有一定的差异。以紫铜/碳钢复合材料加热块为例，碳钢层的热膨胀系数为1.3×10^-5m/K，而紫铜层的热膨胀系数为1.7×10^-5m/K。因此，如此高的温差必然会在两层的复合界面处产生热应力。如果所述热应力（特别是剪切应力）过大，复合界面就会在使用过程中开裂而导致复合材料加热块失效。另外，由于层A比层B要厚得多，这更增大了两层因热膨胀系数不同而导致复合界面开裂的风险。鉴于此，如何使复合界面处的热应力尽可能降低是复合材料加热块能否成功制造的关键。

虽然如此，本发明人经过各种尝试和研究并最终发现，通过利用前述的爆炸焊接法来形成所述复合界面，可以将加热块使用过程中该复合界面处的剪切热应力降至最低（比如仅有几个MPa至十几个MPa），并由此在本领域第一次成功地制造出了复合界面处的热应力满足使用要求的复合材料加热块。

根据本发明，可以通过测试如前所述制造的金属复合材料块的抗热循环疲劳性能是否合格来判断该热应力是否满足使用要求。

根据本发明，通过前述的爆炸焊接法（或者根据需要进一步辅以爆炸焊接法中常用的其他处理步骤，比如前述的参考文献1中详细说明的退火处理等），可以使得所述复合步骤中获得的金属复合材料块具有适当（合格）的抗热循环疲劳性能。这种金属复合材料块适合用来制造本发明的复合材料加热块。该抗热循环疲劳性能比如可以按照如下方法测定。

从所获得的金属复合材料块上，沿着与其厚度垂直的方向切割，获得层B的外表面积（即非焊接面B的表面积）为200mm×50mm的样品。将该样品放置在600℃的马弗炉中保温30min，然后将该样品取出，在室温（25℃）的水中淬火。淬火时，只有层B的外表面接触水。将此加热-淬火步骤总共重复6次后，该金属复合材料块的复合界面处无开裂现象即判定为抗热循环疲劳性能合格。

已知的是，爆炸焊接法可以实现大面积的焊接，并且界面结合率大（大于99%）。因此，通过使用爆炸焊接法来制造本发明的复合材料加热块，可以获得加热壁面积可以为任意数值范围（比如0.015~5m²或更大）的加热块，从而适应不同的测量或评估用途或要求。

根据本发明，按照以下方式（1）和/或（1'）与方式（2）和/或（2'）的组合（即，方式（1）与方式（2）的组合、方式（1）与方式（2'）的组合、方式（1）与方式（2）和（2'）的组合、方式（1'）与方式（2）的组合、方式（1'）与方式（2'）的组合、方式（1'）与方式（2）和（2'）的组合、方式（1）和（1'）与方式（2）的组合、方式（1）和（1'）与方式（2'）的组合、方式（1）和（1'）与方式（2）和（2'）的组合等，不一一列举），在所获得的金属复合材料块上钻取至少一个孔A和至少一个孔B（钻孔步骤），其中所述孔A与所述孔B彼此完全独立（即所述孔A与所述孔B不存在交叠和连通等），所述孔A的直径大于所述孔B的直径，并且所述孔A仅位于所述第一金属材料块A（相应于最终的层A）中（即所述孔A的深度不及所述复合界面，并且所述孔A不以任何方式处于所述第二金属材料块B或最终的层B中），（1）沿着与所述复合界面平行的方向，向所述第一金属材料块A的块体（比如侧壁）中钻至少一个孔A（可以是通孔或盲孔，优选盲孔），（1'）沿着与所述复合界面成夹角θ的方向，仅从所述第一金属材料块A一侧开始（优选从所述非焊接面A一侧开始），向所述第一金属材料块A的块体中钻至少一个孔A，其中0o＜θ≤90o（优选0o左右），并且所述孔A的深度必须不及所述复合界面（盲孔）；（2）沿着与所述复合界面平行的方向，向所述第一金属材料块A的块体（比如侧壁）和/或所述第二金属材料块B的块体（比如侧壁）中（优选仅向所述第一金属材料块A的块体比如侧壁中）钻至少一个孔B（可以是通孔或盲孔，优选盲孔），（2'）沿着与所述复合界面成夹角θ'的方向，仅从所述第一金属材料块A一侧开始（优选从所述非焊接面A一侧开始），向所述第一金属材料块A的块体中钻至少一个孔B，其中0o＜θ'≤90o（优选0o左右），所述孔B为盲孔，并且所述孔B的深度选自：i）不及所述复合界面（此情况最优选）；ii）到达所述复合界面；和/或iii）穿越所述复合界面并进入所述第二金属材料块B的块体中。至此，根据本发明，在所述第二金属材料块B或层B的外侧表面（比如前述的非焊接面B）上，没有任何的孔在此开放或开口，以确保其发挥加热壁面的功能。

