CN106409365A - 独立温度补偿型材料辐照考验装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

独立温度补偿型材料辐照考验装置，包括辐照罐、进气管、出气管，述辐照罐包括外套管、设置在外套管内的内套管、两个设置在外套管和内套管之间的隔板，外套管和内套管之间形成环形空腔，两个隔板将外套管和内套管之间的环形空腔分为两个子空腔；每个子空腔中设置一个材料夹持装置，每个材料夹持装置上均开设有气管通孔；进气管和出气管的数量均至少为2根，每个材料夹持装置的气管通孔内至少安装有一根进气管，每个子空腔至少与1根出气管连通。本发明对辐照罐的阴、阳两面分别进行温度调控，使辐照试验段阴、阳面的温度趋于一致，并通过热电偶与温度测控系统相连，对辐照考验温度进行实时监测，具有温度控制灵敏且独立，辐照温度均匀的特点。

Description

独立温度补偿型材料辐照考验装置及其安装方法

技术领域

本发明涉及研究堆材料辐照技术领域，具体地，涉及一种独立温度补偿型材料辐照考验装置及其安装方法。

背景技术

反应堆用材料在正式使用之前，必须经过堆内辐照考验，以验证其耐辐照性能是否满足使用要求，材料的堆内辐照考验需在一定的技术条件下进行，其中一个重要的指标为辐照样品的辐照温度。目前在我国高通量反应堆(简称HFETR)上的材料辐照考验装置能够进行相关的材料辐照考验，但现有辐照考验装置的结构设计最高只能实现400℃左右的材料辐照温度。由于研究堆与辐照装置的结构特点，材料辐照考验装置进行辐照考验时，辐照试验段的一面正对堆芯（以下将正对堆芯的一面称为“阳面”），另一面背对堆芯（以下将背对堆芯的一面称为“阴面”），现有技术中辐照试验段采用一个整体式圆筒辐照罐装载所有辐照样品，当辐照样品数量多、辐照温度较高时，对所有辐照样品的辐照温度均匀性要求较高。

中国专利申请CN102867554A公开了一种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。该专利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，该专利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。

模块式套管型随堆辐照考验装置在辐照过程中由于阳面接受的伽马强度比阴面高，造成阳面的辐照温度比阴面高，最大温度差异可达50℃。另外，模块式套管型随堆辐照考验装置采用安装电加热元件的方式来减小轴向辐照温度，但在实际的工程应用中，电加热元件在高温和高中子辐照的条件下易损坏，同时，电加热元件的引入，将占据一定的辐照空间，减少装置辐照样品装载量，增加辐照装置的组装难度。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种独立温度补偿型材料辐照考验装置，该独立温度补偿型材料辐照考验装置对辐照罐阴、阳两面的温度单独控制，使阴、阳两面的温度差满足辐照要求。本发明还提供了该独立温度补偿型材料辐照考验装置进行试验时的安装方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

独立温度补偿型材料辐照考验装置，包括辐照罐、进气管、出气管，所述辐照罐包括外套管和设置在外套管内的内套管，外套管和内套管之间形成环形空腔，所述辐照罐还包括两个设置在外套管和内套管之间的隔板，两个隔板将外套管和内套管之间的环形空腔分为两个子空腔；每个子空腔中设置一个材料夹持装置，每个材料夹持装置上均开设有气管通孔；所述进气管和出气管的数量均至少为2根，每个材料夹持装置的气管通孔内至少安装有一根进气管，每个子空腔至少与1根出气管连通。发明人在长期的研究实践中发现，现有技术中，辐照罐采用整体式圆筒辐照罐装载所有辐照样品，而由于研究堆与辐照装置的结构特点，辐照实验时，辐照罐的一面（阳面）正对堆芯，另一面（阴面）背对堆芯，在辐照试验过程中，阳面接受的伽马强度比阴面的高，发热量大，因此会造成辐照罐阴、阳两面的辐照样品存在一定的温度差异。有鉴于此，发明人提出了本方案的独立温度补偿型材料辐照考验装置，将辐照罐内装载辐照样品的环形空腔分为两个单独密封的子空腔，每个子空腔分别设置独立的进气管和出气管与不同的气体调控系统相连，可通过进气管对两个子空腔充入不同的气体实现对辐照罐阴、阳两面的辐照样品进行独立地温度调控，减小阴、阳面的辐照温度差异，使阴、阳两面的辐照考验温度趋于一致，使辐照温度整体可控，达到辐照考验温度要求。

进一步，所述材料夹持装置上安装有探测样品，所述出气管内还穿设有热电偶导线，所述热电偶导线上端伸出出气管、下端伸入子空腔内且热电偶导线下端连接有热电偶；所述热电偶与探测样品相连。本方案中，在材料夹持装置上安装探测样品，并通过热电偶测试探测样品的温度，探测样品内安装中子探测器，可以监控中子数量。热电偶可通过其热电偶导线与温度测控系统相连，可对辐照考验温度进行实时监测，在监测温度的基础上再根据研究堆的运行功率对两个子空腔的辐照考验温度进行实时调控，使辐照考验温度满足辐照考验要求。

