CN108877968B - 一种适用于反应堆内材料释热率的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于反应堆内材料释热率的测量装置，包括：冷却剂入口流道、流量调节计、热电偶、测试流道、样品布置段、绝热管、冷却剂出口流道、对比流道；冷却剂入口流道内安装有流量调节计，流量调节计用于控制冷却剂的流量并进行显示；测试流道和对比流道平行排列，且测试流道和对比流道距离堆芯中心的距离相等；测试流道和对比流道内均安装有样品布置段，测试流道中的样品布置段内装有待测量样品，对比流道内中的样品布置段没有待测量样品；通过对比流道与测试流道冷却剂流出的温差对比信息，获得反应堆内材料释热率的测量结果；本装置可以在保证测量安全性的前提下，实现高发热材料以及液态金属材料释热率的准确直接测量。

Description

一种适用于反应堆内材料释热率的测量装置

技术领域

本发明反应堆材料辐照领域，具体地，涉及一种适用于反应堆内材料释热率的测量装置。

背景技术

在反应堆中，热量主要来源于核燃料、结构材料、控制棒等毒物材料以及冷却剂等多个方面，引起材料发热的因素主要有裂变反应、中子的输运过程在材料中产生的能量沉积、(n,γ)反应以及核素衰变产生的γ射线和β射线在堆内输运时与材料的相互作用。反应堆内的热量存积对反应堆的安全有重要影响，因此，能够准确测量及分析反应堆内各种材料的发热情况对反应堆的设计及运行都至关重要。同时针对部分第四代核电堆型，选用铅铋合金等液态金属作为主要的冷却剂，鉴于此也非常有必要开展液态金属在反应堆内的释热率测量研究。

测量材料释热率的方法一般都采用量热手段。现有技术包括绝热加热法、静态等温法以及实验测量传热系数法。绝热加热法是直接将待测量样品置于绝热环境中，测量在一定时间内材料的总发热量，进而推算材料的释热率，该技术的弊端在于由于待测量样品处于绝热环境，在高释热环境中，样品温升很快而将很快达到样品的熔融温度，因此测量对象仅能够面像部分低发热的结构材料，而对核燃料以及控制棒等毒物材料不适用。静态等温法主要是控制样品的热量主要在一个方向上传递，并测量样品在一定距离上的温差，利用热传导特性推导材料释热率。静态等温法的不足之处包括：仅能针对固体材料、材料的发热量不能过大以及必须知晓材料在各个温度下的导热系数。实验测量传热系数法是通过测量样品表面与冷却剂之间的温差以及样品表面的传热系数来反推样品的释热情况，该方法亦只能针对固态样品且测量表面传热系数的方法较复杂。

现有用于在反应堆中测量材料释热率的技术手段的适用性普遍不强，特别是针对核燃料、控制棒等毒物材料以及液态金属材料，现有技术手段基本无法安全地实现材料释热率的准确测量。

发明内容

本发明提供了一种适用于反应堆内材料释热率的测量装置，解决了现有测量方法或装置存在的不足，本装置可以在保证测量安全性的前提下，实现高发热材料以及液态金属材料释热率的准确直接测量。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种适用于反应堆内材料释热率的测量装置，所述装置包括：

冷却剂入口流道、流量调节计、热电偶、测试流道、样品布置段、绝热管、冷却剂出口流道、对比流道；

冷却剂入口流道内安装有流量调节计，流量调节计用于控制冷却剂的流量并进行显示；冷却剂入口流道下端穿过绝热管上端后与测试流道上端和对比流道上端均连接，冷却剂出口流道上端穿过绝热管下端后与测试流道下端和对比流道下端均连接，测试流道和对比流道平行排列，且测试流道和对比流道距离堆芯中心的距离相等；冷却剂入口流道和冷却剂出口流道竖直中心线重合；测试流道和对比流道关于冷却剂入口流道的竖直中心线对称，测试流道和对比流道内均安装有样品布置段，测试流道中的样品布置段内装有待测量样品，对比流道内中的样品布置段没有待测量样品；通过对比流道与测试流道冷却剂流出的温差对比信息，获得反应堆内材料释热率的测量结果。

本发明中测试流道与对比流道的流道形状及阻力特性需完全相同，在释热率测量时，需使得测试流道与对比流道并排指向堆芯，从而保证两个流道所处的辐照环境一致，以使得在无待测量样品时，测试流道与对比流道的释热情况完全相同。在两个流道中同时设置有相同的样品布置段。样品布置段主要由样品盒和固定支架构成。样品盒主要是容纳待测量样品，具有已知质量的高发热材料以及液态金属材料等待测量样品置于样品盒中，固体材料的形状应与样品盒内腔一致，样品盒在装载有待测量样品后应充分密封。固定支架是将样品盒安装在测试流道以及对比流道中，样品盒的大小形状以及固定支架的安装方式在测试流道以及对比流道中完全相同，固定支架需保证样品盒安装稳定以使得冷却剂能够顺利流过样品盒表面。在样品盒中装载有待测量样品的流道为测试流道，另一个流道特性完全相同而未装载样品的流道为对比流道。两个形状完全相同且阻力特性亦相同的流道会均分来自入口流道的冷却剂，冷却剂的流量通过流量调节计控制及显示。

