CN104101621A - 核电牺牲混凝土高温熔蚀简易试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核物理领域，具体地说，涉及一种核电牺牲混凝土高温熔蚀简易实验装置以及试验方法。本发明所述的试验装置包括呈长方体结构的混凝土基石，所述的混凝土基石的顶部设有呈长方体形的凹槽，试验时，先构建牺牲混凝土高温熔池，后加入高温溶剂和引燃剂，引燃后测试温度、形变和熔蚀深度，所述装置结构简单，成本低；高温熔融物与核棒熔融物温度、组分相似，测试内容全面准确；所述方法试验难度小、成本低，可很好的用于研究混凝土在高温熔融作用下的损伤。
Description
技术领域
本发明涉及核物理领域，具体地说，涉及一种核电牺牲混凝土高温熔蚀简易试验装置以及试验方法。
背景技术
随着我国低碳经济及可持续发展，降低火电比例，大力发展核电，满足电力需求、优化能源结构、保障能源安全，已成为政府和社会各界的共识。当前，世界上第三代核电站—EPR型核电站已有两座在建，但尚未有在役运行的。而核电站牺牲混凝土作为第三代核电站(EPR)的重要组成材料，可以降低核棒熔融物的温度、通过玻璃态物质产生包裹熔融物、减轻氧化物的密度、降低核泄露辐射值。因此，核电牺牲混凝土作为第三代核电站反应堆腔的重要组成材料，关系到核电站的安全运营。为核电站优选高抗熔蚀的牺牲混凝土是当前亟待解决的问题。
核棒熔融物主要由金属和氧化物组成，其中金属包括：Fe，Cr，Ni和Zr(镐)，熔点为1350℃～1900℃；氧化物包括：UO2和ZrO2，熔点约为2700℃。上述熔融物与牺牲混凝土作用，将发生高温熔蚀行为。牺牲混凝土在轴向、径向熔蚀深度，在牺牲混凝土中的传热行为，以及高温下的体积稳定性直接关系到核电站的安全。目前国内外采用的高温熔蚀试验(MCCI)所需设备复杂，成本高，测试获得数据很少，难以实现牺牲混凝土配比的大规模优选试验，也难以获得不同类型牺牲混凝土在MCCI过程中的损伤过程。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种设备简单、成本低的核电牺牲混凝土高温熔蚀简易试验装置和方法。
本发明所述的核电牺牲混凝土高温熔蚀简易试验装置，包括呈长方体结构的混凝土基石，所述的混凝土基石的顶部设有呈长方体形的凹槽，所述凹槽的长度与混凝土基石顶面长度之比、凹槽的宽度与混凝土基石宽度之比、凹槽深度与混凝土基石高度之比均为1/2；所述混凝土基石上侧面上设有三个用于放置热电偶的孔洞，所述三个热电偶竖向排列，最底端热电偶距离混凝土基石底部的距离为混凝土基石高度的1/10，两个相邻的热电偶之间的距离为混凝土基石高度的2/15。
优选的，所述混凝土基石的长度为400mm，宽度为400mm，高度为300mm，所述凹槽的长度和宽度均为200mm，高度为150mm，最低端热电偶距离混凝土基石底部的距离为30mm，两个相邻的热电偶之间的距离为40mm。
用于制造混凝土基石的混凝土原料组成及重量份为：胶凝材料400～530份，石英石1600～1700份，水160～175份，外加剂4～6份；所述凝胶材料为硅酸盐水泥和矿物掺合料，凝胶材料中硅酸盐水泥和矿物掺合料的重量比为60～80：20～40。
用于制造混凝土基石的混凝土原料组分及重量份为：胶凝材料400～450份、中品味赤铁矿1250～1280份、石英石800～880份、水160～170份、外加剂4.8～6份；所述凝胶材料为硅酸盐水泥和矿物掺合料，凝胶材料中硅酸盐水泥和矿物掺合料的重量比为60～80：20～40。
核电牺牲混凝土高温溶蚀简易试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)构建牺牲混凝土高温熔池：取混凝土原材料，将其搅拌1～2min，然后加入外加剂和水搅拌2～3min，控制坍落度为160～200mm；用胶合板按照混凝聚基石的尺寸构建模板，模板上的热电偶位置处钻孔，同时预埋PVC管，熔池部分模具采用预埋塑料容器或木制容器；将搅拌好的混凝土浇筑于上述模具中，震动成型；抹平后取塑料薄膜覆盖养护24h，拆除混凝土基石模具和熔池模具，去除PVC管用，纸条堵塞热电偶位置处的钻孔后在养护室内养护28d；然后室内晾干1d后取出纸条，对熔池底部和四周进行简单磨平处理后防御烘箱中，60℃下烘干7d；将热电偶固定在混凝土基石上对应的钻孔内；