作为本发明的进一步改进，上述独立温度补偿型材料辐照考验装置还包括固定装置，所述辐照罐还包括连接在辐照罐上端的顶法兰、连接在辐照罐下端连的底法兰；所述固定装置包括保护管、定位法兰、鼠笼，保护管下端固定在辐照罐上端、上端固定连接定位法兰；所述鼠笼连接在定位法兰上且鼠笼上开设有热电偶导线通孔和出气孔；所述顶法兰和定位法兰上均开设有安装进气管的进气管通孔和安装出气管的出气管通孔，所述鼠笼内部与定位法兰上的出气管通孔连通；所述进气管从上至下依次穿过定位法兰、顶法兰、材料夹持装置的气管通孔，下端伸入辐照罐的子空腔底部；所述出气管上端固定在定位法兰上的出气管通孔内、下端固定在顶法兰的出气管通孔内或穿过顶法兰伸入子空腔内；所述热电偶导线上端伸出鼠笼。本实施例中，保护管具有增加材料辐照考验装置强度和刚度的作用，定位法兰用于安装材料辐照考验装置安装。本方案的固定装置不仅能很好地将辐照罐稳定可靠的安装在堆内，而且为两个子空腔与气体调控系统、温度测控系统的连接提供了支撑。

进一步，为了将固定材料夹持装置更好地固定在子空腔内，所述材料夹持装置上端还连接有上定位块、下端还连接有下定位块；为了更好地密封两个子空腔，所述底法兰焊接在辐照罐底部的内筒和外筒之间，顶法兰焊接在辐照罐顶部的内筒和外筒之间；为了更好地固定辐照罐，所述辐照罐的内筒顶部还焊接有过渡接头，所述保护管下端固定在过渡接头上端。

进一步，所述进气管上端还连接有咀嘴，所述鼠笼的出气孔上也连接有咀嘴；所述固定装置还包括密封塑料套管，该密封塑料套管密封连接在鼠笼的热电偶导线通孔内；所述导线上端穿过密封塑料套管伸出鼠笼。咀嘴主要用于连接外部气体调控系统，热电偶导线用于连接外部温度测控系统，密封塑料套管用于在引出热电偶导线的同时保证鼠笼的密封性。

进一步，所述材料夹持装置呈半圆筒状，所述子空腔呈半圆环状，所述进气管和出气管的数量均为2根，2根进气管各伸入一个材料夹持装置的气管通孔内，2根出气管各与一个子空腔连通。

作为本发明的又一改进，所述材料夹持装置包括至少3个沿辐照罐轴线方向依次排布的分夹持机构，每个分夹持机构上都开设有气管通孔、样品存放槽，且每个分夹持机构上安装有探测样品，每个分夹持机构靠近外套管的一面上还设置有限位筋条。由于研究堆的中子注量率在辐照罐轴向大致呈余弦分布，造成辐照罐在轴向上接受的中子注量不同，使辐照罐中轴向分布的辐照样品的辐照温度存在差异，呈现出中间高，两端低的现象。当辐照样品数量多，辐照温度高时，将增加轴向上的辐照样品的温度差，无法保证所有辐照样品的辐照温度都满足要求。有鉴于此，发明人提出了本方案中的阶梯间隙温度补偿方案，具体是将材料夹持装置在轴向上分为独立的3个以上的分夹持机构，这些分夹持机构可以具有不同的气体间隙以调整辐照温度，从而可有效降低辐照罐在轴向上的温度差。并且，每个分夹持机构上安装有探测样品，探测所在位置的中子量和温度，可对辐照考验温度进行实时监测，从而便于气体调控系统根据研究堆的运行功率对辐照考验温度进行实时调控，使辐照考验温度满足辐照考验要求。

进一步，所述分夹持机构包括內夹块、套设在内夹块上的外夹块，所述内夹块包括第一筒体和设置在第一筒体外侧壁上的多个第一凸块，所述第一筒体为弧形筒体；所述多个第一凸块沿内夹块的圆周分布，相邻两个第一凸块之间构成第一凹槽；所述外夹块包括第二筒体和设置在第二筒体内侧壁上的多个第二凸块，所述第二筒体也为弧形筒体，所述多个第二凸块沿外夹块的圆周分布，相邻两个第二凸块之间构成第二凹槽；外夹块套设在内夹块上时，第一凹槽正对第二凹槽并构成样品存放槽，第一凸块正对第二凸块；所述气管通孔设置在外夹块上；所述限位筋条设置在外夹块外壁上。

进一步，每个分夹持机构上的样品存放槽的数量至少为2个，至少一个样品存放槽用于安装辐照样品，且至少一个样品存放槽用于安装探测样品，所述探测样品内安装有中子探测器，其外壁上开设有布置热电偶测点的凹槽，所述外夹块由并排在一起的左夹块和右夹块构成，左夹块和右夹块之间预留有放置热电偶导线的缝隙，该缝隙的长度方向平行于辐照罐的轴向。本方案中的分夹持机构采用分体式结构便于对辐照样品和探测样品的组装以及辐照后解体取出，并且便于安装热电偶导线。

独立温度补偿型材料辐照考验装置的安装方法，包括以下步骤：

S1、分夹持机构安装样品：将辐照样品和安装了中子探测器的探测样品分别放入內夹块的不同样品存放槽内，将热电偶的测点端固定在探测样品的凹槽内，最后将外夹块包覆在內夹块、辐照样品和探测样品外，并将热电偶的热电偶导线（11）安放在外夹块的左夹块和右夹块之间的缝隙中；

