CN107808702A - 具有升降底盘的熔融物试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有升降底盘的熔融物试验装置，其特征在于：所述熔融物试验装置包括水冷套管(1)、感应加热线圈和底盘系统，所述水冷套管(1)与底盘系统形成冷坩埚，其中所述底盘系统包括升降机构(8)。根据本发明的具有升降底盘的熔融物试验装置，可以开展多项熔融物相关试验研究，并且在试验结束后，熔池及其上部壳层结构能够完整地被移出。
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升降底盘的熔融物试验装置。
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，在现有的采用冷坩埚感应加热的熔融物试验装置中，由于冷却套管与水冷底盘连接在一起，在试验结束后，熔融物冷却后的固体物块及壳层难于取出。
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，并具备实现试验结束后，将熔池及其上部壳层结构完整移出试验段的特殊功能，以此试验段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，提供一种具有升降底盘的熔融物试验装置，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升降底盘的熔融物试验装置，使得试验结束后，熔池及其上部壳层结构能够完整地被移出。
根据本发明的实施例，提出了一种具有升降底盘的熔融物试验装置，所述熔融物试验装置包括水冷套管、感应加热线圈和底盘系统，所述水冷套管与底盘系统形成冷坩埚，其中所述底盘系统包括升降机构。
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；所述底盘系统包括内底盘和外底盘，所述外底盘通过支架固定，所述水冷套管设置在外底盘上，并且被配置为与外底盘内部流体连通；所述内底盘间隙地设置在外底盘内，并且被配置为封堵水冷套管的底部；所述升降机构与内底盘连接，用于控制内底盘的升降。
根据本发明的优选实施例，所述外底盘具有环形腔，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外底盘冷却水进口和外底盘冷却水出口，外底盘冷却水进口和外底盘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，使得形成从外底盘冷却水进口-上环形腔-外管部-内管部-下环形腔-外底盘冷却水出口的冷却路径。
根据本发明的优选实施例，所述内底盘呈大致圆柱形，被分隔壁分为内底盘冷却腔和内底盘回水腔，在所述分隔壁上设置有内底盘回水口，在所述内底盘的外壁上设置有内底盘冷却水进口和内底盘冷却水出口，在内底盘冷却水进口与内底盘冷却腔之间设置有内底盘进水管，内底盘冷却水出口与内底盘回水腔流体连通，使得形成内底盘冷却水进口-内底盘进水管-内底盘冷却腔-内底盘回水口-内底盘回水腔-内底盘冷却水出口的冷却路径。
根据本发明的优选实施例，在所述内底盘的底部设置有内底盘排水口，所述内底盘排水口被配置为在工作时处于封堵状态，并且在工作结束后处于打开状态以排出内底盘内的水或蒸汽。
根据本发明的优选实施例，所述内底盘通过固定法兰和固定螺栓固定在外底盘上，使得当固定螺栓被锁定时内底盘与外底盘连接为一体，当固定螺栓被解除时内底盘能够在外底盘内滑动。
根据本发明的优选实施例，所述内底盘和所述外底盘具有大致圆柱形的轮廓，并且所述内底盘同心地设置在外底盘内。
根据本发明的优选实施例，所述内底盘与所述外底盘之间具有2-8mm之间的间隙。
根据本发明的优选实施例，外底盘冷却水进口和外底盘冷却水出口分别为三个，三个外底盘冷却水进口和三个外底盘冷却水出口分别与集水环连接。
根据本发明的优选实施例，内底盘冷却水进口和内底盘冷却水出口分别为一个，一个内底盘冷却水进口和一个内底盘冷却水出口与集水环连接。
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(底盘系统)、底盘升降机构和感应线圈四部分。水冷底盘由水冷内底盘和水冷外底盘组成，其中水冷外底盘内通冷却水，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。水冷内低盘内也通冷却水，通过调整冷却水温度与流量可直接控制坩埚内熔融物池的深度，与底部液压升降机构相连接，可进行升降操作，用于将冷却后的固态熔池及其表面壳层完整移出试验段。通过坩埚内外底盘的设计，一方面便于感应线圈产生的磁感线穿透坩埚水冷底磊，增强坩埚内的磁场，提升电源熔化工质的效率；一方面可通过对内底盘内冷却水流量以及与外底盘相对位置的控制，达到控制熔池向下热流密度、调节熔池深度及实现完整熔池结构取出的功能。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的具有升降底盘的熔融物试验装置的总体示意图；
图2为根据本发明的实施例的具有升降底盘的熔融物试验装置的内底盘的主视图；以及
图3为图2的内底盘沿A-A截面的剖视图。
