CN102867554A - 模块式套管型随堆辐照考验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模块式套管型随堆辐照考验装置，包括试验装置、进气管及出气管，其中，试验装置包括材料夹持装置，以及顶法兰、底法兰、内套管、外套管整体构成具有环形空腔的辐照罐。材料夹持装置构成圆柱状，材料夹持装置设有中央通孔、气管通孔、样品存放槽及多个电加热元件孔，材料夹持装置位于辐照罐的环形空腔内，内套管穿过材料夹持装置的中央通孔且与中央通孔大小匹配，多个电加热元件孔环绕中央通孔设置，进气管和出气管均有一端穿过顶法兰并设置在辐照罐内。本发明通过进气管和出气管流通气体，以及内套管流通冷却剂，可导出材料辐照试验过程中释放的大量热量，本发明工作时应用于高通量工程试验堆内层孔道，可缩短材料辐照试验的周期。

Description

模块式套管型随堆辐照考验装置

技术领域

本发明涉及一种核反应堆材料的测试装置，具体是模块式套管型随堆辐照考验装置。

背景技术

在核反应堆材料的设计、研制过程中，除进行反应堆外的各种性能测试外，最重要的一个环节就是进行堆内辐照考验及辐照后检验评价，堆内辐照考验可以获得新材料耐辐照性能的关键数据，为材料的成分调整及制造工艺改进提供数据支持。核安全法规规定，任何新研发的燃料组件及结构材料必须通过辐照考验才能进行实际工程应用。

材料堆内辐照考验必须使用相应的辐照考验装置，由于高通量工程试验堆（HFETR）内层孔道γ热值约为外层孔道的10倍，现有的辐照考验装置应用于内层孔道不能有效导出辐照试验过程中的高释热，为了确保辐照考验装置安全和反应堆安全，现有材料辐照考验装置主要安装在反应堆铝反射层以及堆芯外围孔道。然而，高通量工程试验堆内、外层孔道快中子通量分布具有较大差异，中心孔道快中子通量约为1.6×10¹⁵n·(cm²·s)^-1，而外层孔道快中子通量仅为0.25×10¹⁵n·(cm²·s)^-1，前者为后者的6.4倍。使用外层孔道进行辐照试验明显大于使用内层孔道进行辐照试验所需的时间，将材料辐照考验装置安装在反应堆外层孔道，能够较容易地控制材料辐照样品温度，但却使材料堆内辐照考验周期延长，并且辐照装置长期占用辐照孔道，影响反应堆的运行管理，增大了试验成本，致使高通量工程试验堆高快中子通量优势不能得到充分发挥。因此，开发适用于高通量工程试验堆高通量区的材料辐照考验装置成为目前人们普遍关注的问题，然而现今没有相应的设备，也未见相关的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种可应用于高通量工程试验堆内层孔道进行辐照试验，且辐照试验过程中便于导出高释热，进而可缩短辐照时间的模块式套管型随堆辐照考验装置。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：模块式套管型随堆辐照考验装置，包括试验装置、进气管及出气管，所述试验装置包括内套管、外套管、顶法兰、底法兰及材料夹持装置，所述内套管设置在外套管内，内套管和外套管两者的两端均分别与顶法兰和底法兰连接，顶法兰、底法兰、内套管及外套管整体构成具有环形空腔的辐照罐，所述内套管内部的通道构成冷却剂流道；所述材料夹持装置构成圆柱状，材料夹持装置设有贯穿其两个圆形端面的中央通孔、气管通孔、样品存放槽及多个电加热元件孔，所述中央通孔的两端开口分别位于材料夹持装置两个圆形端面的中央部位，材料夹持装置位于辐照罐的环形空腔内，内套管穿过材料夹持装置的中央通孔且与中央通孔大小匹配，多个电加热元件孔环绕中央通孔设置，所述进气管一端依次穿过顶法兰和气管通孔后设置在辐照罐内，所述出气管一端穿过顶法兰且设置在辐照罐内。本发明创造应用时进气管连接外部充气装置，本发明工作时通过调节辐照罐内气体成分来调节热阻，从而调节材料辐照样品考验温度；本发明创造中内套管构成的冷却剂流道为辐照罐的内流道，材料夹持装置填充辐照罐的环形空腔后环形空腔剩余的空间构成辐照罐的环形气隙，进气管和出气管一端设置在辐照罐内后均与辐照罐的环形气隙接通。