分别在测试流道及对比流道样品布置段相同高度的上下两处各布置一支热电偶，以监测冷却剂流过样品布置段的温度变化情况。测试流道中样品布置段上下两点的温差由样品发热、样品盒及固定支架发热以及两点之间的冷却剂发热共同引起，而对比流道中样品布置段上下两点的温差仅由样品盒及固定支架发热以及两点之间的冷却剂发热引起，与测试流道相比，对比流道的发热情况缺少样品发热的影响因素。假设调节入口流道冷却剂流量为q_m，冷却剂的比热容为c，测试流道样品布置段的温差为Δt₁，对比流道样品布置段的温差为Δt₂，样品的质量为m，材料释热率为γ，若保证测试流道及对比流道中的热量沿冷却剂流量方向向外传递，根据热平衡情况，应有以下关系式：mγ＝cq_m(Δt₁-Δt₂)/2，根据该关系式，可以有效测量出待测量样品的释热情况。

本发明中，采用在绝热管以及测试流道、对比流道之间的气腔室中填充氦、氩或氖等低导热性气体来保证测试流道及对比流道中的热量主要沿冷却剂流量方向向外传递。气腔室中填充氦、氩或氖等低导热性气体可以极大减少测试流道及对比流道中的热量沿径向上的流失，从而保证测量样品布置段上下两处温差可以有效体现测试流道及对比流道中的发热情况。

本发明中的冷却剂可以为水、气体等常规冷却剂，亦可以为针对第四代堆的铅铋合金等液态金属冷却剂。在冷却剂入口流道设置可调可计量的流量计主要是考虑到不同材料的发热情况以及热电偶的测量误差等。在待测量对象的释热率较大，温差较明显时可以增大冷却剂流量以保证测试的安全性；在温差较小时，可以通过降低冷却剂流量来提高温差，以减小热电偶的测量误差。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明主要根据热量平衡来测量高发热材料及液态金属材料的释热率。测量装置中需设置流道形状及阻力特性完全一致的测试流道以及对比流道，测试流道中安装有待测量样品，两流道之间的释热情况差异在于待测量样品发热的有无。同时，在绝热管以及测试流道、对比流道之间的气腔室中填充氦、氩或氖等低导热性气体，以保证测试流道及对比流道中的热量主要沿冷却剂流量方向向外传递。通过比较测试流道与对比流道的温差可以有效推导出待测量样品的释热率。

本发明有益效果具体体现在：

1)本发明中的待测量样品密封置于样品盒内，且有冷却剂直接快速带走热量，可以测量高发热性材料以及液态金属材料；

2)本发明中设置有流道形状及阻力特性完全一致的测试流道以及对比流道，待测量样品的发热仅在测试流道中体现，对比流道可以有效排除其他来源的热量，使得释热率测量结果准确可靠；

3)本发明中在绝热管以及测试流道、对比流道之间的气腔室中填充氦、氩或氖等低导热性气体，可以极大降低测试流道及对比流道在径向上的热量散失，使得流道在轴向上的温差测量值可以有效体现流道内发热情况，测量结果无需修正。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中适用于反应堆内材料释热率的测量装置的结构示意图；

其中，1-冷却剂入口流道；2-流量调节计；3-热电偶；4-进气管；5-测试流道；6-样品布置段；7-固定支架；8-待测量样品；9-样品盒；10-绝热管；11-冷却剂出口流道；12-下端面；13-气腔室；14-对比流道；15-上端面；16-出气管。

具体实施方式

本发明提供了一种适用于反应堆内材料释热率的测量装置，解决了现有测量方法或装置存在的不足，本装置可以在保证测量安全性的前提下，实现高发热材料以及液态金属材料释热率的准确直接测量。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1，本申请提供了一种适用于反应堆内材料释热率的测量装置，要实现本发明涉及到高发热材料及液态金属材料释热率的测量，需配合冷却剂入口流道1、测试流道5、对比流道14、样品布置段6、热电偶3、绝热管10以及气腔室12等来完成。

