CN107591214B - 用于模拟熔池内热源的加热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于模拟熔池内热源的加热系统，所述加热系统包括坩埚、电源模块和多个加热元件，所述加热元件的一端布置在坩埚内，所述电源模块与所述加热元件电连接，其中所述加热元件为硅钼棒加热元件。本发明提供的加热系统适于模拟半球形高温二元氧化物熔池均匀内热源，并且加热温度高，功率利用率高，功率控制简单，对测量仪表的使用无影响。

Description

用于模拟熔池内热源的加热系统

技术领域

本发明涉及安全研究技术领域，具体地涉及一种用于模拟熔池内热源的加热系统，更具体地涉及一种用于模拟半球形高温二元氧化物熔池均匀内热源的硅钼棒加热系统。

背景技术

在反应堆严重事故发生时，压力容器内堆内构件可被衰变热熔化并移至半球形下封头内，继而形成具有裂变衰变热内热源的高温熔池。普遍认为，该熔池分为上部金属层和下部氧化物层。当前对氧化物层熔池传热特性的研究已成为反应堆安全研究中的重要部分，然而对熔池均匀内热源的模拟却成了一大难题。

当前主要使用电磁感应加热和电热管加热这两种方式对该条件下的均匀内热源进行模拟。电磁感应加热的加热温度较高，但通过交变磁场产生涡流进行加热致使其对配电的需求校大、功率利用率较低、功率控制复杂，另外，加热时熔池内无法使用热电偶等仪表，并且这种加热方式目前还没有模拟半球形熔池的实际案例。电加热管加热容易按照空间功率分布要求进行布置，并且加热过程中可使用仪表测量，但因其具有直接接触加热的特点，致使其所能加热的熔体温度范围有限(低于1000℃)，并且其外套材料使其不能在氧化物熔池中长期使用。因此，目前并无可用于长期模拟高温(高于1000℃)半球形熔池内热源的加热系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种具有良好的使用性和较高的稳定性的用于模拟熔池内热源的加热系统。

本发明的目的还在于提供一种用于模拟熔池内热源的加热系统，其能够适用于半球形高温二元氧化物熔池均匀内热源的模拟。

本发明的目的还在于提供一种用于模拟熔池内热源的加热系统，其能够弥补电磁感应加热和电加热管直接接触加热这两种方式在模拟均匀内热源上的不足，加热温度高(1000℃-1800℃)，功率利用率高，功率控制简单，对测量仪表的使用无影响。

本发明的目的还在于提供一种便于实现加热元件的固定和组装的用于模拟熔池内热源的加热系统。

根据本发明的实施例，提出了一种用于模拟熔池内热源的加热系统，所述加热系统包括坩埚、电源模块和多个加热元件，所述加热元件的一端布置在坩埚内，所述电源模块与所述加热元件电连接，其中所述加热元件为硅钼棒加热元件。

根据本发明的一个优选实施例，所述电源模块被配置为直流电源模块；多个硅钼棒加热元件被分为若干组硅钼棒加热元件，各组硅钼棒加热元件位于坩埚内的不同区域处，每组硅钼棒加热元件与其它组硅钼棒加热元件相对独立地被控制和供电；每个硅钼棒加热元件呈U形，包括加热端和冷端，其中所述加热端由二硅化钼形成，所述冷端由与形成所述加热端的材料不同的材料制成。

根据本发明的一个优选实施例，所述若干组硅钼棒加热元件彼此同心地布置，每组硅钼棒加热元件中的硅钼棒加热元件具有相同的结构，并且各组硅钼棒加热元件之间具有不同的长度。

根据本发明的一个优选实施例，所述若干组硅钼棒加热元件为3-8组硅钼棒加热元件。

根据本发明的一个优选实施例，所述若干组硅钼棒加热元件为5组硅钼棒加热元件，共包括72个硅钼棒加热元件，其中，第一组硅钼棒加热元件包括5个硅钼棒加热元件，第二组硅钼棒加热元件包括10个硅钼棒加热元件，第三组硅钼棒加热元件包括14个硅钼棒加热元件，第四组硅钼棒加热元件包括19个硅钼棒加热元件，第五组硅钼棒加热元件包括24个硅钼棒加热元件，五组硅钼棒加热元件以第一组至第五组的顺序从内向外同心地布置，各组硅钼棒加热元件之间的径向间距相等，各组内的硅钼棒加热元件之间的周向间距相等。

