CN109991091A - 一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核反应堆燃料技术领域，具体涉及一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置。本发明包括薄壁圆管、芯轴、第一端塞，第二端塞，第一端塞和第二端塞分别与薄壁圆管的上下两端固定连接，薄壁圆管内设有芯轴，芯轴的一端与第一端塞固定连接，另一端与薄壁圆管、第二端塞存在间隙，薄壁圆管内部预充压力惰性气体。本发明结构简单、实现方便，制造可行，可满足在试验堆及商用堆内辐照环境下包壳材料蠕变试验研究及数据获取的需求。

Description

一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置
技术领域
本发明属于核反应堆燃料技术领域，具体涉及一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置。
背景技术
燃料棒包壳材料的蠕变性能非常重要的力学性能之一，获得包壳材料的蠕变性能，对于准确预测燃料棒包壳在堆内的辐照行为非常重要。在新型包壳材料的研发过程中，如何得到新型包壳材料的堆内蠕变试验数据，从而得到包壳材料的蠕变性能，一直是新型包壳材料研发的难题。
传统的材料蠕变试验一般在堆外环境下开展，在辐照环境下开展蠕变试验的难度较大。目前，国内暂无在试验堆及商用堆内开展蠕变试验的方法和专用试验装置，尤其对于商用堆来说，需要考虑商用堆运行的安全性及商用堆空间限制，很难开展材料蠕变试验。
国内有多试件粘接接头、有导向管、凸台、弹性元件、固支直杆小试样等多种蠕变实验方法及装置的报道，有多头微型试样、全应力控制式三轴等蠕变试验装置及方法的报道。国外有堆内蠕变试验系统报道，有相关蠕变实验的夹具和方法的发明。国内外未见可实现在试验堆及商用堆内辐照环境下开展材料蠕变试验及获取数据的报告。
发明内容
本发明解决的技术问题：本发明提供一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置，结构简单、实现方便，制造可行，可满足在试验堆及商用堆内辐照环境下包壳材料蠕变试验研究及数据获取的需求。
本发明采用的技术方案：
一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置，包括薄壁圆管、芯轴、第一端塞，第二端塞，第一端塞和第二端塞分别与薄壁圆管的上下两端固定连接，薄壁圆管内设有芯轴，芯轴的一端与第一端塞固定连接，另一端与薄壁圆管、第二端塞存在间隙，薄壁圆管内部预充压力惰性气体。
所述芯轴起到支撑作用，可避免薄壁圆管发生过度变形。
所述第一端塞，第二端塞上设有预充惰性气体的孔道，孔道包含充气孔、充气孔过度斜面，充气孔过度区域。
所述薄壁圆管的壁厚为0.15mm～0.7mm，直径为4mm～12mm，长度为20mm～200mm。
所述芯轴为圆柱型，长度为10mm～190mm，芯轴在薄壁圆管内部并同轴，芯轴与圆管内壁间隙为0.5mm～2mm。
所述芯轴与第一端塞通过TIG焊、MIG焊、电子束焊、激光焊或其他焊接的方式连接，或通过机械加工成为一体化结构；薄壁圆管两端通过TIG焊、MIG焊、电子束焊、激光焊或其他焊接的方式连接第一端塞、第二端塞。
所述预充惰性气体压力0MPa～10MPa，充压后采用点焊方式堵孔焊，保证薄壁圆管内部一定压力预充惰性气体；在开展蠕变试验的过程中，薄壁圆管的内外压差范围为0MPa～25MPa。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置，放置在压水堆堆芯的环境中，薄壁圆管可在压水堆冷却剂压力和内部气压的压力差作用下会发生缓慢的蠕变变形，导致圆管直径发生变化，这样，在不同时间段测量圆管变形结果可得到材料的蠕变变形随辐照时间的试验数据。也可将本蠕变试验装置放置到试验堆中，在合适的试验温度下内外压差的作用下开展蠕变试验研究。
(2)本发明提供一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置，布置在阻流塞棒或其他试验件的下端，从而在压水堆运行过程中实现堆内辐照。在试验堆中，也可将本蠕变试验装置放置到试验堆密封舱内，即可实现试验堆内辐照环境下的蠕变变形试验。假如借助试验堆先进的变形测量工具，可实现蠕变试验过程中蠕变变形的实时测量。
(3)本发明提供一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置中芯轴主要是为了在商用堆内辐照试验的过程中，芯轴可以起到支撑作用，防止圆管过度蠕变变形或蠕变坍塌，造成薄壁管无法从商用堆内取出。在试验堆中，芯轴也是为了防止薄壁管出现过度蠕变变形。
(4)本发明提供一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置，结构简单、实现方便，制造可行，可满足在试验堆及商用堆内辐照环境下包壳材料蠕变试验研究及数据获取的需求。
附图说明
图1为本发明一种堆内辐照环境下金属材料蠕变试验装置侧视示意图。
图2为本发明一种堆内辐照环境下金属材料蠕变试验装置纵剖面示意图。
图3为本发明一种堆内辐照环境下金属材料蠕变试验装置的第一端塞示意图。
图4为本发明一种堆内辐照环境下金属材料蠕变试验装置的第二端塞示意图。
图5为实施例1一种堆内辐照环境下金属材料蠕变试验装置在电站压水堆使用示意图。
图6为实施例2一种堆内辐照环境下金属材料蠕变试验装置在试验堆中使用示意图。
图中、1-薄壁圆管、2-芯轴、3-第一端塞、4-第二端塞、21-芯轴倒角、22-芯轴与端塞第一连接位置；31-凹台、32-插入斜面、33-端塞第一与薄壁圆管焊接位置、34-端塞第一与上部部件连接位置、41-凹台、42-插入斜面、43-充气孔、44-充气孔斜面、45-充气孔过度区域、46-端塞第二与薄壁圆管焊接位置、47-端塞第二末端过度区域、48-堵孔焊位置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明提供一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置，包括薄壁圆管1、芯轴2、第一端塞3，第二端塞4，第一端塞3和第二端塞4分别通过螺纹连接在薄壁圆管1的上下两端，薄壁圆管1内设有芯轴2，芯轴2的一端与第一端塞3固定连接，另一端与薄壁圆管1、第二端塞4存在间隙，芯轴2起到支撑作用，可避免薄壁圆管1发生过度变形；薄壁圆管1内部预充压力惰性气体，第一端塞3，第二端塞4上设有预充惰性气体的孔道，孔道包含充气孔、充气孔过度斜面，充气孔过度区域。
实施例1
在压水堆核电站堆芯燃料组件导向管内进行试验
如图5所示，本发明的一种蠕变试验装置放置在阻流塞棒5的下部，其中芯轴2、第一端塞3、阻流塞棒5通过机械加工的方法成为一体化结构。阻流塞棒5上部结构与传统的压水堆阻流塞组件的阻流塞棒相同。本发明的一种蠕变试验装置与阻流塞棒5形成的一体化棒状结构后，可替换传统的阻流塞棒。
阻流塞棒5的长度和直径保持与传统的阻流塞棒相同，这样在堆内使用时同传统阻流塞棒相比，预计对冷却剂流道的影响很小，可与传统的阻流塞棒保持相当的效果。
薄壁圆管1的壁厚为0.25mm，长度为80mm，外径为7mm。芯轴直径为4.5mm，长度为65mm。芯轴与圆管内壁间隙为1mm。预充氦气气压为2MPa。
装配时，如图3和图4所示，首先，将芯轴2、第一端塞3、阻流塞棒5的一体化结构插入到薄壁圆管1中。第二步，在33位置使用TIG焊接的方法，完成第一端塞3与薄壁圆管1的圆周环向焊接。第三步，将第二端塞4插入到薄壁圆管1的另一端后，在46位置使用TIG焊接的方法，完成第二端塞4与薄壁圆管1的圆周环向焊接。第四步，利用43充气孔抽薄壁圆管1内部的空气，迅速向薄壁圆管1内部充入2MPa氦气，充气完成后进行堵孔焊接操作，对本蠕变试验装置进行密封。
将本蠕变试验装置放入到燃料组件导向管中，随着反应堆运行，在冷却剂压力15.5MPa和内部气压的压差作用下发生蠕变变形。第二端塞末端过度区域47为子弹头形，起导向作用，以便本蠕变试验装置能顺利插入到燃料组件导向管中。停堆时，可将本蠕变试验装置从导向管中取出，测量薄壁圆管的蠕变变形量。
实施例2
在试验堆密封舱内进行试验
如图6所示，本发明的一种金属材料蠕变试验装置，由薄壁圆管1、芯轴2、第一端塞3，第二端塞4组成。第二端塞4与实施例1中稍有区别，端部为平面，以便节约辐照考验密封舱的空间。
薄壁圆管1的壁厚为0.57mm，长度为100mm，外径为9.5mm。芯轴直径为5.36mm，长度为85mm。芯轴与圆管内壁间隙为1.5mm。根据试验需要，预充氦气气压在0.1MPa～7MPa之间。
装配过程可参照实施例1。在试验过程中，借助试验堆先进的变形测量工具，可实现蠕变试验过程中蠕变变形的实时测量。

