CN107807202A - 具有密闭空间的熔融物试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有密闭空间的熔融物试验装置，其特征在于：所述熔融物试验装置包括水冷套管(3)、感应加热线圈和水冷底盘(6)，所述水冷套管(3)与水冷底盘(6)形成冷坩埚，其中在所述水冷底盘(6)上形成包围水冷套管(3)的密闭空间。根据本发明的具有密闭空间的熔融物试验装置，可以开展多项熔融物相关试验研究，并且在试验进行中，提供一定的密封和承压能力，同时实现高温熔融物试验的可视化。
Description
技术领域
本发明涉及热工技术领域，具体地涉及一种具有密闭空间的熔融物试验装置。
背景技术
随着大型先进压水堆堆芯设计功率的提升，进一步提高了核电的经济性的同时，对其安全性也提出了更高的要求。一旦发生堆芯失去冷却的严重事故，燃料元件由于冷却不足而发生熔化，形成主要成份为氧化铀、氧化锆和未被氧化的液态金属的堆芯熔融物。同时由于衰变热的存在，熔融物内部温度可达2700℃以上，使压力容器表面承受很高的热负荷，当局部壁面热流密度超过该处的临界热流密度时，压力容器外表面的传热急剧恶化，温度显著上升，存在压力容器被熔穿而放射性物质泄漏至压力容器外部的风险。因此，堆芯熔融物的相关研究——包括熔融物与混凝土相互作用，熔融物与冷却剂相互作用，熔融物与牺牲性材料相互作用等等，一直是严重事故缓解技术的重要研究方向。针对这些研究内容，实验是不可替代的重要途径，因为所有的理论分析或数值模拟结果都需要得到实验数据的支撑。而熔融物制备装置则是获取可靠数据必须倚靠的硬件设施。
在以往熔融物的制备装置中，根据加热方式的不同，主要分为三类：冷坩埚感应加热(RASPLAV-2装置，TROI装置)、硅钼棒加热(FOREVER装置)和“铝热剂”化学热(MCCI装置)。RASPLAV-2装置和TROI装置采用冷坩埚感应加热技术，其坩埚尺寸小、盛装熔融物质量少，分别为5kg和25kg左右。此外RASPLAV-2装置以模拟压力容器外部熔融物与混凝土相互作用为目标，在熔融物工质中加入混凝土材料，工质温度仅为1700℃。FOREVER装置采用硅钼棒加热系统维持熔池温度，受加热方式的限制，其熔池温度在1000℃左右，相比堆芯熔融物所形成的熔池温度低很多。此外，在MCCI装置中，利用工质自身的化学反应放热熔化工质，随着反应的进 行，熔融工质成分发生变化，导致不同注水时刻所形成的壳层成分及结构特性不同，直接影响了熔池向上和向侧壁的传热过程。可见，这些熔融物制备/试验装置都不同程度地存在一些缺点。
特别地，由于熔融物与冷却剂相互作用试验可能产生大量的蒸汽，熔融物与牺牲性材料和混凝土材料相互作用时可能产生大量不可凝气体，这要求此熔融物相互作用试验装置具有一定的密封及承压能力，因此，有必要提供一种安全性和可重复性高的熔融物制备系统，用于产生温度高、内热源稳定的高温熔融物池，并且该试验装置应当具有密闭空间以提供密封和承压能力，以此试验装置为基础开展与堆芯熔融物相关的多项试验研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种具有密闭空间的熔融物试验装置，使得可以开展多项熔融物相关试验研究。
本发明的目的还在于提供一种具有密闭空间的熔融物试验装置，使得所述熔融物试验装置具有一定的密封和承压能力。
根据本发明的实施例，提出了一种具有密闭空间的熔融物试验装置，所述熔融物试验装置包括水冷套管、感应加热线圈和水冷底盘，所述水冷套管与水冷底盘形成冷坩埚，其中在所述水冷底盘上形成包围水冷套管的密闭空间。
根据本发明的优选实施例，所述熔融物试验装置还包括围桶和上顶盖，所述围桶密闭地安装在水冷底盘上，所述上顶盖密闭地安装在围桶上，由此形成包围水冷套管的密闭空间。