根据本发明的一个优选实施例，所述坩埚为半球形坩埚，使得所述加热系统用于模拟半球形二元氧化物熔池内热源。

根据本发明的一个优选实施例，所有硅钼棒加热元件的冷端的长度相同，不同组硅钼棒加热元件的加热端具有不同的长度。

根据本发明的一个优选实施例，所述冷端具有250mm-400mm之间的长度，和/或所述加热端的长度范围介于100mm-400mm之间。

根据本发明的一个优选实施例，所述硅钼棒加热元件的冷端通过夹具固定在半球形坩埚的上盖板上，所述夹具包括陶瓷夹块和不锈钢外壳。

根据本发明的一个优选实施例，所述加热系统还包括连接件，所述连接件被配置为连接每组硅钼棒加热元件中相邻的硅钼棒加热元件。

根据本发明的用于模拟熔池内热源的加热系统，充分考虑了加热元件在高温二元氧化物熔池中的使用性和稳定性，并且所述加热系统弥补了电磁感应加热和电加热管直接接触加热这两种方式在模拟均匀内热源上的不足，加热温度高(1000℃-1800℃)，功率利用率高，功率控制简单，对测量仪表的使用无影响。本发明能够满足模拟半球形的、高温的、可直接接触加热的二元氧化物熔池的、功率分布均匀的所有堆芯熔池内热源条件。此外，通过本发明提供的夹块和/或连接件，能够快速、稳定地将加热元件固定和组装在加热系统内。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的用于模拟熔池内热源的加热系统的示意图；

图2为根据本发明的实施例的用于模拟熔池内热源的加热系统的局部透视图；

图3a为示出根据本发明的实施例的多个硅钼棒加热元件的布置的示意图；

图3b为图3a所述示意图的仰视图；

图4为根据本发明的实施例的单个硅钼棒加热元件的示意图；

图5为根据本发明的实施例的组装有连接件和夹具的单个硅钼棒加热元件的示意图；

图6a为根据本发明的实施例的夹具的立体图；

图6b为根据本发明的实施例的夹具的俯视图；

图7a为根据本发明的实施例的连接件和卡子的立体图；

图7b为根据本发明的实施例的连接件和卡子的俯视图；以及

图8为根据本发明的实施例的计算加热元件的个数的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

其中，本文所提到的高温例如可以为1000℃-1800℃，二元氧化物可以包括CaO和B₂O₃，例如可以为30wt.％的CaO和70wt.％的B₂O₃。

根据本发明总体上的发明构思，提出了一种用于模拟熔池内热源的加热系统，所述加热系统包括坩埚、电源模块和多个加热元件，所述加热元件的一端布置在坩埚内，所述电源模块与所述加热元件电连接，其中所述加热元件为硅钼棒加热元件。

图1为根据本发明的实施例的用于模拟熔池内热源的加热系统的示意图；图2为根据本发明的实施例的用于模拟熔池内热源的加热系统的局部透视图。如图1-2所示，加热系统1包括坩埚2、电源模块(未示出)和多个加热元件，所述加热元件的一端布置在坩埚内，所述电源模块与所述加热元件电连接(未示出)，其中所述加热元件为硅钼棒加热元件3。该硅钼棒加热元件3已经试验验证可在高温二元氧化物熔池中长期使用。

根据本发明的实施例，所述电源模块被配置为直流电源模块；多个硅钼棒加热元件3被分为若干组硅钼棒加热元件3，各组硅钼棒加热元件位于坩埚2内的不同区域处，每组硅钼棒加热元件3与其它组硅钼棒加热元件3相对独立地被控制和供电。在本发明的实施例中，根据熔池大小、所要熔炼负载的质量以及模拟内热源所要求的功率分布，所述加热系统的多个硅钼棒加热元件3被分为五个独立控制区域进行加热，如图3a-3b所示。具体地，所述若干组硅钼棒加热元件3为5组硅钼棒加热元件3，共包括72个硅钼棒加热元件3，其中，第一组硅钼棒加热元件包括5个硅钼棒加热元件，第二组硅钼棒加热元件包括10个硅钼棒加热元件，第三组硅钼棒加热元件包括14个硅钼棒加热元件，第四组硅钼棒加热元件包括19个硅钼棒加热元件，第五组硅钼棒加热元件包括24个硅钼棒加热元件，五组硅钼棒加热元件以第一组至第五组的顺序从内向外同心地布置，各组硅钼棒加热元件之间的径向间距相等，各组内的硅钼棒加热元件之间的周向间距相等，如图3b所示。

根据本发明的一个优选实施例，所述若干组硅钼棒加热元件3彼此同心地布置，每组硅钼棒加热元件中的硅钼棒加热元件具有相同的结构，并且各组硅钼棒加热元件之间具有不同的长度。虽然在附图3b中多个硅钼棒加热元件的布置被分为5组硅钼棒加热元件(即，五个独立控制区域)，然而所述若干组硅钼棒加热元件也可以为3-8组硅钼棒加热元件，本发明并不对该数量进行限制。