根据本发明，优选的是，所述孔A和所述孔B均完整地处于所述第一金属材料块A或层A中，不触及或不处于所述复合界面或者所述第二金属材料块B或层B中。即，所述钻孔步骤优选仅在所述第一金属材料块A中（仅针对所述第一金属材料块A）进行。此时，所述孔A和所述孔B在所述非焊接面A的表面上和/或所述第一金属材料块A（或层A）的侧壁上开口或开放。

根据本发明，在进行临界热流密度测量或评估时，在所述孔A中设置电加热棒，在所述孔B中设置热电偶或热电阻，并以所述非焊接面B作为与冷却工质直接接触一侧的表面（加热壁面）。一般而言，所述孔A和孔B可以按照常规方式获得（钻孔），并且其尺寸、数量和布局等也可以根据实际测量或评估需要适当设定，没有特别的限定，并且可以直接适用本领域中与现有技术加热块相关的那些技术和参数等。举例而言，所述孔A的直径一般为8~30mm；在存在多个孔A时，相邻两个孔A之间的中心距一般为2~30mm，但有时并不限于此。所述孔B的直径一般为0.5mm~5.0mm。

根据本发明，通过根据现有技术已知的任何方式设定所述孔A的数量和布局以及所述电加热棒的加热功率等，可以在本发明的复合材料加热块上实现2MW/m²以上的总热流密度，而不导致该复合材料加热块发生故障或问题，而且由于采用电加热棒加热，加热壁面热流密度分布控制方便、准确。现有技术从未在低热导率材料加热壁面上成功地测量或评估过如此高的热流密度。

根据本发明，根据需要，任选在所述钻孔步骤之前，对所述金属复合材料块施以选自切割加工和压机成型的至少一种机加工处理（机加工步骤），由此获得的块体也称为金属复合材料块。通过所述切割加工（比如裁剪、切削等），比如可以将所述金属复合材料块加工成特定的目标尺寸或形状等。另外，通过所述压机成型加工（冲压、拉拔、弯折等），可以将所述金属复合材料块加工成更为复杂的目标形状或结构等。另外，也可以通过该机加工步骤对所述第一金属材料块A或层A和/或所述第二金属材料块B或层B进行适当的厚度减薄处理（比如磨削或切割），以使其满足最终获得的复合材料加热块中的相应厚度要求。在本发明的上下文中，机加工处理（比如厚度减薄）后的非焊接面A（或者第一金属材料块A或层A）和非焊接面B（或者第二金属材料块B或层B）依然被称为非焊接面A（或者第一金属材料块A或层A）和非焊接面B（或者第二金属材料块B或层B），而不加以区分。显然的是，所述机加工处理必须维持所述金属复合材料块的复合状态，以确保其制造加热块的预期功用。即，该机加工处理不得导致所述复合界面破坏（比如分层、断裂等），或者导致所述复合界面暴露至表面。

根据本发明，所述机加工步骤也可以在所述钻孔步骤之后进行。显然，此时除了满足前述的所有要求以外，该机加工处理还必须不得破坏各孔的既有形状和尺寸等几何构造。

机加工可以按照常规的方式进行，在此不再赘述。

至此，通过前述的制造方法，获得了本发明的复合材料加热块。根据本发明，所述复合材料加热块的加热壁面面积可以为0.015~5m²，优选0.09~0.60m²，但有时可以更高。所谓复合材料加热块的加热壁面面积，指的是本发明最终所获得的复合材料加热块上所述非焊接面B 的表面积。实际上，现有技术中从未就低热导率材料实现过如此之大的加热壁面面积。

