CN105913886B - 一种测量材料在反应堆内释热率的方法及量热计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量材料在反应堆内释热率的技术。采用热量补偿法，基于温差相等热量等效原理来测量材料的释热率。该技术设计的量热计主要由两根形状及材质相同的测量桥和对比桥构成，样品材料固定在测量桥上，在对比桥上输入可控电功率，使得对比桥上测点间产生的温差与测量桥相对应测点间的温差相等，输入可控的电功率除以样品质量即为待测样品的释热率。为使得量热计可置于静止冷却剂中，并提高其安全性，量热计设有加强换热能力的冷端。为减弱气体导热以及辐射换热对测量结果的影响，量热计采用双包壳设计，两层包壳间留有间隙，该技术有效克服材料特性随环境参数变化对测量结果的影响，减少对实验结果的修正，实现对材料释热率的直接测量。

Description

一种测量材料在反应堆内释热率的方法及量热计

技术领域

本发明涉及反应堆用材料辐照装置，属于反应堆材料辐照技术领域。

背景技术

在反应堆中，随着堆内结构材料的增多以及某些辐照装置中结构材料所占份额增大，结 构材料释热已经是堆内热量的重要来源之一。堆内材源的释热一方面来源于中子的输运过程 在材料中产生的能量沉积，而另一方面，裂变反应、(n,γ)反应以及核素衰变产生的γ射线和β 射线在堆内输运时亦会同材料相互作用而释放出热量。确定结构材料的释热率对确保反应堆 安全运行以及研究型反应堆中的辐照实验开展具有重要意义。

堆内结构材料的增多会导致反应堆内释热量随之增加，可能造成堆芯内局部温度偏高， 对材料的辐照以及反应堆的安全造成影响，研究堆内结构材料的释热，可以指导合理布置辐 照靶件以及降低反应堆的运行风险。同时，在研究型反应堆中，辐照装置中会设计一定的气 隙，并通过改变气隙宽度以及调节气体成分来实现对材料内部温度的有效控制，以实现材料 的中高温辐照实验。不过由于材料释热率相关数据的缺失，气隙中气体的物性参数以及材料 的热膨胀量难以确定。在现有的材料辐照试验中，为保证辐照试验顺利实施，在多数情况下 须开展条件试验以验证辐照装置在设计上的合理性，此时，辐照试验的成本将无疑增加。因 此，知晓材料的释热情况可以指导辐照装置的合理设计以及进一步保证辐照试验的顺利安全 实施，并降低辐照试验成本。另外，特别对小功率燃料元件的辐照考验，由于材料释热在总 释热中所占比例不可忽略，准确衡量材料的释热对确定小功率燃料元件核功率非常关键。总 得说来，结构材料的释热与堆芯的安全运行、辐照试验的顺利开展以及确定小功率燃料元件 的核功率等密切相关。

确定材料的释热可以通过模型计算或者试验测量。模型计算一般通过MCNP程序完成， 该程序基于蒙特卡罗方法，可用于解析反应堆中的中子、光子以及中子-光子-电子耦合输运 问题，不过该程序中忽略了裂变缓发光子、核素衰变过程产生的光子以及电子的产生和输运， 因此对材料释热的计算具有一定局限性。实验方法主要依赖于某一测量装置并多数通过量热 手段进行测量，现有通过量热手段测量材料释热率的主要方法有：装入活性区时样品绝热加 热法、阶梯绝热加热法、静态等温法、实验测量传热系数法等。不过，在现有的测量技术中， 材料的释热率多是通过其他测量参数换算而得，并且需要复杂的计算方法来补偿样品在测量 过程中的散热，因此，实验测量结果的精准度较差，并且受实验环境影响较大。鉴于此，需 要提出一种可以直接测量材料释热率的方法，该方法要求测量值即为材料释热率，并能够大 幅减少计算方法对测量结果的修正过程，且对测量环境具有一定的抗干扰能力。

发明内容

本发明的目的是获得一种能够直接测量材料释热率的方法，并且设计有相应的测量装置以确保材料释热率的准确有效测量。通过相应的技术手段，可以减少通过计算方法对测量结果的修正过程，并且使装置具备一定的抵御测量环境扰动的能力，实现对材料释热率的直接测量。具体的技术方案如下：