图4为根据本发明的实施例的单个硅钼棒加热元件的示意图，如图4所示，每个硅钼棒加热元件3呈U形，包括加热端32和冷端31，其中所述加热端32由二硅化钼形成，所述冷端31由与形成所述加热端32的材料不同的材料制成。

根据本发明的一个优选实施例，所述冷端具有250mm-400mm之间的长度，和/或所述加热端的长度范围介于100mm-400mm之间。具体每个硅钼棒加热元件或每组硅钼棒加热元件的加热端的长度是通过满足坩埚内各区域体积功率相同的要求而确定的，而冷端的尺寸是根据固定连接件尺寸和所需安装空间大小计算而成的。需要说明的是，本发明的硅钼棒加热元件的加热端和冷端也可以具有其它尺寸。

优选地，所述坩埚为半球形坩埚，使得所述加热系统1用于模拟半球形二元氧化物熔池内热源。为适应半球形二元氧化物熔池内热源的模拟，可以如下配置硅钼棒加热元件，即所有硅钼棒加热元件的冷端的长度相同，不同组硅钼棒加热元件的加热端具有不同的长度。

根据本发明的用于模拟熔池内热源的加热系统，充分考虑了加热元件在高温二元氧化物熔池中的使用性和稳定性，并且所述加热系统弥补了电磁感应加热和电加热管直接接触加热这两种方式在模拟均匀内热源上的不足，加热温度高(1000℃-1800℃)，功率利用率高，功率控制简单，对测量仪表的使用无影响。本发明能够满足模拟半球形的、高温的、可直接接触加热的二元氧化物熔池的、功率分布均匀的所有堆芯熔池内热源条件。

根据本发明的另一方面，所述硅钼棒加热元件3的冷端31通过夹具5固定在半球形坩埚2的上盖板6上，如图1和5所示，所述夹具5包括陶瓷夹块51和不锈钢外壳52，参见图6a和6b。根据本发明的再一方面，所述加热系统1还包括连接件4，所述连接件4被配置为连接每组硅钼棒加热元件中相邻的硅钼棒加热元件，关于连接件的具体结构可以参见图7a和7b。通过本发明提供的夹块和/或连接件，能够快速、稳定地将加热元件固定和组装在加热系统内。

硅钼棒加热元件3的冷端31通过特制夹具5固定在半球形试验段上盖板6上，加热时，硅钼棒加热元件3的加热端32浸入熔池进行加热，冷端31伸出熔池。在同一组中的两个邻近的硅钼棒加热元件3之间通过连接件4连接，连接件4通过不锈钢的卡子7固定在硅钼棒加热元件的冷端上。陶瓷夹块51、连接件4和卡子7的结构和组装效果可以参见图5。该连接件4的材质为铝，为防止热胀冷缩及减少交流电流通过时的趋肤效应，该连接件被设计为带有一定伸缩度的多铝丝编制带，其宽度根据通过的电流大小确定。硅钼棒加热元件通过该连接件4串联以达到预期要求功率值。为方便与电源模块连接，设计了一种较长的铝制编织带，每一个独立控制区域(即每组硅钼棒加热元件)使用2个铝制编织带，每个铝制编织带的一端与硅钼棒加热元件相连，另一端与直流电源模块的输出线路相连。

在本发明的实施例中，直流电源模块由5个独立输出的子直流电源模块组合而成，每个子直流源模块对应一个加热区(即一组硅钼棒加热元件)，以实现分区独立控制加热。每个子直流电源模块的输出端通过电力电缆与铝制编织带相连，在与铝制编织带连接前的300mm处使用马鞍形卡箍将电力电缆固定在电缆桥架上，以防止电缆拉扯铝制编织带造成硅钼棒加热元件固定不稳。

本发明的有益效果是，可以解决高温二元氧化物熔池的直接接触加热问题，填补了电热管加热温度区域的空白。同时，本发明的功率利用率高达98％以上，解决了感应加热模拟均匀内热源功率利用率低的缺点。本加热系统使用恒电流输入控制方式，控制方式简单，解决了感应加热功率控制复杂的缺点。另外，本加热系统使用直流电源作为控制电源，消除了对仪表的干扰，解决了感应加热时熔池内热电偶无法使用的弊端。

