CN109147970B - 燃料包壳loca模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料包壳LOCA模拟试验装置，包括样件夹持系统、高温氧化炉系统和冷淬系统，高温氧化炉系统包括高温氧化炉，高温氧化炉包括容纳燃料包壳的样件且呈轴向设置的炉腔，炉腔的顶部和底部分别设有供样件输送的顶部开口和底部开口；冷淬系统包括冷却池，冷却池位于底部开口下方并通过接头连通底部开口；样件夹持系统位于顶部开口上方并连通顶部开口，样件夹持系统将样件悬挂固定并将样件在高温氧化炉与冷却池之间输送。本发明的高温氧化炉的炉腔呈轴向设置，样件夹持系统位于炉腔的顶部开口，冷却池位于炉腔的底部开口，可通过样件夹持系统将样件悬挂固定并输送至炉腔和冷却池，能够实现较长棒状燃料包壳的高温氧化试验和热冲击试验。

Description

燃料包壳LOCA模拟试验装置

技术领域

本发明属于核安全控制技术领域，尤其涉及一种燃料包壳LOCA模拟试验装置。

背景技术

为了研究在核电站LOCA事故发生后，燃料包壳材料的高温蒸汽氧化性能和再淹没淬火对包壳材料性能的影响，一般需要设计一种LOCA模拟试验装置。但现有装置不能实现对较长的棒状燃料包壳的双面进行高温氧化试验和热冲击试验；无法实现对较长的非金属棒状燃料包壳进行高温氧化试验和热冲击试验。

故，需要一种能够实现对较长的棒状燃料包壳进行高温氧化试验和热冲击试验的燃料包壳LOCA模拟试验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料包壳LOCA模拟试验装置，能够实现对较长的棒状燃料包壳的样件进行高温氧化试验和热冲击试验。

为了实现上有目的，本发明公开了一种燃料包壳LOCA模拟试验装置，包括样件夹持系统、高温氧化炉系统和冷淬系统，所述高温氧化炉系统包括高温氧化炉，所述高温氧化炉包括容纳燃料包壳的样件且呈轴向设置的炉腔，所述炉腔的顶部和底部分别设有供所述样件输送的顶部开口和底部开口；所述冷淬系统包括冷却池，所述冷却池位于所述底部开口下方并通过接头密闭连通所述底部开口；所述样件夹持系统位于所述顶部开口上方并连通所述顶部开口，所述样件夹持系统将所述样件悬挂固定并将所述样件在所述高温氧化炉与冷却池之间输送。

与现有技术相比，本发明高温氧化炉的炉腔呈轴向设置，样件夹持系统位于炉腔开口上方，冷却池位于炉腔开口下方，可通过样件夹持系统将燃料包壳的样件悬挂固定并输送至炉腔和冷却池内，使得本发明可同时适用于较长的金属和非金属棒状燃料包壳样件的高温氧化试验和热冲击试验。再者，本发明通过悬挂固定的方式输送样件，输送方便稳定。

较佳地，所述高温氧化炉系统还包括沿所述炉腔的轴向布置的多个加热系统，多个所述加热系统将所述炉腔分为多个温区，每一所述加热系统可分别进行独立控温。该方案使得本发明的高温氧化炉沿轴向分为具有多个独立控温的加热区间，不但可以便于控制轴向设置的炉腔内的温度，还使得高温氧化炉上不同区间可具有不同温度，便于研究在LOCA工况下燃料包壳轴向上的差异化受热情况，实现加热温度在不同温度下的稳定，提高稳定可控的加热速率，温度调节区间大，且可有效模拟LOCA工况下反应堆内复杂的高温环境。

具体地，每一所述加热系统包括加热元件、控温电路和测温点，所述多个加热系统的加热元件和测温点均沿轴向进行分层布置，所述多个加热系统的控温电路相互独立并依据所述测温点检测到的温度和对应温区的预设目标温度控制所述加热元件动作。

较佳地，所述样件夹持系统包括夹持所述样件的样件夹头和送样装置，所述样件夹头通过钢丝绳与所述送样装置连接，所述送样装置包括电动机，所述电动机带动所述钢丝绳动作以将所述样件夹头悬挂输送。