S2、辐照罐装入材料夹持装置：将各分夹持机构依次放入辐照罐的子空腔内，两个材料夹持装置分别放入两个子空腔后，两根进气管穿过顶法兰后再分别穿过两个子空腔内的所有分夹持机构的气管通孔，使进气管下端到达每个子空腔底部；将两根出气管下端分别伸入顶法兰上的出气管通孔内，热电偶导线从出气管内穿出；最后在材料夹持装置上端安装上定位块、下端安装下定位块对材料夹持装置进行定位；

S3、密封辐照罐：将顶法兰和底法兰分别封焊在与辐照罐两端的内管与外管之间，将过渡接头焊接在辐照罐的内管上端；

S4、安装固定装置：将保护管下端与过渡接头上端焊接在一起，保护管上端与定位法兰焊接连接；

S5、安装进气管和出气管：进气管上端依次穿过顶法兰、定位法兰后与一个咀嘴下端焊接在一起；将出气管上端焊接在定位法兰的出气管通孔内；

S6、安装热电偶导线：热电偶导线穿出出气管后进入鼠笼；将密封塑料套管套设在热电偶导线外，并将该密封塑料套管塞入鼠笼的热电偶导线通孔内后采用密封胶进行密封；

S7、安装鼠笼：将鼠笼下端焊接在定位法兰上端，并使鼠笼与顶法兰上的出气管通孔连通；在鼠笼的每个出气孔处焊接咀嘴。

综上，本发明的有益效果是：

1、本发明将辐照罐的内部环形空腔分隔为阴阳两个独立的子空腔，采用阴阳面温度独立控制技术，对两个子空腔单独通入气体进行控制，对辐照罐的阴、阳两面分别进行温度调控，使辐照试验段阴、阳面的温度趋于一致。

2、本发明对辐照罐轴向采用阶梯间隙温度补偿技术，采用多个分夹持机构并排在轴向构成样品夹持装置，每个分夹持机构到辐照罐的间隙可以不同，从而温度不同，可有效降低辐照罐在轴向上的温度差。

3、本发明通过热电偶与温度测控系统相连，可对辐照考验温度进行实时监测，通过一定的接口与气体调控系统相连，可根据研究堆的运行功率对辐照考验温度进行实时调控，使辐照考验温度满足辐照考验要求。

4、本发明的材料夹持装置分为三部分对辐照样品进行包夹，便于辐照样品的组装及辐照后解体取出。

5、本发明的独立温度补偿型材料辐照考验装置采用熔点为1400℃左右的06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢制成，具有辐照温度高、耐高温辐照性能好的优点，能够支撑(650±50)℃的高温辐照考验试验。

6、本发明结构简单、密封性能好。

附图说明

图1是本发明的独立温度补偿型材料辐照考验装置的剖面图；

图2是辐照罐和材料夹持装置的结构示意图；

图3是材料夹持装置的结构示意图；

图4是鼠笼的结构示意图；

附图中标记及相应的零部件名称：1-底法兰；2-下定位块；3-辐照罐；4-辐照样品；5-探测样品；6-上定位块；7-顶法兰；8-过渡接头；9-进气管；10-出气管；11-热电偶导线；12-保护管；13-定位法兰；14-吊耳；15-咀嘴；16-鼠笼；17-密封塑料套管；18-左夹块；19-右夹块；20-内夹块；21-气管通孔；22-样品存放槽；23-外夹块；24-隔板；25定位筋。

具体实施方式

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

实施例1：

如图1所示，独立温度补偿型材料辐照考验装置，包括辐照罐3、进气管9、出气管10。辐照罐3用于装载辐照样品4，使辐照样品4处于研究堆活性区，为辐照考验装置的核心部件。所述辐照罐3包括外套管、设置在外套管内的内套管、两个设置在外套管和内套管之间的隔板24，外套管和内套管之间形成环形空腔，两个隔板24位于辐照罐3的同一直径上，将外套管和内套管之间的环形空腔分为两个半圆环形的子空腔；每个子空腔中设置一个半圆筒结构的材料夹持装置。

每个材料夹持装置上均开设有1个贯穿材料夹持装置上、下两个端面的气管通孔21；所述进气管9和出气管10的数量均为2根，每个材料夹持装置的气管通孔21内安装有一根进气管9，每个子空腔与1根出气管10连通。进气管9穿过材料夹持装置的气管通孔21伸入所在子空腔的底部，出气管10下端位于子空腔顶部，进气管9和出气管10连接外部气体调控系统。

本实施例中，独立温度补偿型材料辐照考验装置设计成与两套气体调控系统配合的方式：将辐照罐3内安装辐照样品4的环形空腔分隔为两个子空腔，每个子空腔通过与该子空腔相连的进气管9和出气管10与一套气体调控系统相连。

传统的材料辐照考验装置中，辐照罐3为一个整体式的圆筒，并在圆筒3内放置所有的辐照样品4，且只通过一套气体调控系统对辐照罐3内的辐照温度进行调节。发明人在长期的实验研究中发现，这种辐照罐3和气体调控系统的配合方式会造成辐照罐3内靠近堆芯的辐照样品4由于接受的中子注量多，辐照温度相对较高，而远离堆芯的辐照样品接受的中子注量少，辐照温度相对较低，导致辐照罐3内辐照温度不均匀性增加，使部分辐照样品4的辐照考验温度无法达到辐照考验要求。基于此，发明人提出了采用阴阳面温度独立控制方式解决辐照罐3中阴、阳面辐照温度差异较大的问题的思路。两个隔板24将环形的辐照空间分割为独立的阴、阳两面的子空腔，且两个子空腔各自与一套气体调节系统相连，可实现对辐照罐3的阴、阳两面的辐照样品4进行独立地温度调控，减小阴、阳面的辐照温度差异。具体控制方式是，在实际的辐照考验过程中，阳面的子空腔内多充入一点氦气，阴面的子空腔内多充入一点氩气，使阴、阳两面的辐照考验温度趋于一致。