如上所述，本发明所设计的加热系统将硅钼棒加热元件分为五区，每区内硅钼棒呈圆周阵列。为获得硅钼棒加热元件的个数，图8提供了计算加热元件的个数的流程图。

如图所示，在满足总加热功率为180kW左右、半球形熔池内径400mm、五个加热区、各区径向间距相等、区内硅钼棒加热元件的加热端长度统一、各区体积功率相同的条件下，得到本发明的硅钼棒加热元件的总数量72支，各区硅钼棒加热元件的加热端的长度范围为100～400mm，总加热功率为181kW。计算本加热系统的加热元件的加热端总体积仅占熔池总体积的1.5％，不影响熔池自身。

本发明所使用的加热元件为底部U型硅钼棒加热元件。硅钼棒加热元件分为冷端和加热端，加热端插入半球形坩埚内，坩埚内置高温二元氧化物熔池。硅钼棒加热元件冷端置于熔池外，冷端通过陶瓷夹块固定在水冷盖板上。通过特制铝带将各区内硅钼棒串联，并从各区接出铝带与独立电源模块相连，从而实现各区硅钼棒的独立控制。

根据各区硅钼棒加热元件的设计电参数，为五个加热区分别选取满足电流、电压要求的直流电源。电源调节方式为恒流输出，初始电流为0A，增加电流输入为20A，待各区显示功率值恒定时再逐步增加电流输入20A。预计电流值调节至345A时，本加热系统总功率可达到181kW左右。随后保持电流输入，加热系统达到稳态。由于硅钼棒冷端发热量十分低，因此本系统加热效率可达98％以上。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

附图标记列表：

1 加热系统

2 坩埚

3 硅钼棒加热元件

31 冷端

32 加热端

4 连接件

5 夹具

51 陶瓷夹块

52 不锈钢外壳

6 上盖板

7 卡子。

Claims (8)

1.一种用于模拟熔池内热源的加热系统，其特征在于：所述加热系统包括坩埚、电源模块和多个加热元件，所述加热元件的一端布置在坩埚内，所述电源模块与所述加热元件电连接，其中所述加热元件为硅钼棒加热元件；

所述电源模块被配置为直流电源模块；

所述坩埚为半球形坩埚，使得所述加热系统用于模拟半球形二元氧化物熔池内热源；

多个硅钼棒加热元件被分为若干组硅钼棒加热元件，各组硅钼棒加热元件位于坩埚内的不同区域处，每组硅钼棒加热元件被串联并与其他组硅钼棒加热元件相对独立地被控制和供电，所有硅钼棒加热元件的冷端的长度相同，不同组硅钼棒加热元件的加热端具有不同的长度。

2.根据权利要求1所述的用于模拟熔池内热源的加热系统，其特征在于：

每个硅钼棒加热元件呈U形，包括加热端和冷端，其中所述加热端由二硅化钼形成，所述冷端由与形成所述加热端的材料不同的材料制成。

3.根据权利要求2所述的用于模拟熔池内热源的加热系统，其特征在于：

所述若干组硅钼棒加热元件彼此同心地布置，每组硅钼棒加热元件中的硅钼棒加热元件具有相同的结构，并且各组硅钼棒加热元件之间具有不同的长度。

4.根据权利要求3所述的用于模拟熔池内热源的加热系统，其特征在于：

所述若干组硅钼棒加热元件为3-8组硅钼棒加热元件。

5.根据权利要求4所述的用于模拟熔池内热源的加热系统，其特征在于：

所述若干组硅钼棒加热元件为5组硅钼棒加热元件，共包括72个硅钼棒加热元件，其中，第一组硅钼棒加热元件包括5个硅钼棒加热元件，第二组硅钼棒加热元件包括10个硅钼棒加热元件，第三组硅钼棒加热元件包括14个硅钼棒加热元件，第四组硅钼棒加热元件包括19个硅钼棒加热元件，第五组硅钼棒加热元件包括24个硅钼棒加热元件，五组硅钼棒加热元件以第一组至第五组的顺序从内向外同心地布置，各组硅钼棒加热元件之间的径向间距相等，各组内的硅钼棒加热元件之间的周向间距相等。

6.根据权利要求1所述的用于模拟熔池内热源的加热系统，其特征在于：

所述冷端具有250mm-400mm之间的长度，和/或所述加热端的长度范围介于100mm-400mm之间。

7.根据权利要求6所述的用于模拟熔池内热源的加热系统，其特征在于：

所述硅钼棒加热元件的冷端通过夹具固定在半球形坩埚的上盖板上，所述夹具包括陶瓷夹块和不锈钢外壳。

8.根据权利要求7所述的用于模拟熔池内热源的加热系统，其特征在于：

所述加热系统还包括连接件，所述连接件被配置为连接每组硅钼棒加热元件中相邻的硅钼棒加热元件。

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