CN103366840A - 用于在核燃料样品中产生高温度梯度的装置 - Google Patents

用于在核燃料样品中产生高温度梯度的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在核燃料样品中产生高温度梯度的装置。本发明的主题是一种包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于，其包括：室，所述样品置于所述室的内部；穿过所述样品的电阻器；第一感应构件，所述第一感应构件在所述室的周围以产生电磁场；第二感应构件，第二感应构件连接到所述电阻器并能够接收所述电磁场以产生在所述电阻器中循环的感应电流。

Description

用于在核燃料样品中产生高温度梯度的装置
技术领域
本发明的领域是加热装置的领域，所述加热装置包括在样品内可控地产生热梯度，所述样品为在热梯度下控制和表征核燃料的行为特别感兴趣的样品，并可以用在高核活性的实验室中。
背景技术
在该领域中，申请人已经提出通过在陶瓷的核芯的电加热以及陶瓷包壳外侧的水循环来产生热梯度。然而，这种装置还未用在辐照过的核燃料上。
从美国专利4,643,866中也已知可以通过使用微波在陶瓷的核芯加热并在陶瓷包壳外侧的水循环来确保提供热梯度的方法。
出版物Nuclear Engineering and Design26，(1974)423-431，J.F.Whatham还描述了具有加压水循环冷却的陶瓷的电加热。
目前，提出的在燃料棒上进行的热梯度的少数试验已经在惰性气氛中在非辐照过的材料上进行。现在，辐照效应迅速影响(少于加压水反应堆PWR的一个循环以内)丸粒和包壳的机械和化学性能，以及它们的界面，极大地改变核燃料的行为。
现在，关于燃料管理，需要改进在燃料内裂变产物尤其是气体的传递效应和释放条件的知识，所述燃料例如具有高钚含量和退化的同位素矢量(degraded isotopic vector)的MOX，所述MOX(混合氧化物)含有二氧化钚PuO2和二氧化铀UO2，由约7％的钚和93％的贫铀制造。
更特别地，在目前通过EDF操作的核反应堆中，燃料采取堆叠在锆合金的包壳中的UO2或(U，Pu)O2的形式。在辐照期间，尤其由于热机现象，在丸粒和包壳之间发生相互作用(也称为丸粒-包壳相互作用：PCI)。现在，在某些意外的瞬态功率的情况下，燃料可能会经历相对于其正常情况的显著和快速的温度增加。这种热瞬态引起包壳上丸粒的应力的增加，可能造成其破裂。因为包壳是裂变产物的第一安全壳屏障，有必要保证其完整性，并因此有必要尽力知道这些PCI现象。
因此，特别有兴趣进行能够模拟核燃料在不同功率“瞬态”期间所经历的热梯度的分析试验，并且更特别有兴趣得到在热梯度下表征核燃料的行为并能用在高活性实验室中的装置。这些分析试验可以选择材料从而得到在某些意外的功率瞬态的情况下不引起第一安全壳屏障破裂的所谓补救燃料。
关于这点，申请人已经开发出命名为DURANCE的实验装置(在热梯度下模拟燃料行为的装置)。这种DURANCE装置包括样品内的热梯度，其由在核芯插入的加热心轴和由辅助装置冷却的绝缘材料的系统来保证。因此，样品核芯和包壳的外表面之间的热梯度的幅度由核芯温度水平与绝缘体的性质、厚度和外部温度来驱动。
关于这点，申请人已经试图开发可以复制和控制核燃料在某些意外情况下所经历的热梯度的幅度的装置，并使用可以容易地适应于強放室中的实验室中使用的热处理炉的缩小尺寸的装置并通过用任意与燃料元件接触的水循环(加压或不加压)分配来这样做，加热由感应来保证。用于两个或三个燃料丸粒并保证从燃料丸粒的内部到外部的热通量的感应加热系统的开发使得表示在反应堆中观察的温度廓线成为可能。预期可能在由意外情况下燃料棒的丸粒-包壳相互作用/应力腐蚀(PCI/SC)造成的包壳破裂的风险相关的问题上前进，有限数量的全功率斜面测试使其不能单独地测试所有的参数和燃料等级或者以分离的方式接近物理现象。现在，涉及丸粒和包壳的相互作用的现象的特定关键机理还鲜为人知，并构成理解斜面和模拟PCI的数字模型的代表性的限制因素。
发明内容