所述材料夹持装置上安装有探测样品5，两根出气管10内均还穿设有热电偶导线11，所述热电偶导线11上端伸出出气管10、下端伸入子空腔内且热电偶导线11下端连接有热电偶；所述热电偶的测点与探测样品5相连，测量探测样品5的温度，热电偶导线11上端可通过补偿导线与温度温测控系统相连。探测样品5用于探测所在位置的中子量和辐照温度，其材料与辐照样品4相同，其内部可以安装中子探测器。本实施例中通过热电偶和探测样品可对阴阳两侧的辐照考验温度进行实时监测，从而便于气体调控系统根据研究堆的运行功率对辐照考验温度进行实时调控，使辐照考验温度满足辐照考验要求。

辐照罐3的可以采用以下两种方式制造：

一是采用一个壁厚1.8mm的内筒、一个壁厚1.8mm且内径为44.2mm的外筒和两个厚1.8mm的隔板24，将两个隔板24焊接在内筒与外筒之间形成辐照罐3。

二是采用一个圆柱，在圆柱内部的两半圆部分通过线切割工艺切割出两个独立的扇形通孔，两扇形孔距离辐照罐外壁1.8mm、两扇形孔之间留有1.8mm的不锈钢板将两者隔开，在圆柱中心开设一个圆形通孔，即形成辐照罐3，其中两扇形孔即辐照罐3的两个子空腔，两个扇形孔之间的不锈钢板即两个隔板24，圆柱中心的圆形通孔内径为44.2mm。

上述辐照罐的外筒、内筒的壁厚、隔板的厚度、内筒的内径等参数不仅限于本实施例中提供的具体数值，可以根据实际需要进行调整。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例中，为了更好地将材料夹持装置固定在子空腔内，所述材料夹持装置上端还连接有上定位块6、下端还连接有下定位块2。材料夹持装置将样品夹持好后安装到子空腔内，然后上定位块6从上端将材料夹持装置固定，下定位块2从下端将材料夹持装置固定。两个子空腔的材料夹持装置可以分别采用结构不同的上定位块6、下定位块2固定，也可以采用结构相同的上定位块6、下定位块2固定。实际上，上定位块6和下定位块2的结构可以相同也可以不同；两个上定位块6的结构可以相同也可以不同，两个下定位块2的结构可以相同也可以不同，只是由于两个子空腔为分隔、独立的两部分，无法共用一个上定位块6或一个下定位块2。

实施例3：

在实施例1或实施例2的基础上，本实施例中的独立温度补偿型材料辐照考验装置还包括固定装置。固定装置用于将辐照考验装置固定于辐照孔道中，通过相应的接口与堆外气体调控系统和温度测控系统相连，起连接导向作用。

所述辐照罐3还包括连接在辐照罐6上端的顶法兰7、连接在辐照罐6下端连的底法兰1，具体地：底法兰1封焊在辐照罐3底部的内筒和外筒之间，顶法兰7封焊在辐照罐3顶部的内筒和外筒之间，使辐照罐3的两个子空间上下两端分别被顶法兰7和底法兰1密封，但顶法兰7上开设有安装进气管9的进气管通孔和安装出气管10的出气管通孔，由于本实施例中每个子空腔内连接有一根进气管9和一根出气管10，因此顶法兰7上，在每个子空腔对应的位置应开设一个的进气管通孔和一个的出气管通孔，共四个通孔；过渡接头8封焊在辐照罐3的内筒顶部。底法兰1、顶法兰7和过渡接头8均采用圆周满焊的方式与相应的内筒、外筒焊接在一起。

所述固定装置包括保护管12、定位法兰13、吊耳14、两个鼠笼16，保护管12上端焊接于定位法兰13的下端面，下端焊接于过渡接头8的上端面，起增加装置强度和刚度的作用；定位法兰13用于将独立温度补偿型材料辐照考验装置与反应堆平顶盖相连，连接时定位法兰13与反应堆平顶盖通过镙钉固定连接。吊耳14焊接于定位法兰13的上端面，起吊装作用。所述定位法兰13上开设有2个安装进气管9的进气管通孔和2个安装出气管10的出气管通孔。两根进气管9从上至下依次穿过定位法兰13上的进气管通孔、顶法兰7上的进气管通孔、材料夹持装置的气管通孔21，进气管9下端伸入辐照罐3的子空腔底部。进气管9与顶法兰7圆周满焊在一起、与定位法兰13点焊在一起。如图4所示，两个鼠笼16均焊接在定位法兰13的上端面上，与定位法兰13圆周满焊在一起，两个鼠笼16分别位于定位法兰13上安装出气管10的2个通孔正上方，使每个鼠笼16内部与一根出气管10连通；两个鼠笼16上均开设有热电偶导线通孔和出气孔。

