CN107167488B - 反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于核安全控制技术领域，涉及反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置及其试验方法。所述的试验装置包括蒸汽发生器、普通电阻炉、反应腔、淬火池、热偶、氢分析仪、连接管路，蒸汽发生器提供的高温蒸汽经连接管路进入反应腔；反应腔用于放入样品进行高温蒸汽氧化淬火试验；反应腔通过其外部的普通电阻炉进行加热；反应腔中安装热偶进行测控温；淬火池连接于反应腔的下部，用于样品坠入其中装盛的水进行淬火；氢分析仪通过连接管路连接反应腔，用于对反应腔中产生的氢气进行含量分析。利用本发明的试验装置和试验方法，能够准确控制温度、易操作、高效率、低成本的评估反应堆包壳材料是否满足反应堆失水事故工况下的安全准则。

Description

反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置及其试验方法

技术领域

本发明属于核安全控制技术领域，涉及反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置及其试验方法。

背景技术

反应堆包壳是核燃料的第一道屏障，是保障反应堆核安全的重要部件，除了应具备正常运行工况下的各项物理、化学、力学、腐蚀及辐照性能外，还应在像失水事故(LOCA)这样的设计基准事故条件下，具备足够的抵抗能力。尤其在2011年日本福岛核电站发生核燃料泄漏事故后，各国重新审视核电厂的安全问题，对评估反应堆包壳材料的抗事故能力更为关注。

失水事故是核电厂设计基准事故，该事故下的反应堆包壳材料性能必须进行评估。失水事故发生时，反应堆包壳温度由正常运行时的300多度急剧上升至1000℃以上；持续一段时间后，应急堆芯冷却系统(ECCS)开启，包壳温度下降至800℃左右后被水淹没，即淬火。在此过程中，反应堆包壳材料承受了高温蒸汽氧化和剧烈的热冲击，有可能破损失效，导致核燃料泄漏。

要评估失水事故下反应堆包壳材料的性能，就要模拟上述过程，对反应堆包壳材料进行高温蒸汽氧化淬火试验，然后测试其微观组织、结构与力学等性能。这样模拟失水事故条件下包壳材料历程的试验装置，主要要求对样品有急高的升温速率，并在峰值温度稳定保持，并按规定的速率降温，然后淬火。

按照现有技术文献[1]Y.Yan，T.A.Burtseva，M.C.Billone.High-temperaturesteam-oxidation behavior of Zr-1Nb cladding alloy E110-breakawayoxidation.J.Nucl.Mater.393(2009)433-448；[2]马树春，孙源珍，陈望春，等.PWR失水事故工况下燃料包壳与水蒸汽反应研究.原子能科学技术，1993,27(4)；[3]Jun Hwan Kim，Myoung Ho Lee，Byoung Kwon Choi，et al.Embrittlement behavior of zircaloy-4cladding during oxidation and water quench.Nuclear Engineering and Design235(2005)67-75的报道，现有的高温蒸汽氧化淬火试验装置主要采用辐射、感应或电流短路这样的快速加热方式对样品进行升温，由于加热功率大，升温快，速率不易控制，容易超温，必须小心的调节温控器；降温受炉体传热性能影响，不容易任意调节。

按照现有技术文献[4]Brachet J.C.，Pelchat J.，Hamon D.，et al.MechanicalBehaviour at Room Temperature and Metallurgical Study of Low-Tin Zy-4and M5^TM(Zr-NbO)Alloys after Oxidation at 1100℃and Quenching.Proceeding on FuelBehaviour and LOCA Conditions，10-14Sept.2001，IAEA，Vienna，IAEA-TECDOC-1320报道，也有将样品垂直悬挂，通过快速降入炉膛获得急剧升温效果，然后剪断悬挂，让样品坠入淬火池中的，但这样缺少了降温过程。

发明内容

本发明的首要目的是提供反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置，以能够准确控制温度、易操作、高效率、低成本的评估反应堆包壳材料是否满足反应堆失水事故工况下的安全准则，为反应堆包壳制造者、反应堆设计者提供必不可少的试验。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置，所述的试验装置包括蒸汽发生器、普通电阻炉、反应腔、淬火池、热偶、氢分析仪、连接管路，

所述的蒸汽发生器提供的高温蒸汽经所述的连接管路进入所述的反应腔；

所述的反应腔用于放入样品进行所述的高温蒸汽氧化淬火试验；

所述的反应腔通过其外部的所述的普通电阻炉进行加热；

所述的反应腔中安装所述的热偶进行测控温；

所述的淬火池连接于所述的反应腔的下部，用于样品坠入其中装盛的水进行淬火；

所述的氢分析仪通过所述的连接管路连接所述的反应腔，用于对所述的反应腔中产生的氢气进行含量分析。

在一种优选的实施方案中，本发明提供反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置，其中所述的蒸汽发生器的核心是将水加热产生蒸汽的锅炉。