本发明主要提供一种可以直接测量材料释热率的方法，该方法基于热量补偿原理，主要原理是通过可控热量，以温差等效来完成对材料释热率的测量。即利用两根形状及材质相同的高导热性能材料作为测量桥和对比桥，待测样品材料固定在测量桥上，在对比桥上输入可控的电功率，使得对比桥上测点间产生的温差与测量桥相对应测点间的温差相等，输入可控的电功率除以样品的质量即为待测样品材料的释热率。

进一步地，所述方法利用两根形状及材质相同的高导热性能材料作为测量桥和对比桥，待测样品材料固定在测量桥上，同时，两桥上都缠有等量的电加热丝，固定样品材料所在测量桥的电加热丝不通电，对比桥上的电加热丝通电以使得两桥在测点间产生的温差相等，输入的电功率除以样品的质量即为样品的释热率。

优选地，本申请中所述高导热性能材料为金属铝、镁等，该类型材料具有低密度、高导热系数以及低中子吸收截面等共同特点。

由于气体导热以及辐射换热会降低直接测量材料释热率的精度，在本发明的方法中还采用了双层包壳的结构，以提高内壁的温度。所述双层包壳结构由外包壳和内包壳组成，外包壳和内包壳间留有间隙；所述测量桥和对比桥置于双层包壳结构的内部。这样可以大幅降低待测样品通过气体的导热量以及向壁面的辐射换热量，从而减少对实验结果的修正，基本实现材料释热率的直接测量，并提高实验的测量精度。具体来讲，采有单层包壳时，由于包壳外壁面有冷却水直接冷却，整个包壳的温度仅略高于冷却水温度，而大幅低于样品表面温度，此时，待测样品释热将不可避免通过气体导热以及辐射换热方式向包壳散失，降低了直接测量释热率的精度。采用内外包壳，并在两层包壳间留有一定宽度的间隙，该间隙中可以充以氩气等低导性性能气体或直接抽成真空。该间隙的存在可以有效提高内壁面的温度，从而减小样品表面与内壁面间的温差而相应降低样品通过气体导热量以及向壁面的辐射换热量。因此，该双层包壳结构的加入，可以大幅提高测量桥以及对比桥上释热向轴向上的传递量，而减少气体导热以及辐照换热对实验结果的修正，基本实现材料释热率的直接测量，并提高实验的测量精度。

本申请中所述测量桥和对比桥的一端伸出到双层包壳结构外，形成冷端。

优选地，本申请所述双层包壳间隙充有低导性性能气体或直接抽成真空。

本申请还提供了实现上述方法的量热计，所述量热计包括测量桥、对比桥、热电偶、电加热丝、双层包壳结构、上端盖、下端盖以及冷端；所述双层包壳结构由内包壳、外包壳组成；所述测量桥、对比桥、热电偶以及电加热丝置于上端盖、内包壳以及下端盖所围成的空间内；所述测量桥和对比桥并排摆放且其上缠有等量的电加热丝；在所述测量桥的不同轴向位置上分别装有热电偶，相应地，在对比桥的相同位置上亦分别各有一支热电偶，各热电偶分别置入测量桥和对比桥相应位置的径向中心处；所述测量桥和对比桥的一端伸出到双层包壳结构外，形成冷端；所述热电偶以及电加热丝穿过上端盖与外部机构连接。

优选地，所述量热计包括测量桥、对比桥、热电偶、电加热丝、内包壳、外包壳、连接杆、上端盖、下端盖、气体填充腔、待测样品、冷端以及热电偶固定环；所述测量桥、对比桥、热电偶、电加热丝以及气体填充腔置于上端盖、内包壳以及下端盖所围成的空间内；所述测量桥和对比桥并排摆放且其上缠有等量的电加热丝；在所述测量桥的不同轴向位置上分别装有热电偶，相应地，在对比桥的相同位置上亦分别各有一支热电偶，各热电偶分别置入测量桥和对比桥相应位置的径向中心处；待测样品固定在测量桥的顶端，在待测样品中心所在平面的内包壳内壁面上还装有一支热电偶，该热电偶通过热电偶固定环安装在内包壳的内壁面上；测量桥上，所述电加热丝位于待测样品与热电偶布置点之间；所述测量桥和对比桥的一端伸出到双层包壳结构外，形成冷端；所述热电偶以及电加热丝穿过上端盖直接进入连接杆与外部机构连接；所述量热计通过连接杆与外部机构相连。