两根出气管10上端分别固定在定位法兰13上的两个出气管通孔内、下端分别穿过定位法兰13上的两个出气管通孔后分别伸入顶法兰7的两个出气管通孔内并与顶法兰7的出气管通孔圆周满焊，两根出气管10分别通过顶法兰7的两个出气管通孔分别两个子空腔连通，出气管10与定位法兰13的出气管通孔也为圆周焊接。实际应用中，两根出气管10下端也可以分别穿过顶法兰7的两个出气管通孔，伸入子空腔内。

所述两根出气管10内均还穿设有热电偶导线11，热电偶导线11一端伸入所在子空腔的材料夹持装置内连接热电偶，另一端伸出所在鼠笼16。

所述进气管9上端还连接有咀嘴15，进气管9上端与咀嘴15圆周满接在一起，所述鼠笼16的出气孔的中心孔处圆周满焊咀嘴15，与鼠笼16的出气孔相连的咀嘴15与气体调控系统相连。本实施例中进气管9一端通过咀嘴15与气体调控系统相连，另一端直接插入辐照罐3内底部，起到向辐照罐3内部子空腔中导惰性气体的作用。出气管10一端连通子空腔、另一端通过鼠笼16和鼠笼16上的咀嘴15连通气体调控系统，起导出惰性气体的作用。本实施例中的四个咀嘴15可与两套气体调控系统相连，每套气体调控系统通过一个咀嘴15连接一根进气管9，还通过另一个咀嘴15连接一个鼠笼16的出气孔。

所述固定装置还包括密封塑料套管17，该密封塑料套管17密封连接在鼠笼16的热电偶导线通孔内。所述密封塑料套管17采用聚四氟乙烯制成，其内径为1.2mm，由两个横截面呈弧形的套管拼合而成，其作用是将热电偶导线11包紧后塞入鼠笼16上的热电偶导线通孔中，起密封作用。

实际应用中，上述保护管12上端还可以采用的方式有：定位法兰13上开设有供保护管12穿过的通孔，保护管12上端通过该通孔伸出定位法兰13，但保护管12位于该通孔内的圆周部分焊接在定位法兰13的该通孔内。

实际应用中，独立温度补偿型材料辐照考验装置的辐照罐3的结构可以作一些微小调整，例如两个隔板24并不完全在辐照罐3的同一直径上，使得两个子空腔并非完全为一个半圆环形，其中一个子空腔的圆心角略大于180°，另一个圆心角略小于180°，但偏差不能过大，例如大于30°。同样：两个材料夹持装置与两个子空腔配合，也不一定是完全的半圆筒结构，其截面的圆心角也可以在180°左右有微小变化。两个隔板24的设置只要大体将辐照罐3的圆环空腔分割为阴、阳两面的子空腔即可，材料夹持装置位于子空腔内，其结构与子空腔配合即可。当然，子空腔和材料夹持装置的截面呈严格的半圆环状是最佳的选择，其结构最规则，不仅便于生产、安装和使用，而且利用气体调节系统进行温度调控时效果也最好。此外，每个子空腔内也可以连接多根进气管9和多根出气管10，相应地子空腔内的材料夹持装置上的气管通孔21的数量与该子空腔内的进气管9数量一致，顶法兰7和定位法兰13上开设的进气管通孔、出气管通孔也应该与进气管9和出气管10的数量一致，但一般而言，每个子空腔配备一根进气管9和一根出气管10即可。

实施例4：

在实施例1至实施例3中任一实施例的基础上，本实施例中的对材料夹持装置进行进一步改进：所述材料夹持装置包括至少3个沿辐照罐3轴线方向（即上下方向）依次排布的分夹持机构，每个分夹持机构上都开设有贯穿分夹持机构上下端面的气管通孔21、样品存放槽22，每个分夹持机构上安装有探测样品5；每个分夹持机构上的样品存放槽22的数量至少为2个，至少一个样品存放槽22用于安装辐照样品4，且至少一个样品存放槽22用于安装探测样品5。

探测样品5的外形尺寸与夏比冲击试样的尺寸一致，为10mm×10mm×55mm的长方体，采用的材料与辐照样品4一致，其内部开有一个Φ6的孔放置中子探测器，在其一个矩形面上开槽并布置热电偶测点。探测样品5对中子注量和辐照考温度进行监测。

如图2和图3所示，所述分夹持机构包括內夹块20、套设在内夹块20上的外夹块23，所述内夹块20包括第一筒体和设置在第一筒体外侧壁上的多个第一凸块，所述第一筒体为弧形筒体；所述多个第一凸块沿内夹块20的圆周分布，相邻两个第一凸块之间构成第一凹槽；

所述外夹块23包括第二筒体和设置在第二筒体内侧壁上的多个第二凸块，所述第二筒体也为弧形筒体，所述多个第二凸块沿外夹块23的圆周分布，相邻两个第二凸块之间构成第二凹槽；

外夹块23套设在内夹块20上时，第一凹槽正对第二凹槽，第一凸块正对第二凸块，相对的第一凹槽和第二凹槽构成一个样品存放槽，且相对的第一凹槽与第二凹槽形状相同，例如但不限于同为矩形凹槽或者同为半圆形凹槽；第一凸块正对第二凸块使得外夹块23套设在内夹块20外；所述气管通孔21设置在外夹块23上，所述外夹块23外壁还设置有限位筋条。上述样品存放槽22的结构与所需安装的样品的结构一致，只需要凸块的侧面形状作一定调整即可，本实施例中，探测样品5为长方体状，辐照样品4为圆筒状，因此安装探测样品5的样品存放槽22横截面为矩形，凸块在该样品存放槽22的侧面为平面；安装辐照样品4的样品存放槽22横截面为圆形，凸块在该样品存放槽22的侧面为弧面。