因此，本发明中提出的装置的一个重要目的是复制和控制核燃料在某些意外情况下所经历的热梯度的幅度，并使用可以容易地适应于強放室中的实验室中使用的热处理炉的缩小尺寸的装置并通过用任意与所述燃料元件接触的水循环(加压或不加压)分配来这样做，加热由感应来保证。
本发明的装置特别地构成解决方案，该解决方案可以将燃料提高到高达2000℃甚至更高的中心温度并在通常三燃料丸粒上将包壳温度稳定在350℃+/-50℃范围内。
更特别地，本发明的主题是包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于包括：
-室，所述样品置于所述室的内部；
-电阻器，所述电阻器穿过所述样品；
-第一感应构件，所述第一感应构件设置在所述室的周围以产生一个电磁场；
-第二感应构件，所述第二感应构件连接到所述电阻器并能够接收所述电磁场以产生在所述电阻器中循环的感应电流。
根据本发明的变体，所述第一感应构件包括至少一个第一线圈。
根据本发明的变体，所述第二感应构件包括至少一个第二线圈。
根据本发明的变体，所述室是石英管。
根据本发明的变体，所述样品包括可以是Al2O3或ZrO2的陶瓷丸粒或可以是UO2或MOX的核燃料丸粒。
根据本发明的变体，所述样品包括在所述丸粒的周围并与所述丸粒直接接触的金属包壳。
根据本发明的变体，其还包括在所述样品周围的绝热元件。
根据本发明的变体，所述样品包括陶瓷丸粒，所述绝缘体为氧化铝绝缘体。
根据本发明的变体，所述样品包括陶瓷丸粒，所述绝缘体为铪绝缘体。
根据本发明的变体，所述样品包括可以是UO2燃料的燃料、可以是UO2或铪绝缘体的绝缘体。
根据本发明的变体，所述电阻器可以是钨或钼的耐火金属电阻器。
根据本发明的变体，所述组件还包括交换器，所述第二感应构件位于所述交换器的周围。
根据本发明的变体，所述交换器包括流体循环系统。
根据本发明的变体，所述组件还包括用于测量所述样品的温度的构件。
根据本发明的变体，所述温度测量构件包括热电偶。
本发明的另一主题是包括高温计的根据本发明的组件。
本发明的另一主题是包括红外相机的根据本发明的组件。
附图说明
通过阅读作为非限制的实施例而给出的如下说明和附图，本发明将更好地理解，其它优点将变得明显，其中：
-图1显示由申请人开发的加热装置或MERARG炉；
-图2显示根据本发明的装置；
-图3a和3b显示组件的几何模型；燃料丸粒被绝缘体包围，特别地被本发明的装置中的金属心轴加热；
-图4显示用于被绝缘体包围的燃料丸粒的有限元热模型；
-图5显示作为不同绝缘体和氧化铝陶瓷芯块的径向坐标的函数的温度趋势；
-图6显示作为不同绝缘体和锆陶瓷丸粒的径向坐标的函数的温度趋势；
-图7显示作为不同绝缘体和UO2陶瓷丸粒的径向坐标的函数的温度趋势；
-图8显示包括在本发明的示例性装置中的不同元件的分解图；
-图9显示应用于本发明的装置中的中心电阻器的示例性温度循环。
具体实施方式
本申请人已经开发了一种如图1所示的MERARG炉，其可以通过电感耦合加热金属坩埚。高频电流通过的所谓的感应圈3可以在金属坩埚1中产生感应电流。通过焦耳效应，这些感应电流由此加热坩埚的壁，转而将样品等温地升高到高温，坩埚本身置于管2中。
然而，感应加热的使用并不能直接转录至DURANCE装置。实际上，不能考虑使用丸粒中心的电阻器作为关于感应的感受器(对应于被加热件，也称为感受器，并且通常感受器必须是电导体)，因为位于丸粒中心和圈之间的锆合金(金属元件)包壳会经受耦合。因此，包壳会以和MERARG中的坩埚相同的方式被加热。
为了可以利用由可以是感应圈的第一感应构件产生的电磁场加热中心电阻系统，本发明提出的解决方案适应电力变压器的原理。
由此，根据本发明，磁场被可以是所谓的转换圈(线圈)的第一感应构件接收。然后，此圈产生在电阻器内循环的所谓的感应电流。圈置于石英管内，并感应圈水平的中心。
此装置确实可以保持相同的功率输入系统。其还可以保持石英管，所述石英管保证炉的密封紧密性，并且通过其物理化学性质而在耦合现象时不相互作用。
图2显示本发明的装置，其包括：在室20中的，电阻器60、第一感应圈31和第二所谓的转换圈32。待加热的样品100被未示出的包壳和绝缘体101包围，并且所述电阻器60在所述样品100的中心通过。还提供热电偶61用于温度测量。