根据本发明的优选实施例，所述围桶通过围桶密封系统密闭地安装在水冷底盘上，所述围桶密封系统包括密封压环、石墨盘根、密封垫片和固定螺栓，并且在所述水冷底盘的上表面上设置有凸环，其中密封垫片夹持在围桶和水冷底盘之间，固定螺栓穿过密封压环固定在凸环上，并且石墨盘根夹持在密封压环和水冷底盘之间。
根据本发明的优选实施例，所述上顶盖通过顶盖密封系统密闭地安装在围桶上，所述顶盖密封系统包括密封压环、石墨盘根、密封垫片和固定螺栓，并且所述上顶盖包括顶盖支撑部，在所述顶盖支撑部的下表面上设置有凸环，其中密封垫片夹持在围桶和顶盖支撑部之间，固定螺栓穿过密 封压环固定在所述顶盖支撑部的凸环上，并且石墨盘根夹持在密封压环和顶盖支撑部之间。
根据本发明的优选实施例，在水冷底盘的外周面上设置有围堰，所述围堰通过围堰固定环固定在水冷底盘的外周面上。
根据本发明的优选实施例，所述上顶盖包括爆破片、测量仪表安装口和/或红外测温仪视镜。
根据本发明的优选实施例，所述水冷套管呈圆筒形，包括多个沿圆周方向并列布置的水冷管，每一个水冷管包括在水冷管的一端相互连通的内管部和外管部，内管部套在外管部内。
根据本发明的优选实施例，所述水冷底盘具有环形腔，所述环形腔被分隔壁分为上环形腔和下环形腔，在环形腔的外壁上设置有冷却水进口和冷却水出口，冷却水进口和冷却水出口分别与上环形腔和下环形腔流体连通，所述水冷管的外管部和内管部分别与上环形腔和下环形腔流体连通，使得形成从冷却水进口-上环形腔-外管部-内管部-下环形腔-冷却水出口的冷却路径。
根据本发明的优选实施例，所述围桶为石英玻璃围桶。
根据本发明的优选实施例，在所述水冷底盘的上表面上设置的凸环为沿周向延伸的凸环，密封压环呈环形，并且密封压环在穿过其轴线的平面内的截面呈L形。
通过本发明的熔融物试验装置，可以模拟反应堆严重事故后期高温氧化物熔融物，用于开展多项堆芯熔融物的相关试验研究。具体地，本发明针对反应堆严重事故条件下的堆芯熔融物的相关试验研究，设计了一种用于高温熔融物制备、同时可将熔融物冷却后的固体物块及壳层完整移出的冷坩埚试验段，可用于研究熔融物的传热过程、熔融物与水相互作用研究、熔融物与耐高温陶瓷材料相互作用研究以及熔融物与牺牲性材料相互作用研究。
在现有的堆芯熔融物相关技术研究中，研究者设计了不同形式的试验装置来模拟高温液态熔融物的传热过程或熔融物与其它材质的相互作用机理。在以往所使用的装置中，如采用直接加热方式，例如电加热丝及电加热棒，由于其材料熔点较低，模拟熔融物池的工质材料熔点需低于电加热设备的最高工作温度，因此形成液态熔池的温度相比实际堆芯熔融池温 度低很多。另一方面，利用铝热剂的化学反应放热熔化工质可实现高达2700℃的熔池的模拟，但是随着反应的进行，熔融工质成分发生变化，且无法实现熔池内热源的长期供给。
根据本发明的冷坩埚试验段主要包括水冷套管、水冷底盘、石英玻璃围桶及上顶盖四部分。水冷底盘内通冷却水，可将厂用冷却水均匀分配至多根水冷管内，用于包容高温熔融工质并提供冷却边界从而形成致密壳层。水冷底盘外沿设置石英玻璃围桶安装槽、密封压环等结构。由于密封压环距离感应加热线圈较近，感应加热线圈长时间工作时密封压环会由于感生热而升至较高温度，因此在水冷底盘外沿设置围堰结构，围堰内通少量循环水，对密封压环进行冷却。耐高温石英玻璃围桶位于冷坩埚水冷套管和感应加热线圈之间，在不影响电磁感应分布的前提下实现冷坩埚试验段的密封和承压，同时实现高温熔融物试验的可视化。上顶盖安装在玻璃围桶上方，上顶盖上设有热电偶、压力传感器、红外测温仪视镜等接口。感应加热线圈由紫铜管制作，盘绕在水冷套管外侧，将电源产生的高频交变电流转变为高频交流电磁场，进而加热熔化冷坩埚内的试验工质，模拟熔融物池的内热源。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的具有密闭空间的熔融物试验装置的总体示意图；