由于研究堆的中子注量率在轴向大致呈余弦分布，造成辐照罐3在轴向上接受的中子注量不同，相应的使辐照罐3中轴向分布的辐照样品4的辐照温度存在差异，呈现出中间高，两端低的现象。当辐照样品4数量多，辐照温度高时，将增加辐照罐3轴向上的辐照样品4的温度差，无法保证所有辐照样品4的辐照温度都满足要求。因此本实施例中，辐照罐3阴、阳两面的材料夹持装置设置为自上而下排布的多个分夹持机构，每个分夹持机构内布置有一个探测样品5，对材料夹持装置的轴向上的中子注量和辐照考温度进行监测，本实施例中，每个材料夹持装置包括5个分夹持机构，5个分夹持机构自上而下排布在一起。本实施例中采用阶梯间隙温度补偿技术来解决轴向存在温度差异的问题。根据温度控制原理，在相同的气体成分下，减小气体间隙，可降低热阻，使辐照考验温度下降，增大气体间隙，可提高热阻，使辐照考验温度上升。

外夹块23外壁设置有限位筋条，该限位筋条在辐照罐3的径向上具有一定高度，保证外夹块23与辐照罐3的外套管之间的气体间隙、內夹块20与辐照罐3的内套管之间的间隙。分夹持机构将辐照样品4及探测样品5包夹好后，可自下而上一层一层地装入辐照罐3的子空腔中，本实施例中，每个材料夹持装置包括5个分夹持机构，因此一共装5层，其中上、下两层的轴向高度为85mm，中间3层的高度为55mm，共335mm。阶梯间隙温度补偿技术将辐照试验段按轴向方向分为上、中、下三段处理，最上端的一层为上段、最下端的一层为下段、中间三层作为中段，对各段分别进行热工计算，确定不同地气体间隙，降低辐照罐3内轴向上的温度差异，减小辐照试验段在轴向上存在的温度差异。

为便于组装和解体检查性能，所述外夹块23由并排在一起的左夹块18和右夹块19构成，左夹块18和右夹块19之间预留有放置热电偶导线11的缝隙，该缝隙的长度方向平行于辐照罐3的轴向。

本实施例的独立温度补偿型材料辐照考验装置组装入堆后，通过咀嘴15与外部气体调控系统相连，通过热电偶导线11与外部温度测控系统相连。该独立温度补偿型材料辐照考验装置能够使所有的辐照样品4的辐照温度差异控制在一定范围内。

本发明的温度控制原理为：独立温度补偿型材料辐照考验装置组装入堆后，辐照罐3及其内的各零部件处于研究堆活性区，辐照罐3的外套管外和内套管内均为冷却水。辐照考验开始后，辐照样品4、左夹块18和右夹块19、內夹块20等将接受中子照射，并产生热量，热量将分别通过左夹块18和右夹块19、內夹块20、气体间隙、辐照罐3导出，最终被冷却水带走，当整个过程稳定之后，辐照罐3内将保持稳定的辐照温度。

当固化辐照罐3各段的气体间隙后，在反应堆功率稳定的情况下，可以通过改变气体间隙的热阻来调控辐照温度，当气体间隙的热阻升高，则辐照温度将上升，反之则下降。在辐照考验试验过程，可以通过进气管9和出气管10向辐照罐3的子空腔中导入和导出氦气和氩气，其中氦气的导热性能好，可降低气体间隙的热阻，使辐照考验温度降低，氩气的导热性能差，可提高气体间隙的热阻，使辐照考验温度升高。通过调节两种气体的混合比例，可使辐照考验温度达到考验要求。

发明人将本实施例中的独立温度补偿型材料辐照考验装置在研究堆上的辐照孔道中进行了材料辐照考验试验，得到了表1所示的辐照考验过程中某一天的试验数据结果。

从上表可以看出，最高辐照温度达到了649℃，突破了传统辐照考验装置400℃的辐照考验温度限值；阳面轴向最大温差不超21.03℃，阴面轴向最大温差不超过11.75℃，相较于现有技术中的40℃温差，大大降低了轴向温差；此外阴阳面最大温差也不超过25℃，与现有技术中的50℃相比，明显降低了阴阳面温差。

独立温度补偿型材料辐照考验装置的安装方法，包括以下步骤：

S1、分夹持机构安装样品：将辐照样品4和安装了中子探测器的探测样品5分别放入內夹块20的不同样品存放槽22内，将热电偶的测点端固定在探测样品5的凹槽内，最后将外夹块23包覆在內夹块20、辐照样品4和探测样品5外，并将热电偶的热电偶导线11安放在外夹块23的左夹块18和右夹块19之间的缝隙中；

S2、辐照罐3装入材料夹持装置：将各分夹持机构依次放入辐照罐3的子空腔内，两个材料夹持装置分别放入两个子空腔后，两根进气管9穿过顶法兰7后再分别穿过两个子空腔内的所有分夹持机构的气管通孔21，使进气管9下端到达每个子空腔底部；将两根出气管10下端分别伸入顶法兰7上的出气管通孔内，热电偶导线11从出气管10内穿出；最后在材料夹持装置上端安装上定位块6、下端安装下定位块2对材料夹持装置进行定位；