本发明还涉及该复合材料加热块作为加热块在临界热流密度测量或评估中的应用以及临界热流密度的测量或评估方法，该方法包括以本发明的复合材料加热块作为加热块，在所述孔A中设置电加热棒，在所述孔B中设置热电偶或热电阻，并使所述第三表面和所述第四表面中的另一方（非焊接面B）与冷却工质直接接触，即以非焊接面B为加热壁面。

根据本发明，还涉及一种临界热流密度测量或评估装置，该装置包括本发明的复合材料加热块、容纳在所述孔A中的电加热棒、容纳在所述孔B中的热电偶或热电阻以及流通冷却工质的流道，其中所述流道以所述第三表面和所述第四表面中的另一方（非焊接面B）为与冷却工质接触一侧的表面的至少一部分。根据测量或评估装置具体结构的不同，该非焊接面B的整个表面或其一部分被用于向冷却工质提供热量。

根据本发明，所述临界热流密度测量或评估装置比如是核电站熔融物堆内滞留（IVR）工程验证试验中ERVC压力容器下封头外壁临界热流密度测量用试验台架。在一个优选的实施方式中，本发明的试验台架可以实现高达2MW/m²以上（比如高达2.4MW/m²）的热流密度，由此可以测到高达2.4MW/m²的临界热流密度，从而保证了在各种试验工况下（比如冷却工质添加磷酸三钠、硼酸或者纳米粒子、改进流道形状和出水口设计等）都能够达到沸腾危机，从而测到CHF数值，为研发合适的ERVC方案或IVR技术提供真实而准确的试验数据支持。

图8是现有技术的熔融物堆内滞留（IVR）工程验证试验中ERVC压力容器下封头外壁临界热流密度测量试验台架（比如ULPU试验台架）的流道结构示意图。其中，符号1代表紫铜加热块，2代表橡胶垫，用于密封流道，并使加热块和流道侧壁板之间绝热，3代表流道，其中充满并流通冷却工质（比如水），4代表不锈钢或低合金钢流道侧壁板。

图9是本发明试验台架的流道结构示意图。其中，符号1代表本发明的复合材料加热块（图中上表面为非焊接面A，下表面为非焊接面B，二者之间的实线代表复合界面），2代表橡胶垫，用于密封流道，并使加热块和流道侧壁板之间绝热，3代表流道，其中充满并流通冷却工质（比如水），4代表不锈钢或低合金钢流道侧壁板。

通过对比图8和图9可见，本发明的熔融物堆内滞留（IVR）中ERVC压力容器下封头外壁临界热流密度测量试验台架可以直接适用现有技术的相应试验台架，只是将现有技术的加热块直接替换为本发明的复合材料加热块并使得非焊接面B位于流道一侧即可（即，使该非焊接面B成为与冷却工质接触一侧的表面的至少一部分，即加热壁面）。

根据本发明，通过使所述流道以所述非焊接面B（由低热导率材料构成的表面，用作加热壁面）为与冷却工质接触一侧的表面的至少一部分（如图9所示，使该非焊接面B与所述冷却工质直接接触，即非焊接面B为加热壁面），即使由低热导率材料构成的加热壁面的CHF值很高（比如2MW/m²以上，比如高达2.4MW/m²），也可以达到沸腾危机。而且，加热块采用电加热棒加热，单根加热棒或者加热棒组的加热功率可以根据需要随意调节，因此可以方便、准确地控制加热壁面（即非焊接面B）热流密度的大小和分布，从而可以获得精确的CHF值。鉴于此，采用以真实压力容器材料（例如SA-508 Gr.3 Cl.1钢）为复合材料加热块的加热壁面（其非焊接面B为加热壁面或加热壁）时，可以获得真实核反应堆压力容器外壁面的CHF值，为研发合适的ERVC方案或IVR技术提供更为准确的试验数据支持。