图2为示出根据本发明的实施例的具有密闭空间的熔融物试验装置的围桶密封系统的示意图；以及
图3为根据本发明的实施例的具有密闭空间的熔融物试验装置的上顶盖的示意图。
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。
根据本发明总体上的发明构思，提出了一种具有密闭空间的熔融物试 验装置，所述熔融物试验装置包括水冷套管3、感应加热线圈和水冷底盘6，所述水冷套管3与水冷底盘6形成冷坩埚，其中在所述水冷底盘6上形成包围水冷套管3的密闭空间(参见图1)。
在本发明的实施例中，感应加热线圈由铜管制作，内通冷却水，盘绕在水冷套管及水冷底盘组成的坩埚外侧，将电源产生的高频交变电流转变为高频交流电磁场，进而加热熔化冷坩埚内试验工质，模拟熔融物池的内热源。
其中，所述熔融物试验装置还包括围桶2和上顶盖1，所述围桶2密闭地安装在水冷底盘6上，所述上顶盖1密闭地安装在围桶2上，由此形成包围水冷套管3的密闭空间。具体地，如图2所示，所述围桶2通过围桶密封系统100密闭地安装在水冷底盘6上，所述围桶密封系统100包括密封压环7、石墨盘根9、密封垫片10和固定螺栓11，并且在所述水冷底盘6的上表面上设置有凸环8，其中密封垫片10夹持在围桶2和水冷底盘6之间，固定螺栓11穿过密封压环7固定在凸环8上，并且石墨盘根9夹持在密封压环7和水冷底盘6之间。
在该实施例中，所述上顶盖1通过顶盖密封系统200密闭地安装在围桶2上，所述顶盖密封系统200包括密封压环、石墨盘根、密封垫片和固定螺栓(未详细图示)，并且所述上顶盖1包括顶盖支撑部14，在所述顶盖支撑部14的下表面上设置有凸环，其中密封垫片夹持在围桶2和顶盖支撑部14之间，固定螺栓穿过密封压环固定在所述顶盖支撑部14的凸环上，并且石墨盘根夹持在密封压环和顶盖支撑部14之间。上顶盖1的密封固定采用与围桶2的密封固定方式相同的方式，因此未予以详细图示。
通过上述围桶密封系统和顶盖密封系统，在围桶内形成密闭空间，并且使得所述熔融物试验装置能够承受较大的压力，在试验进行中，固定螺栓将密封压环紧紧压在凸环上，从而密封压环将石墨盘根压在水冷底盘或顶盖支撑部上，石墨盘根具有很好的密封性，在此处形成一级密封，此外由于密封垫片被夹持在围桶和水冷底盘、或围桶和顶盖支撑部之间，因此在此处形成另一级密封。由此，可以利用该形成的密闭空间进行与熔融物有关的测试，具体下述。
如图2所示，在水冷底盘6的外周面上设置有围堰12，所述围堰12通过围堰固定环13固定在水冷底盘6的外周面上。
图3为根据本发明的实施例的具有密闭空间的熔融物试验装置的上顶盖的示意图，如图3所示，所述上顶盖1包括爆破片15、测量仪表安装口16和/或红外测温仪视镜17。
优选地，所述水冷套管3呈圆筒形，包括多个沿圆周方向并列布置的水冷管，每一个水冷管包括在水冷管的一端相互连通的内管部和外管部，内管部套在外管部内。进一步地，所述水冷底盘6具有环形腔，所述环形腔被分隔壁分为上环形腔和下环形腔，在环形腔的外壁上设置有冷却水进口4和冷却水出口5，冷却水进口4和冷却水出口5分别与上环形腔和下环形腔流体连通，所述水冷管的外管部和内管部分别与上环形腔和下环形腔流体连通，使得形成从冷却水进口4-上环形腔-外管部-内管部-下环形腔-冷却水出口5的冷却路径。
根据本发明的优选实施例，所述围桶2为石英玻璃围桶。石英玻璃是一种耐高温的透明材料，通过透明围桶可以观察密闭空间内的熔融物状态。