由此，本发明的装置可以通过电感耦合来加热金属元件，然后通过所述电阻器60的电阻加热以加热丸粒的内部。这种设置可以保持相同的功率输入系统。其还可以保持例如保证所述炉的密封紧密性的石英管，并且所述石英管通过其物理化学性质在耦合现象时不相互作用。
为此原则以在燃料丸粒的堆内提供更均匀地加热，耦合圈可以有利地为两个，在每侧上的两个金属元件通过感应加热。
电阻加热系统的热验证
通常，DURANCE装置试图在辐照过的核陶瓷内应用已知的并预定的径向热梯度。为了验证所设想的概念，申请人已在Cast3m下模拟了本发明的装置的热行为。首先，通过尽可能简单的参数研究，这种模拟可以确认在丸粒内径向梯度的存在并指定绝缘体的性质和几何结构从而得到所需的热梯度。这种分析详述了为了得到简化的DURANCE模型(几何模型的限定，热模型的限定等)而做的假设。将所得到的结果与所需目标比较以推断所述概念的有效性。决定了首先在三个丸粒堆上轴对称地模拟DURANCE装置，然后进一步简化模型，通过忽略两个端部丸粒的边界效应而只在中心丸粒上模拟。然后认为在底部和上表面没有热交换(绝热条件)。图3a和3b显示自中心电阻器60的横截面中表示的不同元件：更明确的是从样品的中心到丸粒的外部：置于两个塞块102之间的燃料100、包壳80、绝缘体101。还认为丸粒和包壳之间以及包壳和绝缘体之间不存在间隙。既然认为这些元件之间的接触是完美的，只考虑一种热传递模式：传导。
冷却回路通过设定为20℃的温度来模拟，该温度对应于在图4中所示交换器中水循环的温度，根据热模型，图4在两个绝热曲线Adia之间突出了注入的体积功率Pinj和不同材料(丸粒、包壳、绝缘体)之间的几乎完美的传导Cp。
在将所研究材料的热学性质输入到所考虑的模型后，热计算突出了图5、图6和图7中详述的结果，其分别对于作为燃料的如下材料：Al2O3、ZrO2和UO2，并根据绝缘体的不同性质和厚度来这样做。更特别地：
-对于氧化铝燃料，曲线C5A涉及3mm厚的铪绝缘体，曲线C5B涉及5mm氧化铝绝缘体；
-对于锆燃料，曲线C6A涉及3mm厚的锆绝缘体，曲线C6B涉及5mm氧化铝绝缘体；
-对于UO2燃料，曲线C7A涉及3mm厚的铪绝缘体，曲线C7B涉及5mmUO2绝缘体。
这三个附图直接显示出，根据用作燃料的样品的类型(Al2O3、ZrO2和UO2)，可以提出可能达到所需的包壳温度的绝缘体系统，而不管核芯热负荷。
实际上，对于一个氧化铝类型的模拟燃料，模拟显示，为了在包壳的外壁得到350℃的温度，待使用的绝缘体为4-5mm厚的致密氧化铝。绝缘体的厚度根据丸粒的中心处的温度确定。对于一个锆类型的模拟燃料，根据目标丸粒-中心温度，绝缘体的选择为3-5mm厚的致密铪。对于纯粹的UO2类型的燃料，根据样品的核芯处注入的温度，模拟揭示使用3-5mm厚的或者UO2绝缘体或者铪绝缘体，其取决于中心温度，对于350℃的包壳温度也是如此。
从这个可以验证获得热梯度和充分验证加热原理的热模拟，申请人生产了原型来验证普遍原理和正确操作，尤其是电阻加热，通过不同绝缘体的媒介并使用冷却系统来获得热梯度。
为了可以生产此原型，需要各种元件：
-不需要过度变形就能达到所需温度的电阻器；
-模拟燃料的穿孔丸粒；
-三个丸粒高并具有端部塞块的锆合金4(锆)包壳；
-一组绝缘体；
-两个圈，一个用于转换以允许电阻器中的感应电流的循环，一个感应圈；
-为了将绝缘体外部的温度阻止在水循环温度(或20℃)的热交换器。
这些元件显示在图8中：由钨制成的中心电阻器60，包壳80，插在两个塞块102之间的三个燃料丸粒100，绝缘体101和水交换器40，这些元件互相交叉随后形成完整的系统，所述系统可以使用圈加热燃料丸粒同时通过冷却回路冷却包壳。其整体并入转换圈。
适当构建的组件可以结合到构成MERARG II炉上的前端(advance)的石英管中。然后，感应圈与转换圈耦合，后者通过钨电阻器穿过塞块和燃料丸粒来短路。转换圈、感应圈和交换器都是水冷却的。
热电偶与电阻器接触地安装以观察当给装置加电时其行为。