S3、密封辐照3：将顶法兰7和底法兰1分别封焊在与辐照罐3两端的内管与外管之间，将过渡接头8焊接在辐照罐3内管上端；

S4、安装固定装置：将保护管12下端与过渡接头8上端面焊接在一起，保护管12上端与定位法兰13焊接连接；本实施例中，定位法兰13下端面设置有沉孔，保护管12先插入定位法兰13下端面的沉孔内，以便于装置轴向同心定位，再将保护管12与定位法兰13下端面进行焊接；实际应用中，如果采用保护管12上端伸出定位法兰13 的固定方式，则定位法兰13开设供保护管12上端通过的通孔，保护管12位于该通孔内的圆周部分焊接在定位法兰13的该通孔内；

S5、安装进气管9和出气管10：进气管9上端依次穿过顶法兰7、定位法兰13后与一个咀嘴15下端焊接在一起；并将进气管9与顶法兰7、定位法兰13焊接连接；将出气管10下端焊接在顶法兰7上的出气管通孔内，出气管10上端焊接在定位法兰13的出气管通孔内；

S6、安装热电偶导线11：热电偶导线11穿出出气管10后进入鼠笼16；将密封塑料套管17套设在热电偶导线11外，并将该密封塑料套管17塞入鼠笼16的热电偶导线通孔内后采用密封胶进行密封；

S7、安装鼠笼16：将鼠笼16下端焊接在定位法兰13上端，并使鼠笼16与顶法兰7上的出气管通孔连通；在鼠笼16的每个出气孔处焊接咀嘴15。

【实施例5】

在上述任一实施例的基础上，本实施例中对独立温度补偿型材料辐照考验装置进行进一步改进：本实施例中，左夹块18和右夹块19、內夹块20采用06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢加工制造。

在第四代核能系统（钍基熔盐堆核能系统）的研制过程中，需要对相关材料进行(650±50)℃的高温辐照考验，以获得相关材料的耐高温辐照性能数据。

传统的材料辐照考验所要求的辐照考验温度为300℃左右（300℃为工程项目中的常用的技术指标，400℃为传统辐照装置最高能实现的辐照温度），辐照罐3内材料夹持装置的材料一般为6061铝合金，熔点为600℃左右，无法进行600℃以上的高温材料辐照考验。

本实施例中，材料夹持装置采用熔点为1400℃左右的06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢制成，其密度高，在辐照过程中的发热量大，能够实现材料的(650±50)℃高温辐照考验，具有辐照温度高，耐高温辐照性能好的特点。实际应用中，该独立温度补偿型材料辐照考验装置的除辐照样品4、探测样品5、密封塑料套管17外的所有零部件都可采用06Cr18Ni11Ti不锈钢加工制造，提高辐照试验段耐高温辐照性能。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.独立温度补偿型材料辐照考验装置，包括辐照罐（3）、进气管（9）、出气管（10），所述辐照罐（3）包括外套管和设置在外套管内的内套管，外套管和内套管之间形成环形空腔，其特征在于，所述辐照罐（3）还包括两个设置在外套管和内套管之间的隔板（24），两个隔板（24）将外套管和内套管之间的环形空腔分为两个子空腔；每个子空腔中设置一个材料夹持装置，每个材料夹持装置上均开设有气管通孔（21）；所述进气管（9）和出气管（10）的数量均至少为2根，每个材料夹持装置的气管通孔（21）内至少安装有一根进气管（9），每个子空腔至少与1根出气管（10）连通。

2.根据权利要求1所述的独立温度补偿型材料辐照考验装置，其特征在于，所述材料夹持装置上安装有探测样品（5），所述出气管（10）内还穿设有热电偶导线（11），所述热电偶导线（11）上端伸出出气管（10）、下端伸入子空腔内且热电偶导线（11）下端连接有热电偶；所述热电偶与探测样品（5）相连。

3.根据权利要求2所述的独立温度补偿型材料辐照考验装置，其特征在于，还包括固定装置，所述辐照罐（3）还包括连接在辐照罐（6）上端的顶法兰（7）、连接在辐照罐（6）下端连的底法兰（1）；所述固定装置包括保护管（12）、定位法兰(13)、鼠笼(16)，保护管（12）下端固定在辐照罐（3）上端、上端固定连接定位法兰（13）；所述鼠笼（16）连接在定位法兰（13）上且鼠笼（16）上开设有热电偶导线通孔和出气孔；所述顶法兰（7）和定位法兰（13）上均开设有安装进气管（9）的进气管通孔和安装出气管（10）的出气管通孔，所述鼠笼（16）内部与定位法兰（13）上的出气管通孔连通；所述进气管（9）从上至下依次穿过定位法兰（13）、顶法兰（7）、材料夹持装置的气管通孔（21），下端伸入辐照罐（3）的子空腔底部；所述出气管（10）上端固定在定位法兰（13）上的出气管通孔内、下端固定在顶法兰（7）的出气管通孔内或穿过顶法兰（7）伸入子空腔内；所述热电偶导线（11）上端伸出鼠笼（16）。