本发明应用时在材料夹持装置内夹块电加热元件孔内布置电加热元件实现对辐照样品阴、阳面考验温度的不均匀性补偿，具体过程为：根据热电偶监测结果投入相应方向的电加热元件加热辐照样品，使整个材料辐照样品考验温度一致。本发明应用时辐照罐内表面与材料夹持装置外表面间形成环形间隙，内充惰性混合气体，当热源变化时，通过调节混合气体成分，从而使得材料辐照样品温度缓慢改变，克服由于热源变化引起的辐照样品材料冷热效应。本发明应用时可对安装于电加热元件孔内的电加热元件分别进行控制，根据需要决定是否投入使用。此外，在电加热器内部根据计算分段缠绕线圈，每段线圈密度不一致，使得各段的电加热功率不均匀。

所述材料夹持装置包括内夹块及套设在内夹块上的外夹块，所述内夹块由一圆柱体的外侧壁上设置有多块均匀分布的凸块构成，所述中央通孔、气管通孔及多个电加热元件孔均设置在内夹块的圆柱体上，所述样品存放槽位于内夹块的圆柱体外侧壁上，且样品存放槽位于两凸块之间；所述外夹块内壁构成有多个与内夹块中多个凸块位置一一对应，且大小匹配的的卡槽，所述内夹块的凸块嵌入外夹块的卡槽内。本发明的内夹块和外夹块均可根据需要再次进行切分组合，即内夹块和外夹块均采用多块夹块构成。材料辐照样品置于样品存放槽内，各夹块间仅为接触配合，辐照过程中由于辐照样品及材料夹持装置基体材料的辐照肿胀，夹块相互间可包含任意形变，并且在辐照试验结束后切取辐照样品更为容易简便，避免了材料夹持装置采用整体设计时由于辐照肿胀而产生断裂的风险和降低了辐照后切取辐照样品的难度。

所述外夹块的卡槽内设有热电偶和探测片盒，所述内夹块的电加热元件孔内设置有电加热元件，所述热电偶和电加热元件的引线均布置于出气管内。本发明创造应用时，热电偶和电加热元件引线连接测控系统，进而实现对材料辐照样品温度监测与控制。

模块式套管型随堆辐照考验装置，还包括固定装置，所述固定装置包括保护管、短管及连接保护管和短管的堆法兰，所述保护管与内套管接通，保护管侧壁设有接通其内部的进水孔，所述短管相对连接堆法兰端的另一端连接有引线鼠笼，所述引线鼠笼设有与贯穿其相对两端面的进气管通孔和出气管通孔，所述进气管和出气管两者相对设置在辐照罐内端的另一端分别穿过引线鼠笼上的进气管通孔和出气管通孔。本发明创造中固定装置的作用在于固定进气管和出气管，并减少反应堆冷却剂对试验装置冲击造成的振动，防止装置破坏；本发明中的顶法兰、底法兰及堆法兰均采用通用的连接管道的法兰；材料辐照试验过程中，冷却剂由进水孔进入保护管，之后进入试验装置的内套管。

所述堆法兰与保护管的连接部位设置有密封垫圈。

模块式套管型随堆辐照考验装置，还包括支承装置，所述支承装置包括浮动式节流塞、下套管及与下套管密封连接的下接头，所述下套管与底法兰连接，下套管和下接头内部构成接通内套管的冷却剂流出通道，所述浮动式节流塞设置在该冷却剂流出通道内。本发明创造中浮动式节流塞和下套管组成浮动式节流装置，材料辐照试验过程中，流经试验装置的冷却剂进入浮动式节流塞和下套管之间的锯齿型环形间隙，之后进入反应堆下部空间。本发明创造应用时通过支撑装置的下接头安装在高通量工程试验堆栅格板上，支承和定位试验装置及调节下接头冷却剂流道间隙，使试验装置稳定和确保本发明的水力设计要求。本发明创造工作时冷却剂由辐照罐内套筒进入下套管与浮动式节流塞之间的间隙，根据辐照罐的冷却要求提供相应的冷却水流量。

本发明的固定装置的保护管侧壁设计进水孔，该孔大小根据需求确定，并可在保护管内侧设置挡板，以调节进水孔的开度，从而调节冷却剂流量；在支撑装置内设计浮动式节流塞，配合下套管及下接头可改变试验装置内流道冷却剂流速，达到节流的目的。