较佳地，所述样件夹持系统还包括与所述所述样件的单面配合封闭所述样件单面的密封接头。该方案使得本发明能够实现对较长的棒状燃料包壳的单面和双面进行高温氧化试验和热冲击试验。

较佳地，所述高温氧化炉包括红外线加热炉和电阻加热炉。该方案使得本发明能实现一定范围内的加热温度并能保持稳定，红外线加热炉能够实现相对较快的升温速率并进行调节控制，电阻加热炉能够实现相对较慢的升温速率并进行调节控制。

具体地，所述样件夹持系统还包括装样仓，所述装样仓设于所述电阻加热炉的顶部开口上方并连通所述顶部开口，所述样件夹持系统带动所述所述样件在装样仓、高温氧化炉和冷却池之间悬挂输送。

具体地，所述红外线加热炉采用石英玻璃炉管，所述电阻加热炉采用刚玉炉管。该方案使得本发明可相互验证燃料包壳的高温氧化试验结果，同时也可进行对比分析。

较佳地，所述燃料包壳LOCA模拟试验装置还包括水蒸气系统、真空系统、惰性气体系统、蒸汽冷凝系统、循环冷却水系统、制水系统和尾气检测与排放系统，所述水蒸气系统包括蒸汽发生器，所述蒸汽发生器的出口接所述高温氧化炉系统的蒸汽入口以对所述高温氧化炉系统提供水蒸气；所述真空系统包括真空泵，所述真空泵接所述高温氧化炉以对所述高温氧化炉抽真空；所述惰性气体系统包括配气柜，所述配气柜的出口接所述高温氧化炉系统的入口，以对所述高温氧化炉系统提供惰性气体；所述蒸汽冷凝系统包括换热器和回水箱，所述换热器的入口与所述高温氧化炉相连并将所述高温氧化炉输出的高温水蒸气冷却成水并输送至所述回水箱；循环冷却水系统包括冷水机，所述冷水机接高温氧化炉系统中的冷却水管，以对所述冷却水管进行供水；所述制水系统对所述蒸汽发生器、冷水机、冷却池供水；尾气检测与排放系统包括文丘里喷嘴，所述文丘里喷嘴固定安装在所述回水箱的上方，并与所述回水箱之间设置有隔离阀。

具体地，所述文丘里喷嘴还接惰性气体，以接收所述惰性气体。

具体地，所述水蒸气系统还包括与所述高温氧化炉对应的蒸汽预热炉，所述蒸汽预热炉接于所述蒸汽发生器和对应的所述高温氧化炉之间，并对蒸汽发生器产生的水蒸气进行再加热。

更具体地，所述蒸汽预热炉为硅碳棒电阻炉。

具体地，所述燃料包壳LOCA模拟试验装置还包括电气仪控制系统和供电系统，所述电气仪控制系统和供电系统分别与燃料包壳LOCA模拟试验装置内各系统的仪表和控制部件相连，所述供电系统为各系统供电，所述电气仪控制系统记录各系统中仪表数据并控制各系统工作。

附图说明

图1是本发明的燃料包壳LOCA模拟试验装置的结构示意图。

图2是本发明的燃料包壳LOCA模拟试验装置的结构框图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参考图1，本发明提供一种燃料包壳LOCA模拟试验装置100，包括样件夹持系统10、高温氧化炉系统20和冷淬系统30，冷淬系统30用于模拟燃料包壳在LOCA事故工况下的再淹没环境。具体地，高温氧化炉系统20包括高温氧化炉201，高温氧化炉201包括容纳燃料包壳的样件且呈轴向设置的炉腔2011，炉腔2011的顶部和底部分别设有供燃料包壳的样件输送的顶部开口2011a和底部开口2011b，冷淬系统30包括冷却池301，冷却池位于底部开口2011b的下方并通过接头100a密闭连通底部开口2011b，样件夹持系统10位于顶部开口2011a的上方并连通顶部开口2011a，样件夹持系统10将燃料包壳的样件悬挂固定并将燃料包壳的样件在高温氧化炉201以及冷却池301之间输送。本发明的LOCA模拟试验装置100，能够对较长的棒状燃料包壳进行高温氧化试验和热冲击试验，在燃料包壳的样件进行高温氧化试验过程中，样件夹持系统10将燃料包壳的样件输送至高温氧化炉201中进行高温氧化，在燃料包壳进行热冲击试验的过程中，样件夹持系统10将燃料包壳的样件先输送至高温氧化炉201中进行加热，再输送至冷却池301中进行淬火，利用冷却池301实现再淹没环境，在本实施例中，高温氧化炉系统20的高温氧化炉201上还预留有接口，该接口与水源连接，在需要是在接口上可直接引入水源，对炉腔2011内的高温燃料包壳的样件进行喷水漫灌，实现再淹没环境。其中，样件夹持系统10将样件沿竖直方向悬挂固定，并在温氧化炉201以及冷却池301之间沿竖直方向输送。