优选地，量热计中所述连接杆为空心结构。

优选地，所述量热计的气体填充腔内充有惰性气体。

优选地，所述待测样品表面做抛光处理。

在实际应用中，所述量热计的测量桥与对比桥置入堆内时并排指向堆芯轴向。

本申请所述量热计置入反应堆时，测量桥、对比桥、待测样品以及电加热丝会与堆中的中子等粒子以及伽马等射线发生相互作用而释热，释热沿测量桥或对比桥通过冷端导出量热计。在测量桥上，电加热丝不通电，此时无电功率输入，样品、电加热丝以及测量桥上的铝材产生的释热沿测量桥轴向传递到冷端而释放到量热计外部，并同时在布置热电偶的两个测点之间产生一定的温差；而在对比桥上，电加热丝通有电流而有电功率输入，输入的电功率、电加热丝在堆内的本身释热以及对比桥上铝材的释热共同沿对比桥的轴向通过冷端传递到量热计外部，并亦同时在布置热电偶的两个测点之间产生温差。监测并调节对比桥上输入的电流以及电加热丝两端的电压，直到对比桥上两个测点间热电偶所测得的温差与测量桥上基本相等。由于测量桥与对比桥材质与形状完全相同，并且置入的电加热丝亦相同，因此，根据热流量相同而温差等效的原理，可以认为输入的电功率除以样品的质量即为所测样品的释热率。

本申请中提到的量热计采用热量补偿法，该设计的好处在于可以克服铝材特性随环境变化所带来对测量结果的影响。通过控制对比桥与测量桥上两支热电偶之间的温差近似，可以保证对比桥上输入的电功率与测量桥上样品的释热接近。因此，在两支热电偶测点之间，测量桥以及对比桥上的温度分布情况基本相同。由于铝材的导热等性能受温度等因素的影响，利用等效热量补偿法可以使得对比桥上铝材的特性几乎接近测量桥。在量热计入堆测量材料的释热率时，测量桥与对比桥并排并同时指向堆芯轴线，因此，从热工以及核物理角度来看，对比桥和测量桥都能够对环境同幅度响应，从而保证对比桥上输入的电功率能够准确反映所测量样品的释热情况。

本申请中量热计的冷端设计可以使得量热计可以同时适用于压力管辐照孔道和压力壳辐照孔道。在研究型反应堆中，压力管辐照孔道对应为静止状态下的冷却水，而压力壳辐照孔道中冷却剂流速与堆芯流速一致。针对压力管辐照孔道，在静水条件下，量热计中的释热主要以导热和自然对流方式传递至装置外，此时对传热要求较高；而针对压力壳辐照孔道，由于冷却剂处于流动状态，量热计中的释热主要以导热和自然对流方式传递至装置外。在本发明技术中，将测量桥和对比桥的另一端加长并置于量热计外部以增加量热计与外部冷却剂的换热面积。在量热计中，该设计结构的冷端的加入，可以使得测量桥和对比桥所承载的热量快速导出量热计外，降低量热计内部超温风险，避免材料高温蠕变或熔化，提高量热计入堆测量的安全性。因此，本发明中的量热计即使应用于压力管辐照孔道亦能够保证装置在测量材料释热率时的安全性。

优选地，在该发明的量热计中至少置有5支热电偶，测量桥和对比桥上分别置入两支，以监测热量的轴向传递情况，而第五支热电偶安装在样品中心所在平面的包壳内壁面上，该热电偶通过固定环安装在内壁面上，主要用于评估样品释热在径向上通过气体导热以及辐射换热所传递的热流量。样品释热通过气体的导热量以及辐射换热量很难直接测量，一般是利用相应的计算方法来补偿这一部分热量，但由于计算模型的复杂性以及与实际情况之间存在差异，通过计算方法来补偿测量值是降低释热率测量结果精度的重要影响因素。为了降低气体导热以及辐照换热对测量结果的影响，可以在量热计的气体填充腔中充入氩气等惰性气体以增强隔热效果，并对待测样品表面做抛光处理以减小材料发射率而降低辐射换热量。

