CN107945895A - 一种非均匀电加热的核燃料模拟棒 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非均匀电加热的核燃料模拟棒及其试验方法，属于反应堆试验研究领域。应用于核燃料组件的临界热流密度试验研究，涉及燃料组件热工水力性能的试验研究。本发明以电流流过导体产生热量为原理，通过沿电加热棒轴向产生的非均匀热量模拟沿核燃料棒轴向的非均匀释热，从而进行核燃料组件的临界热流密度试验研究。
Description
技术领域
本发明涉及反应堆试验研究领域，尤其是试验装置和使用该试验装置的试验方法。
背景技术
临界热流密度是核燃料组件的关键设计参数之一，目前，燃料组件的临界热流密度还不能用理论的方法进行预测，只能通过试验获取。同时，核燃料棒沿轴向并不是均匀释热，不同轴向高度的热工环境不同，在研发核燃料组件的过程中也必须考虑这一因素。
在本申请之前，出现过一些针对该试验的装置。例如，国外有文献报道一种电加热棒，但该装置的工作压力最高仅为40bar，与燃料组件所承受的实际压力相差较大。该方案还没有解决电加热棒与配件的整体组装、电加热棒的壁面温度测量、电加热棒与外部电源的连通等问题。
国内的类似该设计中，电阻丝缠绕在棒芯表面。该方案没有解决电加热棒的壁面温度测量问题；电阻丝与棒体的相对位置难以保证；通过对电阻丝通电，从而对外管体进行间接加热，热效率较低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的问题，提供一种非均匀电加热的核燃料模拟棒及其试验方法。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种非均匀电加热的核燃料模拟棒，其特征在于:主要包括镍棒、加热段、铜片、陶瓷件、热电偶、镍管、铜管。
所述镍棒、加热段、镍管和铜管从上到下依次相连，成为一根外径不变的金属棒体。
所述加热段是一根变内径的金属管。所述加热段内腔的上端被镍棒封堵、所述加热段内腔的下端与镍管和铜管的内腔连通。
所述加热段、镍管和铜管的内壁具有陶瓷层。
所述加热段内腔中容纳若干热电偶。所述热电偶测量加热段内部陶瓷的温度。
所述镍棒的上端和铜管的下端分别连接电源的两极。
进一步，所述加热段内腔为多级渐变孔，其中间的孔径大于两端的孔径。
进一步，所述加热段内腔中具有若干铜片。加热段内壁的陶瓷和热电偶均与所述铜片接触。
进一步，铜棒、加热段、镍管和铜管之间均采用银纤焊的方式连接。
进一步，在采用了上述模拟棒进行核燃料组件的临界热流密度试验或者燃料组件热工水力性能的试验时，镍棒的顶部被悬挂，电流流过金属棒体产生热量。即通过电加热棒产生的非均匀热量模拟沿核燃料棒轴向的非均匀释热，从而进行相关试验研究。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
1)能够模拟核燃料棒沿轴向非均匀释热；
2)能够在高温、高压工况下产生高热流密度；
3)结构设计简单紧凑，可行性高，可靠性高，能按照指定尺寸进行加工组装，精确控制热流密度的分布；
4)能够实时测量并输出指定位置的温度，安全性高；
5)导热性能好，能够实现快速大量热交换。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图。
图中：镍棒1、加热段2、铜片3、陶瓷件4、热电偶5、镍管6、铜管7。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1，一种非均匀电加热的核燃料模拟棒，其特征在于:主要包括镍棒1、加热段2、铜片3、陶瓷件4、热电偶5、镍管6、铜管7。
所述镍棒1、加热段2、镍管6和铜管7从上到下依次相连，成为一根外径不变的金属棒体。其使用环境可以为高温、高压环境，工作介质为去离子水。