继续参考图1，高温氧化炉系统20还包括沿炉腔2011的轴向布置的多个加热系统，加热系统将炉腔2011分为多个温区，每一加热系统可分别进行独立控温，具体地，每一所述加热系统包括加热元件、控温电路和测温点，多个加热系统的加热元件和测温点均沿炉腔2011的轴向进行分层布置，控温电路相互独立并依据测温点检测到的温度和对应温区的预设目标温度控制加热元件动作，直至温度满足LOCA模拟试验的要求，通过加热系统将炉腔2011分为多个温区，通过测温点将检测的温度反馈至控温电路中，相互独立的控温电路控制相应区域的加热元件动作，能够对燃料包壳进行独立控温，可为燃料包壳的不同区域提供统一的或不同的加热温度以满足试验要求。其中，测温点检测对应温区的温度，控温元件依据检测到的温度和对应的预设目标温度调节加热元件的功率，以调节温区温度，以使温区的实际温度到达预设目标温度。

继续参考图1，高温氧化炉201包括红外线加热炉201a和电阻加热炉201b。在红外线加热炉201a和电阻加热炉201b的顶部开口分别连通有样件夹持系统10，而在红外线加热炉201a和电阻加热炉201b的底部开口分别通过接头100a密闭连通冷淬系统30。红外线加热炉201a的材质为石英玻璃炉管，而电阻加热炉201b的材质为刚玉炉管，红外线加热炉201a和电阻加热炉201b所采用的材质不同，使得本发明的燃料包壳LOCA模拟试验装置100可相互验证燃料包壳样件的高温氧化试验结果，同时也可相互进行比对分析。红外线加热炉201a采用抛物闭合环形红外线镜面轴向叠加而形成炉腔2011，在每层红外线镜面上布置红外线发热管，利用红外线发热管作为红外线加热炉201a的加热元件，红外线加热炉201a上分为多个温区，每个温区布置有对应的至少一个或者多个测温点、红外线发热管及其对应的控温电路，使得每个温区上的红外线发热管的控温相互独立，实现对较长的棒状燃料包壳的样件进行分区独立控温，红外线加热炉201a能够实现相对较快的升温速率并进行调节控制，升温速率最快可稳定在25℃/s。而电阻加热炉201b利用硅钼棒作为加热元件，并沿轴向分层布置，且在电阻加热炉201b上布置有多个测温点，每层上的硅钼棒的控温相互独立，可实现对较长的棒状燃料包壳的样件(以下可简称样件)进行分区独立控温，电阻加热炉201b能够实现相对较慢的升温速率并进行调节控制。置于红外线加热炉201a和电阻加热炉201b内的样件，其加热温度均能在300℃-1600℃内的不同温度下保持稳定。

继续参考图1，样件夹持系统10包括夹持样件的样件夹头(图中未示)和送样装置101，样件夹头通过钢丝绳(图中未示)与送样装置101连接，送样装置101包括电动机(图中未示)，电动机带动钢丝绳动作将样件夹头悬挂输送，样件夹头夹持固定样件，然后通过钢丝绳悬挂输送，即样件夹头将样件利用悬挂的方式固定，可满足燃料包壳进行双面高温氧化试验和热冲击试验的要求。