4.根据权利要求3所述的独立温度补偿型材料辐照考验装置，其特征在于，所述材料夹持装置上端还连接有上定位块（6）、下端还连接有下定位块（2），所述底法兰（1）焊接在辐照罐（3）底部的内筒和外筒之间，顶法兰（7）焊接在辐照罐（3）顶部的内筒和外筒之间，所述辐照罐（3）的内筒顶部还焊接有过渡接头（8），所述保护管（12）下端固定在过渡接头（8）上端。

5.根据权利要求3所述的独立温度补偿型材料辐照考验装置，其特征在于，所述进气管（9）上端还连接有咀嘴（15），所述鼠笼（16）的出气孔上也连接有咀嘴（15）；所述固定装置还包括密封塑料套管（17），该密封塑料套管（17）密封连接在鼠笼（16）的热电偶导线通孔内；所述热电偶导线（11）上端穿过密塑料封套管（17）伸出鼠笼（16）。

6.根据权利要求1至5任一所述的独立温度补偿型材料辐照考验装置，其特征在于，所述材料夹持装置呈半圆筒状，所述子空腔呈半圆环状，所述进气管（9）和出气管（10）的数量均为2根，2根进气管（9）各伸入一个材料夹持装置的气管通孔（21）内，2根出气管（10）各与一个子空腔连通。

7.根据权利要求1至5任一所述的独立温度补偿型材料辐照考验装置，其特征在于，所述材料夹持装置包括至少3个沿辐照罐（3）轴线方向依次排布的分夹持机构，每个分夹持机构上都开设有气管通孔（21）、样品存放槽（22），且每个分夹持机构上安装有探测样品（5），每个分夹持机构靠近外套管的一面上还设置有定位筋 (25)。

8.根据权利要求7所述的独立温度补偿型材料辐照考验装置，其特征在于，所述分夹持机构包括內夹块（20）、套设在内夹块（20）上的外夹块（23）；

所述内夹块（20）包括第一筒体和设置在第一筒体外侧壁上的多个第一凸块，所述第一筒体为弧形筒体；所述多个第一凸块沿内夹块（20）的圆周分布，相邻两个第一凸块之间构成第一凹槽；

所述外夹块（23）包括第二筒体和设置在第二筒体内侧壁上的多个第二凸块，所述第二筒体也为弧形筒体，所述多个第二凸块沿外夹块（23）的圆周分布，相邻两个第二凸块之间构成第二凹槽；

外夹块（23）套设在内夹块（20）上时，第一凹槽正对第二凹槽并构成样品存放槽（22），第一凸块正对第二凸块；

所述气管通孔（21）设置在外夹块（23）上，所述限位筋条设置在外夹块（23）外壁上。

9.根据权利要求8所述的独立温度补偿型材料辐照考验装置，其特征在于，每个分夹持机构上的样品存放槽（22）的数量至少为2个，至少一个样品存放槽（22）用于安装辐照样品（4），且至少一个样品存放槽（22）用于安装探测样品（5），所述探测样品（5）内安装有中子探测器，其外壁上开设有布置热电偶测点的凹槽，所述外夹块（23）由并排在一起的左夹块（18）和右夹块（19）构成，左夹块（18）和右夹块（19）之间预留有放置热电偶导线（11）的缝隙，该缝隙的长度方向平行于辐照罐（3）的轴向。

10.独立温度补偿型材料辐照考验装置的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、分夹持机构安装样品：将辐照样品（4）和安装了中子探测器的探测样品（5）分别放入內夹块（20）的不同样品存放槽（22）内，将热电偶的测点端固定在探测样品（5）的凹槽内，最后将外夹块（23）包覆在內夹块（20）、辐照样品（4）和探测样品（5）外，并将热电偶的热电偶导线（11）安放在外夹块（23）的左夹块（18）和右夹块（19）之间的缝隙中；

S2、辐照罐（3）装入材料夹持装置：将各分夹持机构依次放入辐照罐（3）的子空腔内，两个材料夹持装置分别放入两个子空腔后，两根进气管（9）穿过顶法兰（7）后再分别穿过两个子空腔内的所有分夹持机构的气管通孔（21），使进气管（9）下端到达每个子空腔底部；将两根出气管（10）下端分别伸入顶法兰（7）上的出气管通孔内，热电偶导线（11）从出气管（10）内穿出；最后在材料夹持装置上端安装上定位块（6）、下端安装下定位块（2）对材料夹持装置进行定位；

S3、密封辐照罐（3）：将顶法兰（7）和底法兰（1）分别封焊在与辐照罐（3）两端的内管与外管之间，将过渡接头（8）焊接在辐照罐（3）的内管上端；

S4、安装固定装置：将保护管（12）下端与过渡接头（8）上端焊接在一起，保护管（12）上端与定位法兰（13）焊接连接；

S5、安装进气管（9）和出气管（10）：进气管（9）上端依次穿过顶法兰（7）、定位法兰（13）后与一个咀嘴（15）下端焊接在一起；将出气管（10）上端焊接在定位法兰（13）的出气管通孔内；

S6、安装热电偶导线（11）：热电偶导线（11）穿出出气管（10）后进入鼠笼（16）；将密封塑料套管（17）套设在热电偶导线（11）外，并将该密封塑料套管（17）塞入鼠笼（16）的热电偶导线通孔内后采用密封胶进行密封；

S7、安装鼠笼（16）：将鼠笼(16)下端焊接在定位法兰（13）上端，并使鼠笼(16)与顶法兰（7）上的出气管通孔连通；在鼠笼(16)的每个出气孔处焊接咀嘴（15）。