在一种优选的实施方案中，本发明提供反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置，其中所述的反应腔为耐高温管。

在一种优选的实施方案中，本发明提供反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置，其中所述的试验装置还包括推杆，用于向所述的反应腔中加入样品并控制样品在所述的反应腔中的位置。

在一种优选的实施方案中，本发明提供反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置，其中所述的反应腔与所述的氢分析仪之间的连接管路上设置有冷凝器、积水缸、冷井、储氢罐和/或过滤器，分别用于冷凝水蒸汽、收集冷凝的水蒸汽、降温以进行水蒸汽冷凝、储存产生氢气、过滤杂质。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置，其中所述的试验装置还包括位于所述的连接管路上的真空泵，用于对所述的反应腔，以及所述的冷凝器、积水缸、冷井、储氢罐和/或过滤器进行抽真空。

在一种优选的实施方案中，本发明提供反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置，其中所述的试验装置还包括设置在所述的连接管路上的流量计和压力表。

在一种优选的实施方案中，本发明提供反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置，其中所述的试验装置还包括惰性气体源，用于在试验前提供惰性气体对整套试验装置进行清洗。

在一种优选的实施方案中，本发明提供反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置，其中所述的试验装置还包括阀门，其选择性的设置在所述的试验装置各组成部件之间所述的连接管路上。

本发明的第二个目的是提供前述试验装置进行反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验的方法，以能够准确控制温度、易操作、高效率、低成本的评估反应堆包壳材料是否满足反应堆失水事故工况下的安全准则，为反应堆包壳制造者、反应堆设计者提供必不可少的试验。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供前述试验装置进行反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验的方法，包括如下步骤：

(1)用所述的普通电阻炉加热，将所述的反应腔中心区升至目标温度；

(2)开启所述的蒸汽发生器，将高温蒸汽导入所述的反应腔，待蒸汽流稳定后用推杆快速将样品推至中心均温区即氧化反应位置，进行样品的高温氧化；

(3)保持所需的高温氧化时间后，将样品快速移动至反应腔中心均温区外的一位置停留，以获得所需的降温速率进行降温；

(4)使样品进入所述的淬火池进行淬火；

(5)试验过程中样品与高温蒸汽反应产生的氢气进入所述的氢分析仪，进行氢气含量的分析。

本发明的有益效果在于，利用本发明的反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置及其试验方法，能够准确控制温度、易操作、高效率、低成本的评估反应堆包壳材料是否满足反应堆失水事故工况下的安全准则，为反应堆包壳制造者、反应堆设计者提供必不可少的试验。

本发明采用水平推拉样品进出炉膛获得急剧升温与可控的降温过程，能淬火，并附有反应产氢的测量装置，与前述已有装置不同，具有如下显著优点：(1)采用普通电阻炉加热，升温至目标试验温度并保持稳定，通过将低温样品快速推入炉膛获得满足要求的快速升温速率，这样样品温度容易准确控制，不会超温，保温稳定，温度均匀性好，成本也低；(2)降温时将样品拉出炉膛中心，通过放置在不同位置，准确获得不同的降温速率。

附图说明

图1为示例性的本发明的反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置的组成图。

图2为利用图1的试验装置进行试验得到的典型的升降温曲线，其中横坐标为时间(s)，纵坐标为温度(℃)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

示例性的本发明的反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置如图1所示，包括蒸汽发生器1、普通电阻炉2、反应腔3、淬火池4、热偶5、氢分析仪6、连接管路7、推杆8、冷凝器9、积水缸10、冷井11、储氢缸12、过滤器13、真空泵14、惰性气体源15、流量计16、压力表17、阀门18、载带氮气源19。

蒸汽发生器1的核心是将水加热产生蒸汽的锅炉，采用去离子水自动补水，出口提供0.1-1MPa的水蒸汽。蒸汽发生器1提供的高温蒸汽经连接管路7进入反应腔3。

反应腔3为水平插在普通电阻炉2(最高加热温度为1600℃)的炉膛的耐高温管，并通过普通电阻炉2(最高加热温度为1600℃)进行加热，其中放入样品进行高温蒸汽氧化淬火试验。反应腔3的一端密封安装推杆8，中心位置安装热偶5测控温。推杆8用于向反应腔3中加入样品并控制样品在反应腔3中的位置。