为了同时可以对样件单面进行测试，样件夹持系统10还包括与样件的单面配合封闭样件单面的密封接头(图中未示)，在样件的一端增加密封接头后，当使用密封接头时，样件可进行单面(外表面)的高温氧化试验和热冲击试验；当取下密封接头时，样件可进行双面(外表面和内表面)的高温氧化试验和热冲击试验，使得本发明的燃料包壳LOCA模拟试验装置100除了可对样件进行双面的高温氧化试验和热冲击试验外，还可进行样件的单面高温氧化试验和热冲击试验。

继续参考图1，样件夹持系统10还包括用于临时存放样件的装样仓102，装样仓102设置于电阻加热炉201b的顶部开口上方，且装样仓102连通该顶部开口，样件夹持系统10带动样件在装样仓102、高温氧化炉201和冷却池301之间悬挂输送。

继续参考图1，样件在进行高温氧化试验的过程中采用水蒸气作为氧化气氛，所需的蒸汽由燃料包壳LOCA模拟试验装置100的水蒸气系统40提供，该水蒸气系统40包括蒸汽发生器401以及与高温氧化炉201对应设置的蒸汽预热炉402，蒸汽发生器401的出口接高温氧化炉系统20的蒸汽入口以对高温氧化炉系统提供水蒸气，蒸汽预热炉402通过接头100a接于在蒸汽发生器401的出口和高温氧化炉系统20的蒸汽入口之间，对蒸汽发生器401产生的水蒸气进行再加热，减少蒸汽发生器401产生的水蒸气与高温氧化炉201内部的温度差距，以避免高温氧化炉201内的温度剧烈波动，同时防止炉腔2011内受到冷冲击。水蒸气系统40还包括安装于水蒸气输送通道上的仪表，具体包括流量计、温度计和压力测量仪表，同时，在蒸汽发生器401和蒸汽预热炉402之间设有流量调节阀。在蒸汽发生器401上还设有排空管道401a，当高温氧化试验所需水蒸气流量较小、难以调节时，可调节排空管道401a内的蒸汽流量以达到高温氧化试验的蒸汽流量要求。在本实施例中，蒸汽预热炉402采用硅碳棒电阻炉，蒸汽加热温度最高可达1250℃。

请参考参考图1及图2，燃料包壳LOCA模拟试验装置100还包括真空系统50，真空系统50包括真空泵501，本实施例中，真空系统50包括两台真空泵501，真空泵501分别接高温氧化炉201以及水蒸气系统40，以对高温氧化炉201和水蒸气系统40抽真空。在对燃料包壳的样件进行高温氧化试验和热冲击试验前，利用真空系统50对高温氧化炉201的内部和水蒸气系统40的内部抽真空，在真空泵501与高温氧化炉201以及水蒸气系统40连接的管道上设有真空度测量仪表，通过真空度测量仪表监测高温氧化炉201以及水蒸气系统40的真空情况。

继续参考图1及图2，燃料包壳LOCA模拟试验装置100还包括惰性气体系统60，惰性气体系统60包括配气柜601，配气柜601的出口接高温氧化炉系统20的入口，使得在进行高温氧化试验和热冲击试验前，利用惰性气体系统60对高温氧化炉系统20提供惰性气体，以清洗整个高温氧化炉系统20，同时惰性气体系统60也对燃料包壳LOCA模拟试验装置100的其他管道以及系统进行清洗，而在试验过程中，需要进行尾气的排放，惰性气体系统60为尾气的稀释排放提供气源，使得尾气的浓度达到排放要求。惰性气体系统60还包括配套的仪表，具体包括设于惰性气体传输通道上的流量计以及压力测量仪表。

请参考图1及图2，为了在进行高温氧化试验和热冲击试验过程中，保证燃料包壳LOCA模拟实验装置的关键部件的正常运行，部件在试验时可能会出现温度过高的情况，为保证燃料包壳LOCA模拟试验装置100运行的可靠性，燃料包壳LOCA模拟试验装置100还包括循环冷却水系统70，循环冷却水系统70包括冷水机701，冷水机701接高温氧化炉系统20中的冷却水管，对冷却水管进行供水。在本实施例中，冷水机701采用箱式水冷冷水机。