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，提出了一种具有升降底盘的熔融物试验装置，其特征在于：所述熔融物试验装置包括水冷套管1、感应加热线圈和底盘系统，所述水冷套管1与底盘系统形成冷坩埚，其中所述底盘系统包括升降机构8(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，盘绕在水冷套管及底盘系统组成的坩埚外侧，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，所述水冷套管1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；所述底盘系统包括内底盘3和外底盘2，所述外底盘2通过支架10固定，所述水冷套管1设置在外底盘2上，并且被配置为与外底盘2内部流体连通；所述内底盘3间隙地设置在外底盘2内，并且被配置为封堵水冷套管1的底部；所述升降机构8与内底盘3连接，用于控制内底盘3的升降。优选地，所述内底盘3和所述外底盘2具有大致圆柱形的轮廓，并且所述内底盘3同心地设置在外底盘2内。
通过内底盘和外底盘相对独立的设计，使得内底盘可以相对于水冷套管运动，并且借助与内底盘连接的升降机构，能够使得在试验结束后，将冷却后的固态熔池及其表面壳层借助于内底盘完整移出试验段。需要说明的是水冷套管中的每一个水冷管都包括呈圆柱形的内管部和外管部，内管部套在外管部内，在图1所示的实施例中，外管部上部封闭，内管部上部敞开，并且内管部的顶端在高度上低于外管部的顶端，由此使得内管部与外管部在水冷管的顶端流体连通，内管部和外管部的下部都是敞开的，但是它们与外底盘的不同部分流体连通，下文会详述。
如图1所示，所述外底盘2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外底盘冷却水进口4和外底盘冷却水出口5，外底盘冷却水进口4和外底盘冷却水出口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，使得形成从外底盘冷却水进口4-上环形腔-外管部-内管部-下环形腔-外底盘冷却水出口5的冷却路径。
图2为根据本发明的实施例的具有升降底盘的熔融物试验装置的内底盘的主视图；图3为图2的内底盘沿A-A截面的剖视图。如图2和3所示，所述内底盘3呈大致圆柱形，被分隔壁分为内底盘冷却腔12和内底盘回水腔13，在所述分隔壁上设置有内底盘回水口11，在所述内底盘3的外壁上设置有内底盘冷却水进口6和内底盘冷却水出口7，在内底盘冷却水进口6与内底盘冷却腔12之间设置有内底盘进水管15，内底盘冷却水出口7与内底盘回水腔13流体连通，使得形成内底盘冷却水进口6-内底盘进水管15-内底盘冷却腔12-内底盘回水口11-内底盘回水腔13-内底盘冷却水出口7的冷却路径。
优选地，在所述内底盘3的底部设置有内底盘排水口14，所述内底盘排水口14被配置为在工作时处于封堵状态，并且在工作结束后处于打开状态以排出内底盘3内的水或蒸汽。
再次参见图1，所述内底盘3通过固定法兰9和固定螺栓固定在外底盘2上，使得当固定螺栓被锁定时内底盘3与外底盘2连接为一体，当固定螺栓被解除时内底盘3能够在外底盘2内滑动。
根据本发明的优选实施例，所述内底盘3与所述外底盘2之间具有2-8mm之间的间隙，优选地具有5mm的间隙。进一步优选地，外底盘冷却水进口4和外底盘冷却水出口5分别为三个，三个外底盘冷却水进口4和三个外底盘冷却水出口5分别与集水环连接；内底盘冷却水进口6和内底盘冷却水出口7分别为一个，一个内底盘冷却水进口6和一个内底盘冷却水出口7与集水环连接。图1中仅仅示出一个外底盘冷却水进口4、外底盘冷却水出口5、内底盘冷却水进口6和内底盘冷却水出口7，然而本发明不对它们的数量加以限制，可以为除一个、三个以外的其它数量。
下面简要描述本发明的工作过程，本发明通过感应加热线圈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(水冷套管1和内底盘3形成容器状的冷坩埚)内的试验工质，在试验开始阶段，内底盘3通过液压升降机构8升至与外底盘2平齐的位置，大致封堵冷却套管1的底部，并且内底盘3和外底盘2通过固定法兰9和固定螺栓相互固定。在加热过程中分别通过外底盘冷却水进口4和内底盘冷却水进口6向外底盘2和内底盘3内通入冷却水，一部分冷却水流经外底盘冷却水进口4-上环形腔-外管部-内管部-下环形腔-外底盘冷却水出口5以进行冷却，一部分冷却水流经内底盘冷却水进口6-内底盘进水管15-内底盘冷却腔12-内底盘回水口11-内底盘回水腔13-内底盘冷却水出口7以进行冷却。在试验结束后，解除固定螺栓的锁定，从而内底盘3能够相对于外底盘2滑动，通过控制液压升降机构8使内底盘3下降，从而坩埚内的熔池结构等随内底盘下降露出，进而可以被取出。