(2)放置并引燃高温熔剂：高温溶剂为铝粉、氧化钙和三氧化二铁，将铝粉,氧化钙和三氧化二铁按1:1.5:3的比例放入高温熔池内，保持高温溶剂表面平整；高温溶剂表面放入引燃剂引燃；
(3)高温熔蚀过程中温度测试：热电偶的一端接连接惠普温度采集仪，在高温熔剂燃烧和熄灭后持续采样，采样时间间隔为两秒；
(4)高温熔蚀过程中变形测试：取混凝土基石的两个相对侧面分别贴上玻璃片，将位移传感器侧头置于玻璃片表面，保证两侧位移传感器位于同一水平面上，位移传感器连接应变采集仪，高温溶剂燃烧和熄灭后持续采样，采样时间间隔两秒，同事保持与惠普温度采集仪同时采样；
(5)高温熔池轴向径向深度测试：沿高温熔池的轴向和径向方向各设置10 个点，每个点间隔20mm，用游标卡尺测试溶蚀前和高温溶剂完全熄灭并冷却后高温熔池的尺寸。
优选的，步骤(2)中引燃剂为镁粉和硝酸钾，其中镁粉和硝酸钾的重量比为1:3～3.5，引燃剂与高温溶剂的质量比为1：60～120。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：所述装置结构简单，成本低；高温熔融物与核棒熔融物温度、组分相似，测试内容全面准确；所述方法试验难度小、成本低，可很好的用于研究混凝土在高温熔融作用下的损伤。
附图说明
图1为本发明试验装置结构示意图；
图2为牺牲混凝土在高温熔蚀过程中的不同深度温度演变图；
图3为高温熔蚀过程中牺牲混凝土外侧变形测试结果图；
图4为牺牲混凝土高温熔蚀深度图。
其中，1-混凝土基石；2-高温熔池；3-热电偶放置孔洞。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步解释。
实施例1
本发明所述的核电牺牲混凝土高温熔蚀简易试验装置，包括呈长方体结构的混凝土基石，混凝土基石的长度为400mm，宽度为400mm，高度为300mm，所述的混凝土基石的顶部设有呈长方体形的凹槽，所述凹槽的长度和宽度均为200mm，高度为150mm。所述混凝土基石侧面上设有三个用于放置热电偶的孔洞，所述三个热电偶竖向排列，最底端热电偶距离混凝土基石底部的距离为混凝土基石30mm，两个相邻的热电偶之间的距离为40mm。
本发明所述的核电牺牲混凝土高温熔蚀试验方法，包括如下步骤：
(1)构建牺牲混凝土高温熔池：所述混凝土基石的原料及重量份为：(1)胶凝材料400～530份，石英石1600～1700份，水160～175份，外加剂4～6份；(2)胶凝材料400～450份、中品味赤铁矿1250～1280份、石英石800～880份、水160～170份、外加剂4.8～6份。所述凝胶材料为硅酸盐水泥和矿物掺合料，凝胶材料中硅酸盐水泥和矿物掺合料的重量比为60～80：20～40。
上述两种原料任选一种，构建高温熔池，将除外加剂和水之外的原料混合搅 拌1～2min，然后加入外加剂和水搅拌2～3min，控制坍落度为160～200mm；用胶合板按照混凝聚基石的尺寸构建模板，模板上的热电偶位置处钻孔，同时预埋PVC管，熔池部分模具采用预埋塑料容器或木制容器；将搅拌好的混凝土浇筑于上述模具中，震动成型；抹平后取塑料薄膜覆盖养护24h，拆除混凝土基石模具和熔池模具，去除PVC管用，纸条堵塞热电偶位置处的钻孔后在养护室内养护28d；然后室内晾干1d后取出纸条，对熔池底部和四周进行简单磨平处理后防御烘箱中，60℃下烘干7d；将热电偶固定在混凝土基石上对应的钻孔内；
(2)放置并引燃高温熔剂：高温溶剂放入2500～3000g，溶剂表面平整，高温溶剂表面放入引燃剂25～38g，高温溶剂中成分及重量比为铝粉、氧化钙和三氧化二铁＝1:1.5:3,保持高温，引燃剂中成分及重量比为镁粉：硝酸钾＝1:3～3.5。
(3)高温熔蚀过程中温度测试：热电偶的一端接连接惠普温度采集仪，在高温熔剂燃烧和熄灭后持续采样，采样时间间隔为两秒，温度变化的平均值如图2所示，其中，从上至下三条线分别代表上部、中部和下部热电偶所测数据。
(4)高温熔蚀过程中变形测试：去混凝土基石的两个相对侧面分别贴上玻璃片，取位移传感器侧头置于玻璃片表面，保证两侧位移传感器位于同一水平面上，位移传感器连接应变采集仪，高温溶剂燃烧和熄灭后持续采样，采样时间间隔两秒，同时保持与惠普温度采集仪同时采样，牺牲混凝土在高温熔蚀过程中的变形平均值如图3所示，其中从左至右两条线分别代表右侧、左侧传感器所测数据。