特别地，根据本发明的复合材料加热块的加热壁面可以常时保持（或耐受）热流密度为2.0MW/m²以上（比如高达2.4MW/m²以上），或者所述加热壁面的热流密度可以达到2.0MW/m²以上。这里所谓的“常时保持（或耐受）热流密度为2.0MW/m²以上”或者“可以达到2.0MW/m²以上”或者其类似用语可以理解为，在一定时间内连续保持热流密度为2.0MW/m²以上而维持测量或评估的可靠性，不出现加热块烧毁、界面分层或开裂等故障（加热块工作正常），比如连续5分钟以上、优选连续10分钟以上、优选连续20分钟以上、优选连续30分钟以上、优选连续40分钟以上、优选连续50分钟以上、优选连续55分钟以上、优选连续1小时以上、优选连续1.5小时以上、优选连续3小时以上、优选连续4小时以上、优选连续5小时以上、优选连续8小时以上、优选连续10小时以上、优选连续12小时以上或更高，但有时并不限于此；或者可以理解为，在所述2.0MW/m²以上的热流密度下（以其为最高热流密度）重复使用（循环使用）一定次数（循环次数）而维持测量或评估的可靠性，不出现加热块烧毁、界面分层或开裂等故障（加热块工作正常）。该循环次数比如为10次以上、优选20次以上、优选40次以上、优选50次以上、优选100次以上、优选200次以上、优选300次以上、优选400次以上、优选500次以上、优选800次以上、优选1000次以上或更高，但有时并不限于此。

根据本发明，所述循环次数按照如下方式测量。

向复合材料加热块供应热量，使其加热壁面的热流密度达到规定（最高）热流密度，在该规定热流密度下保持20分钟，然后停止热量供应，使该复合材料加热块在流道内冷却工质的作用下冷却至40℃。按照同样的方式重复实施此加热-冷却步骤。每重复一次即计为一次循环。

实施例

以下采用实施例进一步详细地说明本发明，但本发明并不限于这些实施例。

在以下实施例中，作为举例，以钢板作为所述第二金属材料块B，以铜板作为所述第一金属材料块A，但本发明并不限于此。

在实施例中，抗热循环疲劳性能按照如下方法测定。

从所获得的复合板上，沿着与其厚度垂直的方向切割，获得面积为200mm×50mm的长方形样品。将该样品放置在600℃的马弗炉中保温30min，然后将该样品取出，在室温（25℃）的水中淬火。淬火时，只使钢板层的表面接触水。将此加热-淬火步骤总共重复6次后，该复合板的复合界面处无开裂现象即判定为抗热循环疲劳性能合格。

在实施例中，复合材料加热块的循环次数按照如下方式测量。

向复合材料加热块供应热量，使其加热壁面的热流密度达到规定（最高）热流密度，在该规定热流密度下保持20分钟，然后停止热量供应，使该复合材料加热块在流道内冷却工质的作用下冷却至40℃。按照同样的方式重复实施此加热-冷却步骤。每重复一次即计为一次循环。

实施例1

1 准备步骤

铜板：为符合GB/T14594-2005规定的 TU2无氧铜（热导率为390W/(m·K)，采用闪光法测量）。长度2000mm，宽度600mm，厚度60mm。

钢板：为反应堆压力容器钢（SA-508 Gr.3 Cl.1）。长度2100mm，宽度700mm，厚度6mm。

2 复合步骤

利用爆炸焊接法将所述钢板和所述铜板面对面焊接在一起，获得由钢板层和铜板层构成的复合板。该复合板在按照JB4730-2005标准，采用超声波探伤仪进行探伤（扫查方式采用100%扫查）时，界面结合率达到99.5%，并且抗热循环疲劳性能经测试后显示合格。

3 机加工步骤

从该复合板上切下长度1000mm，宽度110mm的坯料。采用冲压法将该坯料加工成半径600mm，宽度100mm，厚度约65mm的1/4圆弧形毛坯。接着，将该毛坯在退火温度300℃下保温6h。随炉冷却后，采用线切割法将该毛坯的钢板层减薄至2.5mm，然后用砂纸打磨钢板层的外表面，使其表面粗糙度达到Ra 6.3 μm（与真实反应堆压力容器外表面的粗糙度一致）。接着，采用线切割法将该毛坯的宽度加工至100mm。然后，采用线切割法将该毛坯的铜板层的厚度减薄为57mm。