有益效果：本申请采用热量补偿法，依据热量相等温差等效的原理设计量热计。利用样品释热在测量桥上产生一定量的温差，同时，在对比桥上外在加载一定量的电功率，以使得对比桥上的温差与测量桥上一致，从而所输入的电功率理论上等效于样品的释热。由于在测量桥和对比桥上具有相同的温度分布，并且测量桥与对比桥置入堆内时并排指向堆芯轴向，在实验环境参数有波动时，两桥上的核物理以及传热过程同幅变化，可以有效保证输入的电功率基本接近样品的释热。同时，考虑到热量的快速导出以及防止装置超温，在量热计中加入冷端，以使得量热计可以有效应用于静止冷却剂中。由于气体导热以及辐射换热会降低直接测量材料释热率的精度，在本发明的技术中采用了双层保壳的结构，以提高内壁的温度；有益效果具体表现在：

1）本申请采用的热量补偿法，可以使得对比桥与测量桥都能够对环境同幅度响应，从而有效克服铝材特性随环境参数变化对测量结果的影响；

2）本申请中冷端的加入，可以使得量热计应用于静止冷却剂中，并降低量热计内部超温风险，避免材料高温蠕变或熔化，提高量热计入堆测量的安全性；

3）本申请提到的双包壳技术，可以大幅降低样品通过气体的导热量以及向壁面的辐射换热量，从而减少对实验结果的修正，基本实现材料释热率的直接测量，并提高实验的测量精度。

附图说明

图1量热计的结构示意图。

图中：1.测量桥；2.对比桥；3.测量桥电加热丝；4.样品；5.内包壳；6.间隙层；7.外包壳；8.热电偶；9.连接杆；10.上端盖；11.填充气体；12.热电偶固定环；13.对比桥补偿电加热丝；14.下端盖；15.冷端。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明主要提供一种可以直接测量材料释热率的技术，该技术主要依据热量补偿法。主要原理是通过可控热量，以温差等效来完成对材料释热率的测量。依据该方法设计的量热计主要由测量桥1、对比桥2、冷端15、电加热丝3或13、热电偶8、双层壳体结构以及上下端盖10和14等组成，其中，电加热丝3或13以及热电偶8由上端盖引出至反应堆外，与监测及控制仪器相连。

该发明中的量热计的基本结构由两根铝棒构成，两根铝棒的形状及材质完全相同，其中一根铝棒作为测量桥1，另一根铝棒作为对比桥2。两支热电偶分别安装在测量桥1的不同轴向位置上，相应地，在对比桥2的相同位置上亦分别各有一支热电偶，各热电偶分别置入测量桥1和对比桥2相应位置的径向中心处。样品4固定在测量桥1的顶端，同时，在测量桥1上，位于样品4以及热电偶布置点之间缠有一定量的电加热丝3，对应地，在对比桥2的相同位置上亦缠有相同量的电加热丝13。

本申请提供的量热计的具体结构如图1所示，从图中可以看出，所述量热计包括测量桥1、对比桥2、热电偶8、测量桥电加热丝3、对比桥补偿电加热丝13、待测样品4、内包壳5、外包壳7、连接杆9、上端盖10、下端盖14、气体填充腔11、冷端15以及热电偶固定环12和间隙层6；所述测量桥1、对比桥2、热电偶8、电加热丝3或13以及气体填充腔11置于上端盖10、内包壳5以及下端盖14所围成的空间内；所述测量桥1和对比桥2并排摆放且其上缠有等量的电加热丝3或13；在所述测量桥1的不同轴向位置上分别装有热电偶8，相应地，在对比桥2的相同位置上亦分别各有一支热电偶8，各热电偶8分别置入测量桥1和对比桥2相应位置的径向中心处；待测样品4固定在测量桥1的顶端，在待测样品4中心所在平面的内包壳5内壁面上还装有一支热电偶8，该热电偶8通过热电偶固定环12安装在内包壳5的内壁面上；测量桥1上，所述测量桥电加热丝3位于待测样品4与热电偶8布置点之间；所述测量桥1和对比桥2的一端伸出到双层包壳结构外，形成冷端15；所述热电偶8以及电加热丝3或13穿过上端盖10直接或进入连接杆9与外部机构（如监测及控制仪器等）连接；所述量热计通过连接杆9与外部机构相连。