本发明工作原理为：

冷却剂自冷却剂入口流道1进入测量装置，而通过冷却剂出口流道11流出测量装置，冷却剂流量通过流量调节计2控制及计量。冷却剂在测试流道5以及对比流道14中存在分流，由于测试流道5以及对比流道14的流道形状以及阻力特性完全相同，冷却剂流量会均分进入测试流道5以及对比流道14。测试流道5以及对比流道14中同时设置有样品布置段6，样品布置段6中安装有样品盒9以及固定支架7，固定支架7使得样品盒9在样品布置段6中稳定，且保证冷却剂能够充分及时冷却样品盒9。在测试流道5的样品盒9中装载有待测量样品8。在测试流道5以及对比流道14的样品布置段6的上下两处各布置有一支热电偶3。调节流量调节计2，使得自冷却剂入口1流入测时装置的冷却剂质量流量为q_m，在反应堆中，测试流道5样品布置段6的温差为Δt₁，对比流道14样品布置段6的温差为Δt₂。冷却剂的比热容为c，样品的质量为m，材料释热率为γ，在保证测试流道5及对比流道14中的热量沿冷却剂流量方向向外传递的前提下，根据热平衡情况，应有以下关系式：mγ＝cq_m(Δt₁-Δt₂)/2，根据该关系式，可以有效测量出待测量样品8的释热率γ。

为保证测试流道5及对比流道14中的热量主要沿冷却剂流量方向向外传递，在上端面15、绝热管10、下端面12、测试流道5、对比流道14围成的空间内设置气腔室13，通过进气管4、出气管16置换气腔室13中的气体为氦、氩或氖等低导热性能气体，从而减小测试流道以及对比流道中的发热向径向上的散失。

本装置基于热平衡设置有流道形状及阻力特性完全一致的测试流道以及对比流道。测试流道与对比流道并排放入反应堆并指向反应堆中心轴线。流量已知的冷却剂在测试流道以及对比流道中均分，测试流道以及对比流道中设置有样品布置段，在测试流道中冷却剂流过装载有待测量样品的样品盒，在对比流道中冷却剂流过无样品的样品盒。样品布置段的上下位置处各安装有一支热电偶，同时在测试流道以及对比流道外侧设置有气腔室，通过比较测试流道以及对比流道的温差可以准确推导出待测量样品的释热率。本发明中提供中的释热率测量装置可以解决核燃料、控制棒等毒物材料以及液态金属材料的释热率测量问题，并且测量结果准确可靠。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

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，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种适用于反应堆内材料释热率的测量装置，其特征在于，所述装置包括：

冷却剂入口流道、流量调节计、热电偶、测试流道、样品布置段、绝热管、冷却剂出口流道、对比流道；

冷却剂入口流道内安装有流量调节计，流量调节计用于控制冷却剂的流量并进行显示；冷却剂入口流道下端穿过绝热管上端后与测试流道上端和对比流道上端均连接，冷却剂出口流道上端穿过绝热管下端后与测试流道下端和对比流道下端均连接，测试流道和对比流道平行排列，且测试流道和对比流道距离堆芯中心的距离相等；冷却剂入口流道和冷却剂出口流道竖直中心线重合；测试流道和对比流道关于冷却剂入口流道的竖直中心线对称，测试流道和对比流道内均安装有样品布置段，测试流道中的样品布置段内装有待测量样品，对比流道内中的样品布置段没有待测量样品；通过对比流道与测试流道冷却剂流出的温差对比信息，获得反应堆内材料释热率的测量结果；样品布置段包括：固定支架和样品盒，测试流道中的样品布置段内的样品盒内装有待测量样品，对比流道内中的样品布置段的样品盒内没有待测量样品；样品盒通过固定支架安装在测试流道和对比流道中；测试流道与对比流道的样品盒均需密封；测试流道中的样品布置段的外形与对比流道内中的样品布置段的外形关于冷却剂入口流道的竖直中心线对称；测试流道内样品布置段的上下两处各安装有一支热电偶，对比流道内样品布置段的相同高度上下两处各安装有一支热电偶，基于热电偶监测冷却剂流过样品布置段的温度变化情况。

2.根据权利要求1所述的适用于反应堆内材料释热率的测量装置，其特征在于，假设调节冷却剂入口流道冷却剂流量为q_m，冷却剂的比热容为c，测试流道样品布置段的温差为∆t₁，对比流道样品布置段的温差为∆t₂，样品的质量为m，材料释热率为γ，mγ=cq_m(∆t₁-∆t₂)/2（1），根据式（1），测量出待测量样品的释热情况。

3.根据权利要求1所述的适用于反应堆内材料释热率的测量装置，其特征在于，绝热管以及测试流道、对比流道之间的气腔室中填有低导热性气体，所述低导热性气体为氦气、氩气或氖气。

4.根据权利要求1所述的适用于反应堆内材料释热率的测量装置，其特征在于，绝热管以及测试流道、对比流道之间的气腔室设置有进气管和出气管，通过进气管和出气管置换气腔室中的气体且该气体为低导热性能气体，并使得测试流道与对比流道的的热电偶导出绝热管。

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