接着，通过进一步的机加工，使得最终所获得的复合材料块（或复合材料加热块）的总体结构如图2（a）所示，在弧长方向分为8区。在图2（a）中，最下为第1区，顺次编号，最上为第8区。其中，第1区的材料块对应的圆心角为16.5°，其他各区对应的圆心角为10.5°。为了降低区间传热，每一区之间采用线切割法加工出宽度5mm，深度47mm的绝热槽（共7条），该槽的底部距离复合界面（即图2（a）中用3指示的实线）约10mm。

在图2（a）中，复合材料块的上表面为铜板层表面（较厚），下表面为钢板层表面（较薄），中间的分隔线（用3箭头指示的实线）代表复合界面。

4 钻孔步骤

按照图2（a）所示的数量和布局（但本发明并不限于此），在复合材料块中铜板层的侧壁上沿与复合界面平行的方向钻总共175个直径为9.22mm的通孔（9.22±0.01mm），作为用于容纳电加热棒的孔（孔A，图2（a）中用1箭头指示）。其中，在第2至第8区中，第1排（指的是图2（a）中最靠近下表面的那一排）的孔中心距离复合界面约11.61mm，第2排的孔中心距离复合界面约24.61mm，而第3排的孔中心距离复合界面约37.61mm。在第1区中，第1排的孔中心距离复合界面约11.61mm，第2排的孔中心距离复合界面约24.61mm。每排中各孔之间的间隔以在各排中均匀分布即可。

采用电火花打孔法或钻孔法在复合材料块中铜板层的侧壁上加工出孔直径为1.0±0.05mm的热电偶孔（即孔B，在图2（a）和图2（b）中用2箭头指示），共计72个。

图3以第8区为例，举例说明了热电偶孔的布局，其他区与此类似，但本发明并不限于此。

图3中，图3（a）为第8区加热块的侧面视图（示意图），图3（b）为第8区加热块的俯视图（示意图）。图3（a）中，加热块上表面为铜板层表面，下表面为钢板层表面，中间的分隔线（用7箭头指示的实线）代表复合界面，6代表孔A或电加热棒孔。根据图3，将用于容纳用来监测加热块的下表面（加热壁面）温度的热电偶的热电偶孔编号为1、2和3（如图3（a）中箭头指示），在加热块的左右两侧各一个，即1L、1R、2L、2R、3L、3R（具体如图3（b）中所标示）。其中1、3号热电偶孔的中心距绝热槽边缘的弧线距离为10mm，2号热电偶孔位于第8区中央。1、2和3号热电偶孔的深度均为33mm，并且各自中心到复合界面的径向距离均为1.5mm。4号热电偶孔（如图3（b）中所示，左右侧面各一个，即4L、4R）与2号热电偶孔处在圆弧的同一条半径（第8区中央）上，深度为33mm，但4号热电偶孔位于2号热电偶孔的内侧，二者之间的径向距离为6.5mm。4号热电偶孔用于容纳检测加热块温度的热电偶。根据2号和4号热电偶孔中热电偶的温度值、两者之间的距离以及铜的热导率，通过傅里叶导热定律，就可以算出加热壁面中心附近的热流密度。

5号热电偶孔（图3（a）和3（b）中用5箭头指示）布置在第8区上表面的表面中心，深度10mm，容纳用于检测加热块内部最高温度的热电偶。

至此，获得了实施例1的复合材料加热块，其总加热壁面积约为94200mm²。

5 壁面CHF测量步骤

将前述获得的复合材料加热块直接安装在图4所简要示出的现有技术试验台架上。根据该图4的简略构成，该试验台架主要包括由复合材料加热块1（使钢板层表面朝向流道2一侧，即钢板为加热壁面）和流道侧壁板3构成的流道2（该流道2的更详细结构也可参见图9）、换热器4、流量计5和预热水箱6等。其中，预热水箱6内置有加热器（未示出），用以控制流道2入口处冷却工质（包括去离子水、自来水、磷酸三钠溶液、硼酸溶液、磷酸三钠和硼酸混合溶液等）的温度。在本测量过程中，加热壁面外的冷却工质被加热而产生蒸汽，在流道2中形成气液两相流，最终在图4中用粗和细两种箭头指示的回路中建立两相自然循环。在流道2中，用粗箭头标示出了冷却工质的流动方向。