本发明中量热计置入反应堆时，测量桥1、对比桥2、待测样品4以及电加热丝3或13会与堆中的中子等粒子以及伽马等射线发生相互作用而释热，释热沿测量桥1或对比桥2通过冷端15导出量热计。在测量桥1上，测量桥电加热丝3不通电，此时无电功率输入，待测样品4、测量桥电加热丝3以及测量桥1上的铝材产生的释热沿测量桥1轴向传递到冷端15而释放到量热计外部，并同时在布置热电偶8的两个测点之间产生一定的温差；而在对比桥2上，对比桥补偿电加热丝13通有电流而有电功率输入，输入的电功率、对比桥补偿电加热丝13在堆内的本身释热以及对比桥2上铝材的释热共同沿对比桥2的轴向通过冷端15传递到量热计外部，并亦同时在布置热电偶8的两个测点之间产生温差。监测并调节对比桥2上输入的电流以及对比桥补偿电加热丝13两端的电压，直到对比桥2上两个测点间热电偶8所测得的温差与测量桥1上基本相等。由于测量桥1与对比桥2材质与形状完全相同，并且置入的电加热丝亦相同，因此，根据热流量相同而温差等效的原理，可以认为输入的电功率除以样品的质量即为所测样品的释热率。

本发明工作原理为：利用与测量桥1形状及材质完全相同的对比桥2上的补偿电加热丝13产生的电功率等效测量桥1上样品的释热。为了降低气体导热以及辐照换热对测量结果的影响，在量热计的空腔中中充入氩气等惰性气体11以增强隔热效果，并对样品4表面做抛光处理以减小材料发射率而降低辐射换热量。同时，量热计还设计有内包5以及外包壳7，并在两层包壳间留有一定的间隙层6，通过在该间隙6中充以氩气等低导性性能气体或调节真空度来进一步减小样品通过气体的导热以及向壁面的辐射换热量。同时，为进一步监测导热和辐射换热量，在对应样品轴向中心位置处通过热电偶固定环12在内包壳内壁面上安装一支热电偶8。量热计中的测量桥1、对比桥2、热电偶8以及电加热丝3及13等核心部件置于上端盖10、内包壳5以及下端盖14所围成的空间内。量热计通过空心的连接杆9与高度调节等机构相连，量热计中的热电偶8以及电加热丝3及13穿过上端盖10进入连接杆9与堆外测量控制系统相连。电功率与材料的释热等效通过测量桥1以及对比桥2上两支热电偶8来监测。考虑到电加热丝本身在堆内的释热，在测量桥1相同位置上亦缠有等量的电加丝热3。量热计置入反应堆后，在测量桥1上，电加热丝3不通电而不会有电功率输入，样品4的释热、电加热丝3本身的释热以及测量桥1上铝材的释热沿测量桥轴向传递到冷端15而释放到装置外，并同时在两支热电偶位置间产生一定量的温差。在对比桥2上，补偿电加热丝13通以电热，并且要求输入的电功率可调，调节输入的电功率，使得对比桥2上两支热电偶位置间产生的温差与测量桥1上相等，此时，由于样品在径向上的散热很小，该等效温差是由轴向上等量的热流量引起，由于两桥上来源于电加热丝以及桥材料本身的释热相等，对比桥上输入的电功率即近似为样品的释热。

本申请采用热量补偿法，可以使得对比桥与测量桥都能够对环境同幅度响应，从而有效克服铝材特性随环境参数变化对测量结果的影响；通过冷端的加入，可以使得量热计应用于静止冷却剂中，并降低量热计内部超温风险，避免材料高温蠕变或熔化，提高量热计入堆测量的安全性；通过双包壳技术，可以大幅降低样品通过气体的导热量以及向壁面的辐射换热量，从而减少对实验结果的修正，基本实现材料释热率的直接测量，并提高实验的测量精度。