所述冷却剂流出通道包括下套管构成的上流道及下接头构成的下流道，所述下流道的内径小于上流道的内径，所述浮动式节流塞包括圆柱状的限位端头及连接在限位端头下端面的圆柱状的节流控制杆，所述下流道的内径位于限位端头圆形截面直径和节流控制杆圆形截面直径之间，所述节流控制杆的外壁设置有多个环形凸台，节流控制杆嵌入下流道内。

为了便于将下套管与下接头进行连接，所述下接头的上端连接有吊装杆，所述下套管通过螺钉连接在吊装杆上与下接头连接。

本发明应用时安装于高通量工程试验堆高通量区预定孔道，将热电偶和电加热元件连接测控系统，确认各连接正确；投入监控系统既进入材料辐照试验监控状态。反应堆启堆后，随着反应堆功率的提升实时监测模块式套管型随堆辐照考验装置试验装置材料辐照样品的辐照技术参数；当反应堆运行相对稳定时，调节模块式套管型随堆辐照试验装置内气体成分以合理配置冷却剂与材料辐照样品之间的热阻，使材料样品温度满足辐照考验要求；当达到材料辐照考验技术指标后，反应堆停堆，辐照装置出堆，存放于保存水池中冷却。当试验装置温度及剂量符合热室操作及检查要求后，将试验装置移至热室，其它装置继续保存以进行重复利用。

本发明对辐照样品温度调节和控制具有三种方式：a、本发明入堆前，根据本发明热工水力计算结果和堆外流量标定试验结果，将浮动式节流塞调节到合适位置，以控制内流道的冷却剂流量，从而实现对辐照样品温度的初始调节。b、辐照试验过程中，通过进气管和出气管在辐照罐内部壁面和材料夹持装置外表面之间形成的环形间隙内配置合适的混合气体调节辐照样品与冷却剂之间的热阻，实现对辐照样品温度的精确控制。例如，当样品温度超过预定值时，可通过进气管向辐照罐内充氦气，达到降低样品温度的目的；当样品温度低于预定值时，可通过进气管向辐照罐内充氖气或者氩气，达到升高样品温度的目的。c、当材料辐照样品温度过低，通过a、b方式达到预期考验温度时，投入使用电加热元件，从而升高材料辐照样品温度。其中，试验时通常仅采用方式a、b，方式c为备用调节方式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明包括试验装置、进气管及出气管，其中，试验装置包括内套管、外套管、顶法兰、底法兰及材料夹持装置，顶法兰、底法兰、内套管及外套管整体构成具有环形空腔的辐照罐，内套管内部的通道构成冷却剂流道，材料夹持装置构成圆柱状，材料夹持装置设有贯穿其两个圆形端面的中央通孔、气管通孔、样品存放槽及多个电加热元件孔，内套管穿过材料夹持装置的中央通孔且与中央通孔大小匹配，多个电加热元件孔环绕中央通孔设置，进气管一端依次穿过顶法兰和气管通孔后设置在辐照罐内，出气管一端穿过顶法兰且设置在辐照罐内，本发明整体结构简单，便于实现，且本发明应用时通过进气管和出气管在辐照罐内配置合适的混合气体调节辐照样品与冷却剂之间的热阻，并通过流通于内套管内的冷却剂带走辐照样品的高释热，进而控制辐照样品的温度，本发明工作时应用于高通量工程试验堆内层孔道，其使高通量工程试验堆高快中子通量优势能得到充分发挥，并可缩短材料辐照试验的周期。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为图1中固定装置部分的结构示意图；

图3为图1中试验装置的结构示意图；

图4为图3中沿A-A向的剖视结构示意图；

图5为本发明实施例中内夹块的结构示意图；

图6为本发明实施例中外夹块局部的结构示意图；

图7为图1中支承装置的结构示意图。

附图中附图标记所对应的名称为：1、固定装置，101、保护管，102、引线鼠笼，103、短管，104、堆法兰，2、试验装置，201、内夹块，202、外夹块，203、顶法兰，204、底法兰，205、电加热元件孔，206、样品存放槽，207、内套管，208、外套管，209、气管通孔，3、支承装置，301、下套管，302、下接头，303、浮动式节流塞，4、进气管，5、出气管。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