(5)高温熔池轴向径向深度测试：沿高温熔池的轴向和径向方向各设置10个点，每个点间隔20mm，用游标卡尺测试溶蚀前和高温溶剂完全熄灭并冷却后高温熔池的尺寸。测试熔蚀前、后的深度，得到前后深度差，并对其平均化处理即为牺牲混凝土的底部平均熔蚀深度，其最大值即为底部最大熔蚀深度，牺牲混凝土熔蚀深度如图4所示。
Claims (7)
1.一种核电牺牲混凝土高温熔蚀简易试验装置，包括呈长方体结构的混凝土基石，其特征在于，所述的混凝土基石的顶部设有呈长方体形的凹槽，所述凹槽的长度与混凝土基石顶面长度之比、凹槽的宽度与混凝土基石宽度之比、凹槽深度与混凝土基石高度之比均为1/2；所述混凝土基石上侧面上设有三个用于放置热电偶的孔洞，所述三个热电偶竖向排列，最底端热电偶距离混凝土基石底部的距离为混凝土基石高度的1/10，两个相邻的热电偶之间的距离为混凝土基石高度的2/15。
2.根据权利要求1所述的核电牺牲混凝土高温熔蚀简易试验装置，其特征在于，所述混凝土基石的长度为400mm，宽度为400mm，高度为300mm，所述凹槽的长度和宽度均为200mm，高度为150mm，最低端热电偶距离混凝土基石底部的距离为30mm，两个相邻的热电偶之间的距离为40mm。
3.根据权利要求1所述的核电牺牲混凝土高温熔蚀简易试验装置，其特征在于，用于制造混凝土基石的混凝土原料组成及重量份为：胶凝材料400～530份，石英石1600～1700份，水160～175份，外加剂4～6份；所述凝胶材料为硅酸盐水泥和矿物掺合料，凝胶材料中硅酸盐水泥和矿物掺合料的重量比为60～80：20～40。
4.根据权利要求1所述的核电牺牲混凝土高温熔蚀简易试验装置，其特征在于，用于制造混凝土基石的混凝土原料组分及重量份为：胶凝材料400～450份、中品味赤铁矿1250～1280份、石英石800～880份、水160～170份、外加剂4.8～6份；所述凝胶材料为硅酸盐水泥和矿物掺合料，凝胶材料中硅酸盐水泥和矿物掺合料的重量比为60～80：20～40。
5.根据权利要求1～4任一权利要求所述核电牺牲混凝土高温溶蚀简易试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)构建牺牲混凝土高温熔池：取混凝土原材料，将其搅拌1～2min，然后加入外加剂和水搅拌2～3min，控制坍落度为160～200mm；用胶合板按照混凝聚基石的尺寸构建模板，模板上的热电偶位置处钻孔，同时预埋PVC管，熔池部分模具采用预埋塑料容器或木制容器；将搅拌好的混凝土浇筑于上述模具中，震动成型；抹平后取塑料薄膜覆盖养护24h，拆除混凝土基石模具和熔池模具，去除PVC管用，纸条堵塞热电偶位置处的钻孔后在养护室内养护28d；然后室内晾干1d后取出纸条，对熔池底部和四周进行简单磨平处理后防御烘箱中，60℃下烘干7d；将热电偶固定在混凝土基石上对应的钻孔内；
(2)放置并引燃高温熔剂：高温溶剂为铝粉,氧化钙和三氧化二铁，将铝粉,氧化钙和三氧化二铁按1:1.5:3的比例放入高温熔池内，保持高温溶剂表面平整；高温溶剂表面放入引燃剂引燃；
(3)高温熔蚀过程中温度测试：热电偶的一端接连接惠普温度采集仪，在高温熔剂燃烧和熄灭后持续采样，采样时间间隔为两秒；
(4)高温熔蚀过程中变形测试：取混凝土基石的两个相对侧面分别贴上玻璃片，将位移传感器侧头置于玻璃片表面，保证两侧位移传感器位于同一水平面上，位移传感器连接应变采集仪，高温溶剂燃烧和熄灭后持续采样，采样时间间隔两秒，同事保持与惠普温度采集仪同时采样；
(5)高温熔池轴向径向深度测试：沿高温熔池的轴向和径向方向各设置10个点，每个点间隔20mm，用游标卡尺测试溶蚀前和高温溶剂完全熄灭并冷却后高温熔池的尺寸。
6.根据权利要求5所述的核电牺牲混凝土高温溶蚀简易试验方法，其特征在于，步骤(2)中引燃剂为镁粉和硝酸钾，其中镁粉和硝酸钾的重量比为1:3～3.5。
7.根据权利要求5所述的核电牺牲混凝土高温溶蚀简易试验方法，其特征在于，所述引燃剂与高温溶剂的质量比为1：60～120。
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