作为一个优选实施例，在所述水冷底盘6的上表面上设置的凸环8为沿周向延伸的凸环，密封压环7呈环形，并且密封压环7在穿过其轴线的平面内的截面呈L形。
具体实施例1
下面通过一个具体实施例，详细描述一种用于研究熔融池表面注水冷却特性的试验段，主要包括水冷套管、水冷底盘、石英玻璃围桶及上顶盖四部分。其中，水冷套管材质为紫铜，管长450mm，间距1～2mm，环形排布在水冷底盘基座上，组成直筒型冷坩埚，内径220mm，盛装熔池内高430mm，用于盛载氧化锆熔融物(2700～3000℃)，为熔池提供冷却边界从而形成氧化锆致密壳层。水冷套管的水冷管的内管部和外管部与基座通过螺纹连接，方便拆卸更换。外管部上端密封，下端与水冷底盘入口相通，内管部上端与外管部相通，下端与水冷底盘出口相通，即冷却水由水冷底盘入口进到外管部，流经外管部顶端然后进入内管部，之后流到水冷底盘出口。
水冷底盘内通冷却水，设置三组进出水口，将厂用冷却水均匀分配至多根水冷套管内。水冷底盘上表面上设置石英玻璃围桶安装槽以及密封系统，所述密封系统包括密封压环、石墨盘根、密封垫片和固定螺栓。由于密封压环距离感应加热线圈较近，感应加热线圈长时间工作时密封压环会由于感生热而升至较高温度，因此在水冷底盘环外沿设置围堰结构，围堰 内通少量循环水，对密封压环进行冷却。耐高温石英玻璃围桶位于冷坩埚水冷套管和感应加热线圈之间，在不影响电磁感应分布的前提下实现冷坩埚试验段的密封和承压，同时实现高温熔融物试验的可视化。上顶盖安装在玻璃围桶上方，上顶盖上设有热电偶、压力传感器、红外测温仪视镜等接口。感应加热线圈由紫铜管制作，盘绕在水冷套管外侧，将电源产生的高频交变电流转变为高频交流电磁场，进而加热熔化冷坩埚内试验工质，模拟熔融物池的内热源。
石英玻璃围桶材料为透明石英玻璃，耐1200℃高温，壁厚10mm，设计承压0.5MPa。石英玻璃围筒位于冷坩埚的水冷套管外部，上下两端分别与水冷底盘、上顶盖进行密封连接，密封系统由石墨盘根、密封压环及固定螺栓等组成。石英玻璃围桶一方面实现试验段的耐压密封而不影响感应加热效率，另一方面实现了熔池表面的可视化，为试验现象的观察记录提供条件。上顶盖安装在石英玻璃围桶上方，内设有顶部注水口和注水蒸汽排汽口等接口。上顶盖通过顶盖支撑部固定在试验段支撑结构上，防止自重施加在石英玻璃围桶上。上顶盖分成侧壁段和顶盖两部分：顶盖开设红外测温窗，设置承压透明玻璃，其视角保证红外测温仪可测量熔融物表面多个位置点温度。侧壁段开有2个法兰孔，其中一个用于安装压力、温度等测量仪表；另一个为爆破片安装口，爆破片外连接排放管道。
由于石英玻璃围桶与上顶盖连接处没有电磁感应热，因此石英玻璃围桶顶部与上顶盖之间的密封结构处无需冷却。
由上可知，本发明提出了一种可开展多项堆芯熔融物相关研究的熔融物试验装置，该装置同时具备高温熔融物制备、同时具有承压及密封能力的冷坩埚试验段，可用于研究熔融物的传热过程、熔融物与水相互作用研究、熔融物与耐高温陶瓷材料相互作用研究以及熔融物与牺牲性材料相互作用研究。一方面，利用感应加热技术，可将工质Zr02粉末由常温加热至2700～3000℃，同时，冷坩埚尺寸较大，所形成熔池体积相对较大，可承装50kg氧化锆粉末。此外，由于采用的是非接触式加热技术，在试验过程中不必关停加热电源，可实现熔池内热源的持续供给。综合来看，试验段内ZrO2熔池的热物性与真实工质更为接近，能更好的模拟严重事故条件下的熔融物的物理化学特性，得到的试验结果也更接近真实情况。另一方面，由于采用了冷坩埚承压和密封设计，可将熔融物与冷却剂相互作 用试验可能产生的蒸汽，熔融物与牺牲性材料和混凝土材料相互作用时可能产生的大量不可凝气体进行收集测量，为熔融物的传热和化学反应过程提供更为全面的试验数据。