如图1～7所示，模块式套管型随堆辐照考验装置，包括固定装置1、试验装置2、支承装置3、进气管4及出气管5，其中，固定装置1、试验装置2及支承装置3由上至下顺次连接。试验装置2包括内套管207、外套管208、顶法兰203、底法兰204及材料夹持装置，内套管207设置在外套管208内，内套管207和外套管208两者的两端均分别与顶法兰203和底法兰204连接，即内套管207的两端分别与顶法兰203和底法兰204连接，外套管208的两端也分别与顶法兰203和底法兰204连接。顶法兰203、底法兰204、内套管207及外套管208整体构成具有环形空腔的辐照罐，内套管207内部的通道构成冷却剂流道。材料夹持装置包括内夹块201及套设在内夹块201上的外夹块202，其中，内夹块201包括圆柱体及设置在圆柱体外侧壁上的多块凸块，多块凸块均构成长条状，凸块的两端分别与圆柱体的两端面在同一平面上，而多块凸块均匀的分布在圆柱体外侧壁上。构成内夹块201的圆柱体上设有贯穿其两个圆形端面的中央通孔、气管通孔209、样品存放槽206及多个电加热元件孔205，中央通孔的两端开口分别位于构成内夹块201的圆柱体两个圆形端面的中央部位，多个电加热元件孔205环绕中央通孔设置，样品存放槽206位于内夹块201的圆柱体外侧壁上，且样品存放槽206位于两凸块之间。外夹块202内壁构成有多个与内夹块201中多个凸块位置一一对应，且大小匹配的的卡槽，内夹块201的凸块嵌入外夹块202的卡槽内。材料夹持装置整体构成圆柱状，材料夹持装置材料夹持装置位于辐照罐的环形空腔内，内套管207穿过材料夹持装置的中央通孔且与中央通孔大小匹配，进气管4一端依次穿过顶法兰203和气管通孔209后设置在辐照罐内，出气管5一端穿过顶法兰203且设置在辐照罐内。为了便于监控和测控，外夹块202的卡槽内设有热电偶和探测片盒，内夹块201的电加热元件孔205内设置有电加热元件，热电偶和电加热元件的引线均布置于出气管5内203。为了降低了由于材料辐照脆化而使试验装置发生裂纹的概率，内套管207和外套管208采用不锈钢材料制成，材料夹持装置采用铝合金或者不锈钢材料制成。

固定装置1包括保护管101、短管103及连接保护管101和短管103的堆法兰104，保护管101与内套管207接通，保护管101侧壁设有接通其内部的进水孔，短管103相对连接堆法兰104端的另一端连接有引线鼠笼102，其中，引线鼠笼102为一块设有多个穿线孔的板材。引线鼠笼102设有与贯穿其相对两端面的进气管通孔和出气管通孔，进气管4和出气管5两者相对设置在辐照罐内端的另一端分别穿过引线鼠笼102上的进气管通孔和出气管通孔，连接热电偶和电加热元件的引线也穿过引线鼠笼102。为了避免保护管101与堆法兰104的连接部位液体泄漏，堆法兰104与保护管101的连接部位设置有密封垫圈。

支承装置3包括浮动式节流塞303、下套管301及下接头302，下接头302的上端连接有吊装杆，下套管301通过螺钉连接在吊装杆上与下接头302连接。下套管301与底法兰204连接，下套管301和下接头302内部构成接通内套管207的冷却剂流出通道，浮动式节流塞303设置在该冷却剂流出通道内。其中，冷却剂流出通道包括下套管301构成的上流道及下接头302构成的下流道，下流道的内径小于上流道的内径，浮动式节流塞303包括圆柱状的限位端头及连接在限位端头下端面的圆柱状的节流控制杆，下流道的内径位于限位端头圆形截面直径和节流控制杆圆形截面直径之间，节流控制杆的外壁设置有多个环形凸台，节流控制杆嵌入下流道内。支承装置3能确保本实用例的水力设计要求，其具体通过浮动式节流塞303上的环形凸台的数量和浮动式节流塞303与下接头302的轴向相对位置来实现，浮动式节流塞303的环形凸台的数量通过水力计算确定，浮动式节流塞303与下接头302的轴向相对位置由堆外考验装置标定试验确定。

如上所述，则能很好的实现本发明。

Claims (8)