测量开始前，在电加热棒孔中安装相应数量的Watlow公司制造的铠装电加热棒（单根表面最大热流密度为42 W/cm²，最大输出功率为1144W，设计耐受最高温度为700℃，在600℃及以下温度可以长期安全地工作），并且在热电偶孔中安装相应数量的铠装热电偶（K分度）。其中，每一区的电加热棒成为一组，并且各区的电加热棒组是可以独立控制的。为了更为精确地控制加热壁面热流密度的大小和分布，优选每一区的加热棒也可以再分为几组，每一组的加热棒功率独立控制。

测量开始前，回路中充满去离子水，并调节预热水箱6中的加热器，使水箱中冷却工质的温度保持在85℃。测量开始后，通过独立地调节每一区的电加热棒组的输出功率，为第1~8区的加热块分别施加2.5, 2.6, 4.1, 6.7, 8.7, 10.3, 12.1, 12.3 KW的总功率。根据公式“壁面热流密度=电加热棒组的总功率/加热块的加热壁面面积”，计算出各区加热块加热壁面热流密度分别为0.2, 0.25, 0.40, 0.65, 0.85, 1.0, 1.18, 1.2 MW/m²。此时，回路中形成两相自然循环。

接着，保持1~7区加热块的壁面热流密度不变，逐渐增大第8区加热块中电加热棒的输出功率，同时密切监测1, 2, 3号热电偶的实时温度变化。第8区加热块的功率加载过程、壁面热流密度以及热电偶2的温度变化过程如图5所示，其中壁面热流密度根据前述公式“壁面热流密度=电加热棒组的总功率/加热块的加热壁面面积”计算得出。在热电偶2的温度出现飞升（比如每秒温度增幅超过5℃，见图5(c)）时，即判定此时的壁面热流密度为CHF值，并立即切断电源。

根据实施例1，第8区加热块测得的CHF值为1.8MW/m²（见图5(b)）。

实施例1（a）

通过改变实施例1的测量条件，比如以磷酸三钠溶液或者Al₂O₃纳米流体作为冷却工质，回路中采用强迫循环、增大流速、减小流道2的入口过冷度等，同时增加电加热棒的输出功率，可以使得第8区加热壁面的热流密度达到2.0MW/m²而不出现沸腾危机。此时，加热块内部测得的最高温度（5号热电偶测得）约为510℃，没有超过电加热棒的设计耐受最高温度。连续保持该热流密度5小时，或者在该热流密度下循环使用100次，加热块依然工作正常。进一步地，当该区加热块加热壁面的热流密度达到2.4MW/m²时（不出现沸腾危机），加热块内部测得的最高温度约为585℃，也没有超过电加热棒的设计耐受最高温度。连续保持该热流密度5小时，或者在该热流密度下循环使用100次，加热块依然工作正常。

由此可见，本发明的复合材料加热块可以长期或频繁地耐受2.0MW/m²以上（比如高达2.4MW/m²）的壁面热流密度而不致故障。

比较例1

在实施例1中，除了不使用钢板，并省略复合步骤以外，以所述铜板代替所述复合板，与实施例1同样地进行所述3.机加工步骤和所述4.钻孔步骤，并且将各步骤中涉及的所有原本以复合界面为基准的尺寸数据加2.5mm后换算为以下表面为基准的尺寸数据，制造出几何形状和几何参数（比如总体形状和尺寸、各区构成和尺寸、电加热棒孔和热电偶孔的尺寸、数量和布局等）均与实施例1基本上完全相同的加热块，其总加热壁面面积同样约为94200mm²。

比较例1制造的加热块由一整块铜构成，上表面为铜，下表面也为铜，二者之间不存在复合界面，加热壁面为紫铜，这相应于现有技术的加热块。

接着，与实施例1同样地进行5.壁面CHF测量步骤，测定该加热块第8区的壁面CHF值。根据比较例1，第8区加热块测得的CHF值为1.6MW/m²。根据前述实施例1，第8区加热块测得的CHF值为1.8MW/m²。