请参考图1，燃料包壳LOCA模拟试验装置100还包括蒸汽冷凝系统80，具体包括换热器801、回水箱802以及配套的温度计和压力测量仪表，换热器801的入口与高温氧化炉201相连并将高温氧化炉201输出的高温水蒸气冷却成水，冷却成水后再输送至回水箱802中，换热器801的冷却介质由冷水机701提供。

请参考图1，燃料包壳LOCA模拟试验装置100还包括制水系统90，制水系统90包括制水机901以及与制水机901配套的水箱和水泵，制水系统90可为整个燃料包壳LOCA模拟试验装置提供满足试验要求的纯水(如为蒸汽发生器401、冷水机701和冷却池301供水)。

继续参考图1，燃料包壳的样件在试验中与水发生反应产生氢气和其他有害气体，需要设置尾气检测与排放系统200，尾气检测与排放系统200包括文丘里喷嘴200a、气体成分分析仪200b、流量计和压力测量仪表，文丘里喷嘴200a固定安装在回水箱802的上方，文丘里喷嘴200a与回水箱802之间设置有隔离阀100b，尾气通过气体成分分析仪200b后进入至文丘里喷嘴200a，同时文丘里喷嘴200a还与配气柜601连接，以引入高压的惰性气体，将尾气浓度稀释至安全范围内。

请参考图2，燃料包壳LOCA模拟试验装置100还包括电气仪控制系统300和供电系统400，电气仪控制系统300和供电系统400分别与燃料包壳LOCA模拟试验装置100内各系统的仪表和控制部件相连，供电系统400为整个燃料包壳LOCA模拟试验装置的各个系统提供电源，电气仪控制系统300包括计算机、PLC模块、配电柜、系统控制柜、温度动力柜、温度仪控柜以及控制台等装置，电气仪控制系统300可实现运行状态检测，试验过程控制、试验结果存储记录等功能，实现LOCA模拟试验装置100的自动和手动控制。

结合图1及图2，燃料包壳LOCA模拟试验装置100的试验过程如下：在进行燃料包壳LOCA模拟试验前，通过真空系统50对高温氧化炉系统20以及水蒸气系统40进行抽真空，同时，惰性气体系统60对整个燃料包壳LOCA模拟试验装置100的管道以及系统进行清洗，在进行高温氧化试验时，样件夹持系统10悬挂固定试验样件后，可根据试验要求，选择红外线加热炉201a或电阻加热炉201b或同时使用两种高温氧化炉201，通过样件夹持系统将样件输送至高温氧化炉201内，调节各个加热系统，使得样件各区温度满足试验需求，在利用水蒸气系统40为高温氧化试验炉201提供水蒸气以完成高温氧化试验，在高温氧化试验的过程中，通过循环冷却水系统70对关键部件进行冷却，确保整个试验装置100的可靠性，实验过程中所产生的高温蒸汽通过蒸汽冷凝系统80进行冷凝和收集，并且利用尾气检测与排放系统200对试验过程中所产生的氢气以及其他有害气体等进行排放，惰性气体系统60为尾气排放提供气源以将尾气稀释至安全范围内再进行排放，在进行热冲击试验时，样件夹持系统10将样件输送至高温氧化炉系统20中进行加热，再输送至冷淬系统30中模拟再淹没的环境，完成样件热冲击试验。还可选择使用或取下在样件上所配置的密封接头实现样件单面或双面的高温氧化试验和热冲击试验，上述过程中，均由电气仪控制系统实时进行监控，确保试验的正常进行。

值得注意的是，在图1中的01表示循环冷却水，02表示惰性气体，03表示纯水。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (13)

1.一种燃料包壳LOCA模拟试验装置，其特征在于，包括样件夹持系统、高温氧化炉系统和冷淬系统，所述高温氧化炉系统包括高温氧化炉，所述高温氧化炉包括容纳燃料包壳的样件且呈轴向设置的炉腔，所述炉腔的顶部和底部分别设有供所述样件输送的顶部开口和底部开口；所述冷淬系统包括冷却池，所述冷却池位于所述底部开口下方并通过接头密闭连通所述底部开口；所述样件夹持系统位于所述顶部开口上方并连通所述顶部开口，所述样件夹持系统将所述样件悬挂固定并将所述样件在所述高温氧化炉与冷却池之间输送。