图9显示应用于电阻器上的温度周期。应用了3个不同的斜面，并在斜面R1、R2和R3之间维持4个温度阶步(1000℃、1300℃、1600℃和2000℃)，曲线C9涉及感受器的温度。电阻器的温度在很短时周期内故意地限制在2000℃。
这些测量验证了本发明中提出的加热原理，允许具有所需范围的温度水平的或多或少的快速温度斜面。

Claims (17)

1.一种包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于其包括：
-室，所述样品置于其内部；
-穿过所述样品的电阻器；
-第一感应构件，其在所述室的周围以产生电磁场；
-第二感应构件，其连接到所述电阻器并能接收所述电磁场以产生在所述电阻器中循环的感应电流。
2.根据权利要求1所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于所述第一感应构件包括至少一个第一线圈。
3.根据前述权利要求中任一项所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于所述第二构件包括至少一个第二线圈。
4.根据前述权利要求中任一项所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于所述室为石英管。
5.根据前述权利要求中任一项所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于所述样品包括能够是Al2O3或ZrO2陶瓷丸粒的陶瓷丸粒或能够是UO2或MOX核燃料丸粒的核燃料丸粒。
6.根据权利要求5所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于所述样品包括在所述丸粒的周围并与所述丸粒直接接触的金属包壳。
7.根据权利要求1至6所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于其还包括在所述样品周围的热绝缘元件。
8.根据权利要求7所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于所述样品包括陶瓷丸粒，所述绝缘体为氧化铝绝缘体。
9.根据权利要求7所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于所述样品包括陶瓷丸粒，所述绝缘体为铪绝缘体。
10.根据权利要求7所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于所述样品包括能够是UO2燃料的燃料，所述绝缘体能够是UO2或铪绝缘体。
11.根据前述权利要求中任一项所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于所述电阻器能是钨或钼耐火金属的耐火金属。
12.根据前述权利要求中任一项所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于其还包括交换器，所述第二感应构件位于所述交换器的周围。
13.根据权利要求12所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于所述交换器包括流体循环系统。
14.根据前述权利要求中任一项所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于其还包括用于测量所述样品温度的构件。
15.根据权利要求14所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其特征在于所述温度测量构件包括热电偶。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其包括高温计。
17.根据权利要求1至15中任一项所述的包括样品和在所述样品中产生高温度梯度的装置的组件，其包括红外相机。
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