实施例1与比较例1的测量结果的对比表明，在其他条件完全相同的情况下，在不同材质的加热壁面上测得的CHF数据是不同的。由于实施例1制造的复合材料加热块具有与实际压力容器完全相同的低合金钢加热壁面，因此与比较例1制造的现有技术加热块相比，前者获得的CHF数据更准确、更能反映实际情况。

实施例2

1 准备步骤

铜板：为符合GB/T14594-2005规定的 TU2无氧铜（热导率为390W/(m·K)，采用闪光法测量）。长度2200mm，宽度2200mm，厚度60mm。

钢板：为反应堆压力容器钢（SA-508 Gr.3 Cl.1）。长度2200mm，宽度2200mm，厚度6mm。

2 复合步骤

利用爆炸焊接法将所述钢板和所述铜板面对面焊接在一起，获得由钢板层和铜板层构成的复合板。该复合板在按照JB4730-2005标准，采用超声波探伤仪进行探伤（扫查方式采用100%扫查）时，界面结合率达到99.5%，并且抗热循环疲劳性能经测试后显示合格。

3 机加工步骤

从该复合板上切下直径2000mm的圆形坯料。采用低速热冲压法，在使钢板层成为外表面，使铜板层成为内表面的情况下，将该圆形坯料加工成外半径600mm，厚度约65mm的半球形封头。接着，将该半球形封头在退火温度300℃下保温6h。随炉冷却后，将其钢板层的厚度均匀减薄至2.5mm。用砂纸打磨该钢板层表面，使其粗糙度为Ra 6.3 μm（与真实反应堆压力容器外表面的粗糙度一致）。接着，将其铜板层的厚度均匀减薄至55mm，同时确保封头的内表面为规则的半球面。

如此获得的复合材料块（半球形封头）如图6所示意。在图6(a)中，封头的内表面为铜板层表面（较厚），外表面为钢板层表面（较薄），即加热壁面，中间的分隔线（在图6（a）和图6（b）中，用3箭头指示的实线）代表复合界面。另外，图6（b）是图6(a)的局部细节放大图。

4 钻孔步骤

如图6(a)所示，将该封头沿半球母线方向分为9层，每一层对应的圆心角为10°。并且，按照图6(a)所示的数量和布局（但本发明并不限于此），在该封头内表面沿半球半径方向钻直径9.22±0.01mm，深50mm的盲孔（即孔A，在图6（a）和图6（b）中，用1箭头指示）。整个封头内表面共计加工出大约8500个电加热棒孔。

另外，按图6(a)所示的数量和布局，在每层加热块的中间两排孔中，每隔5~6个电加热棒孔布置一个直径4mm的小孔（即孔B，在图6（a）和图6（b）中，用2箭头指示），以放入用来检测加热块加热壁面温度的热电偶。这些热电偶孔深53mm，孔底部距复合界面约2mm。整个封头内表面共计布置大约300个这类热电偶孔。另外，根据实际测量需要，还可以在整个封头的内表面均匀布置一些（比如20个）直径1mm，深度3mm的热电偶孔，用于放置检测加热块内部最高温度的热电偶。

至此，获得了实施例2的复合材料加热块，其总加热壁面面积约为2.261×10⁶ mm²。通过使用该复合材料加热块来建造试验台架，可以更为精确地测量或模拟真实反应堆压力容器钢制外壁的CHF值，由此为研发合适的ERVC方案或IVR技术提供更为准确和精确的CHF数据支持，这是本发明的一大特点。

同样地，本发明还可以利用常规的制造方法制造出具有图7所示特定形状和构造的管状复合材料加热块，以适合特定的测量或评估用途。在图7中，1箭头指示孔A，2箭头指示孔B，3箭头指示复合界面。

除了前述特定的核能工程应用外，本发明的复合材料加热块还可以在热能工程和工程热物理等领域中用于临界热流密度（CHF）的精确测量或评估，尤其是用于热导率较低的材料的壁面CHF值的精确测量或评估，特别是当壁面CHF值较大时，复合材料加热块能够达到沸腾危机而不烧毁加热棒。