2.如权利要求1所述的燃料包壳LOCA模拟试验装置，其特征在于，所述高温氧化炉系统还包括沿所述炉腔的轴向布置的多个加热系统，多个所述加热系统将所述炉腔分为多个温区，每一所述加热系统可分别进行独立控温。

3.如权利要求2所述的燃料包壳LOCA模拟试验装置，其特征在于，每一所述加热系统包括加热元件、控温电路和测温点，所述多个加热系统的加热元件和测温点均沿轴向进行分层布置，所述多个加热系统的控温电路相互独立并依据所述测温点检测到的温度和对应温区的预设目标温度控制所述加热元件动作。

4.如权利要求1所述的燃料包壳LOCA模拟试验装置，其特征在于，所述样件夹持系统包括夹持所述样件的样件夹头和送样装置，所述样件夹头通过钢丝绳与所述送样装置连接，所述送样装置包括电动机，所述电动机带动所述钢丝绳动作以将所述样件夹头悬挂输送。

5.如权利要求1所述的燃料包壳LOCA模拟试验装置，其特征在于，所述样件夹持系统还包括与所述样件的单面配合封闭样件单面的密封接头。

6.如权利要求1所述的燃料包壳LOCA模拟试验装置，其特征在于，所述高温氧化炉包括红外线加热炉和电阻加热炉。

7.如权利要求6所述的燃料包壳LOCA模拟试验装置，其特征在于，所述样件夹持系统还包括装样仓，所述装样仓设于所述电阻加热炉的顶部开口上方并连通所述顶部开口，所述样件夹持系统带动所述样件在装样仓、高温氧化炉和冷却池之间悬挂输送。

8.如权利要求6所述的燃料包壳LOCA模拟试验装置，其特征在于，所述红外线加热炉采用石英玻璃炉管，所述电阻加热炉采用刚玉炉管。

9.如权利要求1所述的燃料包壳LOCA模拟试验装置，其特征在于，还包括：

水蒸气系统，包括蒸汽发生器，所述蒸汽发生器的出口接所述高温氧化炉系统的蒸汽入口以对所述高温氧化炉系统提供水蒸气；

真空系统，包括真空泵，所述真空泵接所述高温氧化炉以对所述高温氧化炉抽真空；

惰性气体系统，包括配气柜，所述配气柜的出口接所述高温氧化炉系统的入口，以对所述高温氧化炉系统提供惰性气体；

蒸汽冷凝系统，包括换热器和回水箱，所述换热器的入口与所述高温氧化炉相连并将所述高温氧化炉输出的高温水蒸气冷却成水并输送至所述回水箱；

循环冷却水系统，包括冷水机，所述冷水机接高温氧化炉系统中的冷却水管，以对所述冷却水管进行供水；

制水系统，对所述蒸汽发生器、冷水机和冷却池供水；

尾气检测与排放系统，包括文丘里喷嘴，所述文丘里喷嘴固定安装在所述回水箱的上方，并与所述回水箱之间设置有隔离阀。

10.如权利要求9所述的燃料包壳LOCA模拟试验装置，其特征在于，所述文丘里喷嘴还接惰性气体，以接收所述惰性气体。

11.如权利要求9所述的燃料包壳LOCA模拟试验装置，其特征在于，所述水蒸气系统还包括与所述高温氧化炉对应的蒸汽预热炉，所述蒸汽预热炉接于所述蒸汽发生器和对应的所述高温氧化炉之间，并对蒸汽发生器产生的水蒸气进行再加热。

12.如权利要求11所述的燃料包壳LOCA模拟试验装置，其特征在于，所述蒸汽预热炉为硅碳棒电阻炉。

13.如权利要求1所述的燃料包壳LOCA模拟试验装置，其特征在于，还包括电气仪控制系统和供电系统，所述电气仪控制系统和供电系统分别与所述样件夹持系统、高温氧化炉系统和冷淬系统的仪表和控制部件相连，所述供电系统为所述样件夹持系统、高温氧化炉系统和冷淬系统供电，所述电气仪控制系统记录所述样件夹持系统、高温氧化炉系统和冷淬系统中仪表数据并控制所述样件夹持系统、高温氧化炉系统和冷淬系统工作。

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