Claims (8)

1.一种测量材料在反应堆中释热率的方法，其特征在于，所述方法基于热量补偿原理，利用两根形状及材质相同的高导热性能材料作为测量桥和对比桥，待测样品材料固定在测量桥上，在对比桥上输入可控的电功率，使得对比桥上测点间产生的温差与测量桥相对应测点间的温差相等，输入可控的电功率除以待测样品材料的质量即为待测样品材料的释热率；所述方法还包括一个双层包壳结构，由外包壳和内包壳组成，外包壳和内包壳间留有间隙；所述测量桥和对比桥置于双层包壳结构的内部；所述测量桥和对比桥的一端伸出到双层包壳结构外，形成冷端。

2.根据权利要求1所述的测量材料在反应堆中释热率的方法，其特征在于，所述方法利用两根形状及材质相同的高导热性能材料作为测量桥和对比桥，待测样品材料固定在测量桥上，同时，两桥上都缠有等量的电加热丝，待测样品材料所在测量桥的电加热丝不通电，对比桥上的电加热丝通电以使得两桥在测点间产生的温差相等，输入的电功率除以待测样品材料的质量即为待测样品材料的释热率。

3.根据权利要求1所述的测量材料在反应堆中释热率的方法，其特征在于，所述高导热性能材料为具有低密度、高导热系数以及低中子吸收截面性能；所述高导热性材料为铝或镁。

4.根据权利要求1所述的测量材料在反应堆中释热率的方法，其特征在于，所述双层包壳间隙充有低导热性能的惰性气体或直接抽成真空。

5.实现上述权利要求1-4任一权利要求所述测量材料在反应堆中释热率的方法的量热计，其特征在于，所述量热计包括测量桥、对比桥、热电偶、电加热丝、双层包壳结构、上端盖、下端盖以及冷端；所述双层包壳结构由内包壳、外包壳组成；所述测量桥、对比桥、热电偶以及电加热丝置于上端盖、内包壳以及下端盖所围成的空间内；所述测量桥和对比桥并排摆放且其上缠有等量的电加热丝；在所述测量桥的不同轴向位置上分别装有热电偶，相应地，在对比桥的相同位置上亦分别各有一支热电偶，各热电偶分别置入测量桥和对比桥相应位置的径向中心处；所述测量桥和对比桥的一端伸出到双层包壳结构外，形成冷端；所述热电偶以及电加热丝穿过上端盖与外部机构连接。

6.根据权利要求5所述的量热计，其特征在于，所述量热计包括测量桥、对比桥、热电偶、电加热丝、双层包壳结构、连接杆、上端盖、下端盖、气体填充腔、待测样品材料、冷端以及热电偶固定环；所述双层包壳结构由内包壳、外包壳组成；所述测量桥、对比桥、热电偶、电加热丝以及气体填充腔置于上端盖、内包壳以及下端盖所围成的空间内；所述测量桥和对比桥并排摆放且其上缠有等量的电加热丝；在所述测量桥的不同轴向位置上分别装有热电偶，相应地，在对比桥的相同位置上亦分别各有一支热电偶，各热电偶分别置入测量桥和对比桥相应位置的径向中心处；待测样品材料固定在测量桥的顶端，在待测样品材料轴向中心所对应的内包壳内壁面上还装有一支热电偶，该热电偶通过热电偶固定环安装在内包壳的内壁面上；测量桥上，所述电加热丝位于待测样品材料与热电偶布置点之间；所述测量桥和对比桥的一端伸出到双层包壳结构外，形成冷端；所述热电偶以及电加热丝穿过上端盖进入连接杆与外部机构连接；所述量热计通过连接杆与外部机构相连。

7.根据权利要求6所述的量热计，其特征在于，所述连接杆为空心结构；所述气体填充腔内充有惰性气体；待测样品材料表面做抛光处理。

8.权利要求5-7任一权利要求所述量热计的应用，其特征在于，所述测量桥与对比桥置入堆内时并排指向堆芯轴向。