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，主要包括冷坩埚、感应加热线圈和底盘升降机构等。冷坩埚呈直筒型，由底部水冷底盘和竖直水冷套管两部分组成，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。坩埚内径220mm。水冷套管材质为紫铜，水冷套管的水冷管的外管部管长450mm，环形排布在外底盘基座上，呈直筒型，铜管间距1～2mm。内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，下端与外底盘入口相通，内管部上端与外管部相通，下端与外底盘出口相通，即冷却水由外底盘入口进到外管部，流经外管部顶端然后进入内管部，之后流到外底盘出口。内底盘为高温熔融物的下冷却边界，材质为304不锈钢。底盘系统分内外两部分，且单独供水。内外底盘间隙为5mm，内外底盘通过固定螺栓与固定法兰相互固定，取出固定螺栓则内底盘在底盘升降机构驱动下能够相对外底盘向上向下移动，从而实现盛装工质和冷却后固态熔池结构完整移出的功能。外底盘侧面设置三组进出水口，分别连接至集水环。在内底盘中设有排水/汽口，用于导出积聚在内底盘腔室里的气体，防止形成空气热阻。其中，感应加热线圈呈螺旋状盘绕在冷坩埚外侧。感应加热线圈内径为330mm，总高300mm。感应加热线圈通过铜排与感应加热电源进行连接。感应加热线圈外浇注绝缘材料，防止感应加热线圈间高压放电及水滴溅入。通过感应加热线圈将电源产生的高频交变电流转换为高频交流电磁场，进而加热冷坩埚内试验工质熔化并维持其熔化状态，模拟内热源。
由此可见，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、同时可将熔融物冷却后的固体物块及上部壳层结构完整移出的冷坩埚试验段。一方面，利用感应加热技术，可将工质ZrO2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，由于采用了升降底盘设计，坩埚内的熔池结构在试验结束后可由试验段内完整移出，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 水冷套管
2 外底盘
3 内底盘
4 外底盘冷却水进口
5 外底盘冷却水出口
6 内底盘冷却水进口
7 内底盘冷却水出口
8 升降机构
9 固定法兰
10 支架
11 内底盘回水口
12 内底盘冷却腔
13 内底盘回水腔
14 内底盘排水口
15 内底盘进水管
Claims (10)
1.一种具有升降底盘的熔融物试验装置，其特征在于：所述熔融物试验装置包括水冷套管(1)、感应加热线圈和底盘系统，所述水冷套管(1)与底盘系统形成冷坩埚，其中所述底盘系统包括升降机构(8)。
2.根据权利要求1所述的具有升降底盘的熔融物试验装置，其特征在于：
所述水冷套管(1)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；
所述底盘系统包括内底盘(3)和外底盘(2)，所述外底盘(2)通过支架(10)固定，所述水冷套管(1)设置在外底盘(2)上，并且被配置为与外底盘(2)内部流体连通；
所述内底盛(3)间隙地设置在外底盘(2)内，并且被配置为封堵水冷套管(1)的底部；
所述升降机构(8)与内底盘(3)连接，用于控制内底盘(3)的升降。
3.根据权利要求2所述的具有升降底盘的熔融物试验装置，其特征在于：
所述外底盘(2)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外底盘冷却水进口(4)和外底盘冷却水出口(5)，外底盘冷却水进口(4)和外底盘冷却水出口(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，使得形成从外底盘冷却水进口(4)-上环形腔-外管部-内管部-下环形腔-外底盘冷却水出口(5)的冷却路径。
4.根据权利要求2所述的具有升降底盘的熔融物试验装置，其特征在于：
所述内底盘(3)呈大致圆柱形，被分隔壁分为内底盘冷却腔(12)和内底盘回水腔(13)，在所述分隔壁上设置有内底盘回水口(11)，在所述内底盘(3)的外壁上设置有内底盘冷却水进口(6)和内底盘冷却水出口(7)，在内底盘冷却水进口(6)与内底盘冷却腔(12)之间设置有内底盘进水管(15)，内底盘冷却水出口(7)与内底盘回水腔(13)流体连通，使得形成内底盘冷却水进口(6)-内底盘进水管(15)-内底盘冷却腔(12)-内底盘回水口(11)-内底盘回水腔(13)-内底盘冷却水出口(7)的冷却路径。
5.根据权利要求4所述的具有升降底盘的熔融物试验装置，其特征在于：
在所述内底盘(3)的底部设置有内底盘排水口(14)，所述内底盘排水口(14)被配置为在工作时处于封堵状态，并且在工作结束后处于打开状态以排出内底盘(3)内的水或蒸汽。
6.根据权利要求2所述的具有升降底盘的熔融物试验装置，其特征在于：
所述内底盘(3)通过固定法兰(9)和固定螺栓固定在外底盘(2)上，使得当固定螺栓被锁定时内底盘(3)与外底盘(2)连接为一体，当固定螺栓被解除时内底盘(3)能够在外底盘(2)内滑动。
7.根据权利要求2所述的具有升降底盘的熔融物试验装置，其特征在于：
所述内底盘(3)和所述外底盘(2)具有大致圆柱形的轮廓，并且所述内底盘(3)同心地设置在外底盘(2)内。
8.根据权利要求7所述的具有升降底盘的熔融物试验装置，其特征在于：
所述内底盘(3)与所述外底盘(2)之间具有2-8mm之间的间隙。
9.根据权利要求3所述的具有升降底盘的熔融物试验装置，其特征在于：
外底盘冷却水进口(4)和外底盘冷却水出口(5)分别为三个，三个外底盘冷却水进口(4)和三个外底盘冷却水出口(5)分别与集水环连接。
10.根据权利要求4所述的具有升降底盘的熔融物试验装置，其特征在于：
内底盘冷却水进口(6)和内底盘冷却水出口(7)分别为一个，一个内底盘冷却水进口(6)和一个内底盘冷却水出口(7)与集水环连接。
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