所述加热段2是一根变内径的金属管。所述加热段2内腔的上端被镍棒1封堵、所述加热段2内腔的下端与镍管6和铜管7的内腔连通。
所述加热段2、镍管6和铜管7的内壁具有陶瓷层，即陶瓷件4。
实施例中，加热段2是材质为Inconel 600的金属管，管壁外径不变，壁厚沿着轴向变化，能够模拟核燃料棒轴向的非均匀释热。如图1所示，所述加热段2内腔为多级渐变孔，其中间的孔径大于两端的孔径。
所述加热段2内腔中容纳若干热电偶5。即可以在不同位置设置多根热电偶，测量加热段2内部陶瓷的温度。实时测量指定位置的温度，可降低加热棒烧毁的风险。实施例中，所述加热段2内腔中具有若干铜片3。加热段2内壁的陶瓷和热电偶5均与所述铜片3接触。所用铜材料导热性能和机械性能均优良，能够将陶瓷件4的温度快速传导至热电偶5。热电偶5的导线从铜管7的下端引出。
所述镍棒1的上端和铜管7的下端分别连接电源的两极。镍棒1在保证强度的同时减少无效发热量。所示陶瓷件4的绝缘性能优良，能够将加热段2与热电偶5绝缘。
实施例中，铜棒1、加热段2、镍管6和铜管7之间均采用银纤焊的方式连接。铜管7在保证强度的同时减少无效发热量。
本发明中，模拟棒的最高温度可达650℃，满足临界热流密度试验所需，能够实时测量并输出电加热棒的温度；能产生较大的热流密度，具有良好的导热性，能实现快速大量热交换；结构设计简单，可行性高，能按照核燃料的实际尺寸进行加工组装，精确保证热流密度的分布；最高能承受15.5MPa的外压；解决了电加热棒与电源可靠连接的问题，并且能够精确控制有效发热段的长度。
实施例2：
一种采用实施例1所述模拟棒的核燃料组件的临界热流密度试验或者燃料组件热工水力性能的试验。
试验时，镍棒1的顶部被悬挂，使得模拟棒在受热后加热棒能够沿轴向自由膨胀，不会产生限位应力。
电流流过金属棒体产生热量。即通过电加热棒产生的非均匀热量模拟沿核燃料棒轴向的非均匀释热，从而进行相关试验研究。
本发明具有能够模拟沿核燃料棒轴向的非均匀释热、结构紧凑、尺寸精确、热流密度高、能在高温、高压工况下安全可靠工作，本发明及相关部件可以代替核燃料棒进行临界热流密度等试验研究，并测量不同运行工况下核燃料棒的临界热流密度。本发明的应用对核燃料组件的研发具有良好的支撑作用。
Claims (5)
1.一种非均匀电加热的核燃料模拟棒，其特征在于:主要包括所述镍棒(1)、加热段(2)、热电偶(5)、镍管(6)、铜管(7)；
所述镍棒(1)、加热段(2)、镍管(6)和铜管(7)从上到下依次相连，成为一根外径不变的金属棒体；
所述加热段(2)是一根变内径的金属管；所述加热段(2)内腔的上端被镍棒(1)封堵、所述加热段(2)内腔的下端与镍管(6)和铜管(7)的内腔连通。
所述加热段(2)、镍管(6)和铜管(7)的内壁具有陶瓷层；
所述加热段(2)内腔中容纳若干热电偶(5)；所述热电偶(5)测量加热段(2)内部陶瓷的温度；
所述镍棒(1)的上端和铜管(7)的下端分别连接电源的两极。
2.根据权利要求1所述的一种非均匀电加热的核燃料模拟棒，其特征在于：所述加热段(2)内腔为多级渐变孔，其中间的孔径大于两端的孔径。
3.根据权利要求1或2所述的一种非均匀电加热的核燃料模拟棒，其特征在于：所述加热段(2)内腔中具有若干铜片(3)；加热段(2)内壁的陶瓷和热电偶(5)均与所述铜片(3)接触。
4.根据权利要求1或3所述的一种非均匀电加热的核燃料模拟棒，其特征在于：铜棒(1)、加热段(2)、镍管(6)和铜管(7)之间均采用银纤焊的方式连接。
5.一种采用1～4任意一项权利要求所述模拟棒的核燃料组件，其特征在于：试验时，镍棒(1)的顶部被悬挂，电流流过金属棒体产生热量。
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