以上虽然已结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的说明，但是需要指出的是，本发明的保护范围并不受这些具体实施方式的限制，而是由附录的权利要求书来确定。本领域技术人员可在不脱离本发明的技术思想和主旨的范围内对这些实施方式进行适当的变更，而这些变更后的实施方式显然也包括在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种复合材料加热块的制造方法，其中所述复合材料加热块包括经由复合界面结合的由第一金属材料块A构成的层A和由第二金属材料块B构成的层B，

所述复合材料加热块的制造方法包括：

准备热导率大于200W/(m·K)的第一金属材料块A和热导率小于100W/(m·K)的第二金属材料块B的准备步骤，其中所述第一金属材料块A具有规定了该第一金属材料块A的厚度H1的第一主表面和第二主表面，所述第二金属材料块B具有规定了该第二金属材料块B的厚度H2的第三主表面和第四主表面；

将所述第一主表面和所述第二主表面中的一方与所述第三主表面和所述第四主表面中的一方利用爆炸焊接法冶金结合为一体，从而获得金属复合材料块的复合步骤，由此形成所述第一金属材料块A与所述第二金属材料块B的复合界面；和

按照以下方式（1）和/或（1'）与方式（2）和/或（2'）的组合，钻取至少一个孔A和至少一个孔B的钻孔步骤，其中所述孔A与所述孔B彼此完全独立，所述孔A的直径大于所述孔B的直径，并且所述孔A仅位于所述第一金属材料块A中，

（1）沿着与所述复合界面平行的方向，向所述第一金属材料块A的块体中钻至少一个孔A，

（1'）沿着与所述复合界面成夹角θ的方向，向所述第一金属材料块A的块体中钻至少一个孔A，其中0o＜θ≤90o，并且所述孔A的深度不及所述复合界面；

（2）沿着与所述复合界面平行的方向，向所述第一金属材料块A的块体和/或所述第二金属材料块B的块体中钻至少一个孔B，

（2'）沿着与所述复合界面成夹角θ'的方向，仅从所述第一金属材料块A一侧开始，向所述第一金属材料块A的块体中钻至少一个孔B，其中0o＜θ'≤90o，所述孔B为盲孔，并且所述孔B的深度选自：i）不及所述复合界面；ii）到达所述复合界面；和/或iii）穿越所述复合界面并进入所述第二金属材料块B的块体中。

2.权利要求1的制造方法，其中所述第一金属材料块A由铜、铝、银、金、铜合金、铝合金、银合金和金合金中的任意一种制成，所述第二金属材料块B由铁、铁合金、钛、钛合金、锆、锆合金、镍、镍合金和钼合金中的任意一种制成。

3.权利要求2的制造方法，其中所述第一金属材料块A由铜制成，所述第二金属材料块B由选自低合金钢的铁合金制成。

4.权利要求1的制造方法，其中所述层A的厚度与所述层B的厚度之比为8~50:1。

5.权利要求1的制造方法，其中所述孔A的直径为8~30mm。

6.权利要求1的制造方法，其中所述孔B的直径为0.5mm~5.0mm。

7.权利要求1的制造方法，其中所述层A的厚度与所述层B的厚度之和为40~150mm。

8.权利要求1的制造方法，还包括在钻孔步骤之前或之后，对所述金属复合材料块施以选自切割加工和压机成型的至少一种机加工的机加工步骤。

9.权利要求1的制造方法，其中所述复合材料加热块的加热壁面面积为0.015~5m²。

10.由权利要求1-9任一项所述的制造方法制造的复合材料加热块作为加热块在临界热流密度测量中的应用，其中使用所述第三主表面和所述第四主表面中的另一方作为加热壁面。

11.一种临界热流密度的测量方法，其包括以由权利要求1-9任一项所述的制造方法制造的复合材料加热块作为加热块，在所述孔A中设置电加热棒，在所述孔B中设置热电偶或热电阻，并使用所述第三主表面和所述第四主表面中的另一方作为加热壁面。