1.模块式套管型随堆辐照考验装置，其特征在于：包括试验装置（2）、进气管（4）及出气管（5），所述试验装置（2）包括内套管（207）、外套管（208）、顶法兰（203）、底法兰（204）及材料夹持装置，所述内套管（207）设置在外套管（208）内，内套管（207）和外套管（208）两者的两端均分别与顶法兰（203）和底法兰（204）连接，顶法兰（203）、底法兰（204）、内套管（207）及外套管（208）整体构成具有环形空腔的辐照罐，所述内套管（207）内部的通道构成冷却剂流道；所述材料夹持装置构成圆柱状，材料夹持装置设有贯穿其两个圆形端面的中央通孔、气管通孔（209）、样品存放槽（206）及多个电加热元件孔（205），所述中央通孔的两端开口分别位于材料夹持装置两个圆形端面的中央部位，材料夹持装置位于辐照罐的环形空腔内，内套管（207）穿过材料夹持装置的中央通孔且与中央通孔大小匹配，多个电加热元件孔（205）环绕中央通孔设置，所述进气管（4）一端依次穿过顶法兰（203）和气管通孔（209）后设置在辐照罐内，所述出气管（5）一端穿过顶法兰（203）且设置在辐照罐内。

2.根据权利要求1所述的模块式套管型随堆辐照考验装置，其特征在于：所述材料夹持装置包括内夹块（201）及套设在内夹块（201）上的外夹块（202），所述内夹块（201）由一圆柱体的外侧壁上设置有多块均匀分布的凸块构成，所述中央通孔、气管通孔（209）及多个电加热元件孔（205）均设置在内夹块（201）的圆柱体上，所述样品存放槽（206）位于内夹块（201）的圆柱体外侧壁上，且样品存放槽（206）位于两凸块之间；所述外夹块（202）内壁构成有多个与内夹块（201）中多个凸块位置一一对应，且大小匹配的的卡槽，所述内夹块（201）的凸块嵌入外夹块（202）的卡槽内。

3.根据权利要求2所述的模块式套管型随堆辐照考验装置，其特征在于：所述外夹块（202）的卡槽内设有热电偶和探测片盒，所述内夹块（201）的电加热元件孔（205）内设置有电加热元件，所述热电偶和电加热元件的引线均布置于出气管（5）内（203）。

4.根据权利要求1所述的模块式套管型随堆辐照考验装置，其特征在于：还包括固定装置（1），所述固定装置（1）包括保护管（101）、短管（103）及连接保护管（101）和短管（103）的堆法兰（104），所述保护管（101）与内套管（207）接通，保护管（101）侧壁设有接通其内部的进水孔，所述短管（103）相对连接堆法兰（104）端的另一端连接有引线鼠笼（102），所述引线鼠笼（102）设有与贯穿其相对两端面的进气管通孔和出气管通孔，所述进气管（4）和出气管（5）两者相对设置在辐照罐内端的另一端分别穿过引线鼠笼（102）上的进气管通孔和出气管通孔。

5.根据权利要求4所述的模块式套管型随堆辐照考验装置，其特征在于：所述堆法兰（104）与保护管（101）的连接部位设置有密封垫圈。

6.根据权利要求1～5所述的任一种模块式套管型随堆辐照考验装置，其特征在于：还包括支承装置（3），所述支承装置（3）包括浮动式节流塞（303）、下套管（301）及与下套管（301）密封连接的下接头（302），所述下套管（301）与底法兰（204）连接，下套管（301）和下接头（302）内部构成接通内套管（207）的冷却剂流出通道，所述浮动式节流塞（303）设置在该冷却剂流出通道内。

7.根据权利要求6所述的模块式套管型随堆辐照考验装置，其特征在于：所述冷却剂流出通道包括下套管（301）构成的上流道及下接头（302）构成的下流道，所述下流道的内径小于上流道的内径，所述浮动式节流塞（303）包括圆柱状的限位端头及连接在限位端头下端面的圆柱状的节流控制杆，所述下流道的内径位于限位端头圆形截面直径和节流控制杆圆形截面直径之间，所述节流控制杆的外壁设置有多个环形凸台，节流控制杆嵌入下流道内。

8.根据权利要求6所述的模块式套管型随堆辐照考验装置，其特征在于：所述下接头（302）的上端连接有吊装杆，所述下套管（301）通过螺钉连接在吊装杆上与下接头（302）连接。

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