淬火池4连接于反应腔3的下部，并在反应腔3边缘与之连接，样品能从反应腔3自由坠入装满室温水的淬火池4进行淬火。

反应腔3通过连接管路7上依次设置的连接冷凝器9、积水缸10、冷井11、储氢罐12、过滤器13连接氢分析仪6。氢分析仪6(测量下限为100ppm)用于对反应腔3中产生的氢气进行含量分析。冷凝器9、积水缸10、冷井11、储氢罐12、过滤器13分别用于冷凝水蒸汽、收集冷凝的水蒸汽、降温以进行水蒸汽冷凝、储存产生氢气、过滤杂质。载带氮气源19用于提供氮气以载带储氢罐12中的氢气进入氢分析仪6进行含量分析。

位于连接管路7上的真空泵14用于对反应腔3、冷凝器9、积水缸10、冷井11、储氢罐12、过滤器13进行抽真空。

惰性气体源15用于在试验前提供惰性气体(例如Ar)对整套试验装置进行清洗。

此外，在连接管路7上还设置有测控流量的流量计16、测控压力的压力表17，以及多处阀门18。

上述示例性的本发明的反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置进行模拟失水事故的反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验的方法如下。

(1)试验准备

试验前，将包括反应腔3在内的气路系统抽真空及用惰气气体清洗，通蒸汽至压力、流速稳定，这时样品置于炉膛口附近≤300℃位置。

(2)升降温试验

通过普通电阻炉2将反应腔3的中心均温区升至目标温度，如1200℃；待蒸汽流稳定后，用推杆8快速将样品推至中心均温区即氧化反应位置；保持所需氧化时间后，再用推杆8将样品快速拉至中心均温区外的某一位置停留，以获得所需的降温速率(典型的如30s降温至800℃，不同位置对应不同的降温速率，事先通过标定试验获得)。最后，仍然通过推杆8将样品推入淬火池4淬火。

样品典型的升降温曲线见图2。在升温阶段，满足准则要求的300℃～1000℃，升温速率>20℃/s，即用时少于35s；1000℃～1200℃，升温速率＞2℃/s，即用时少于100s。典型的升降温曲线在这两个升温区间实际用时分别为9s和16s。

(3)氢气含量分析

试验过程中，样品与高温蒸汽反应产生的氢气进入氢分析仪6，进行氢气含量分析。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (9)

1.反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验装置，其特征在于，所述的试验装置包括蒸汽发生器、普通电阻炉、反应腔、淬火池、热偶、氢分析仪、连接管路、推杆，

所述的蒸汽发生器提供的高温蒸汽经所述的连接管路进入所述的反应腔；

所述的反应腔用于放入样品进行所述的高温蒸汽氧化淬火试验；

所述的反应腔通过其外部的所述的普通电阻炉进行加热；

所述的反应腔中安装所述的热偶进行测控温；

所述的淬火池连接于所述的反应腔的下部，用于样品坠入其中装盛的水进行淬火；

所述的氢分析仪通过所述的连接管路连接所述的反应腔，用于对所述的反应腔中产生的氢气进行含量分析，

所述的推杆用于：待蒸汽流稳定后，快速将样品推至反应腔的中心均温区即氧化反应位置；保持所需氧化时间后，将样品快速拉至中心均温区外的某一位置停留，以获得所需的降温速率；最后，将样品推入淬火池淬火。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述的蒸汽发生器的核心是将水加热产生蒸汽的锅炉。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述的反应腔为耐高温管。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述的反应腔与所述的氢分析仪之间的连接管路上设置有冷凝器、积水缸、冷井、储氢罐和/或过滤器，分别用于冷凝水蒸汽、收集冷凝的水蒸汽、降温以进行水蒸汽冷凝、储存产生氢气、过滤杂质。

5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于：所述的试验装置还包括位于所述的连接管路上的真空泵，用于对所述的反应腔，以及所述的冷凝器、积水缸、冷井、储氢罐和/或过滤器进行抽真空。

6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述的试验装置还包括设置在所述的连接管路上的流量计和压力表。

7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述的试验装置还包括惰性气体源，用于在试验前提供惰性气体对整套试验装置进行清洗。

8.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述的试验装置还包括阀门，其选择性的设置在所述的试验装置各组成部件之间所述的连接管路上。

9.根据权利要求1-8任一所述的试验装置进行反应堆包壳材料高温蒸汽氧化淬火试验的方法，包括如下步骤：

(1)用所述的普通电阻炉加热，将所述的反应腔中心区升至目标温度；

(2)开启所述的蒸汽发生器，将高温蒸汽导入所述的反应腔，进行样品的高温氧化；

(3)保持所需的高温氧化时间后，将样品快速移动至反应腔中心均温区外的一位置停留，以获得所需的降温速率进行降温；

(4)使样品进入所述的淬火池进行淬火；

(5)试验过程中样品与高温蒸汽反应产生的氢气进入所述的氢分析仪，进行氢气含量的分析。