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 上顶盖
2 围桶
3 水冷套管
4 冷却水进口
5 冷却水出口
6 水冷底盘
7 密封压环
8 凸环
9 石墨盘根
10 密封垫片
11 固定螺栓
12 围堰
13 围堰固定环
14 顶盖支撑部
15 爆破片
16 测量仪表安装口
17 红外测温仪视镜
100 围桶密封系统
200 顶盖密封系统 。
Claims (10)
1.一种具有密闭空间的熔融物试验装置，其特征在于：所述熔融物试验装置包括水冷套管(3)、感应加热线圈和水冷底盘(6)，所述水冷套管(3)与水冷底盘(6)形成冷坩埚，其中在所述水冷底盘(6)上形成包围水冷套管(3)的密闭空间。
2.根据权利要求1所述的具有密闭空间的熔融物试验装置，其特征在于：
所述熔融物试验装置还包括围桶(2)和上顶盖(1)，所述围桶(2)密闭地安装在水冷底盘(6)上，所述上顶盖(1)密闭地安装在围桶(2)上，由此形成包围水冷套管(3)的密闭空间。
3.根据权利要求2所述的具有密闭空间的熔融物试验装置，其特征在于：
所述围桶(2)通过围桶密封系统(100)密闭地安装在水冷底盘(6)上，所述围桶密封系统(100)包括密封压环(7)、石墨盘根(9)、密封垫片(10)和固定螺栓(11)，并且在所述水冷底盘(6)的上表面上设置有凸环(8)，其中密封垫片(10)夹持在围桶(2)和水冷底盘(6)之间，固定螺栓(11)穿过密封压环(7)固定在凸环(8)上，并且石墨盘根(9)夹持在密封压环(7)和水冷底盘(6)之间。
4.根据权利要求2所述的具有密闭空间的熔融物试验装置，其特征在于：
所述上顶盖(1)通过顶盖密封系统(200)密闭地安装在围桶(2)上，所述顶盖密封系统(200)包括密封压环、石墨盘根、密封垫片和固定螺栓，并且所述上顶盖(1)包括顶盖支撑部(14)，在所述顶盖支撑部(14)的下表面上设置有凸环，其中密封垫片夹持在围桶(2)和顶盖支撑部(14)之间，固定螺栓穿过密封压环固定在所述顶盖支撑部(14)的凸环上，并且石墨盘根夹持在密封压环和顶盖支撑部(14)之间。
5.根据权利要求2所述的具有密闭空间的熔融物试验装置，其特征在于：
在水冷底盘(6)的外周面上设置有围堰(12)，所述围堰(12)通过围堰固定环(13)固定在水冷底盘(6)的外周面上。
6.根据权利要求2所述的具有密闭空间的熔融物试验装置，其特征在于：
所述上顶盖(1)包括爆破片(15)、测量仪表安装口(16)和/或红外测温仪视镜(17)。
7.根据权利要求2所述的具有密闭空间的熔融物试验装置，其特征在于：
所述水冷套管(3)呈圆筒形，包括多个沿圆周方向并列布置的水冷管，每一个水冷管包括在水冷管的一端相互连通的内管部和外管部，内管部套在外管部内。
8.根据权利要求7所述的具有密闭空间的熔融物试验装置，其特征在于：
所述水冷底盘(6)具有环形腔，所述环形腔被分隔壁分为上环形腔和下环形腔，在环形腔的外壁上设置有冷却水进口(4)和冷却水出口(5)，冷却水进口(4)和冷却水出口(5)分别与上环形腔和下环形腔流体连通，所述水冷管的外管部和内管部分别与上环形腔和下环形腔流体连通，使得形成从冷却水进口(4)-上环形腔-外管部-内管部-下环形腔-冷却水出口(5)的冷却路径。
9.根据权利要求2所述的具有密闭空间的熔融物试验装置，其特征在于：
所述围桶(2)为石英玻璃围桶。
10.根据权利要求3所述的具有密闭空间的熔融物试验装置，其特征在于：
在所述水冷底盘(6)的上表面上设置的凸环(8)为沿周向延伸的凸环，密封压环(7)呈环形，并且密封压环(7)在穿过其轴线的平面内的截面呈L形。
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