Claims (7)

1.一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置，其特征在于：包括薄壁圆管(1)、芯轴(2)、第一端塞(3)，第二端塞(4)，第一端塞(3)和第二端塞(4)分别与薄壁圆管(1)的上下两端固定连接，薄壁圆管(1)内设有芯轴(2)，芯轴(2)的一端与第一端塞(3)固定连接，另一端与薄壁圆管(1)、第二端塞(4)存在间隙，薄壁圆管(1)内部预充压力惰性气体。
2.根据权利要求1所述的一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置，其特征在于：所述芯轴(2)起到支撑作用，可避免薄壁圆管(1)发生过度变形。
3.根据权利要求1所述的一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置，其特征在于：所述第一端塞(3)，第二端塞(4)上设有预充惰性气体的孔道，孔道包含充气孔、充气孔过度斜面，充气孔过度区域。
4.根据权利要求1所述的一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置，其特征在于：所述薄壁圆管(1)的壁厚为0.15mm～0.7mm，直径为4mm～12mm，长度为20mm～200mm。
5.根据权利要求1所述的一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置，其特征在于：所述芯轴(2)为圆柱型，长度为10mm～190mm，芯轴(2)在薄壁圆管(1)内部并同轴，芯轴(2)与圆管内壁(1)间隙为0.5mm～2mm。
6.根据权利要求1所述的一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置，其特征在于：所述芯轴(2)与第一端塞(3)通过TIG焊、MIG焊、电子束焊、激光焊或其他焊接的方式连接，或通过机械加工成为一体化结构；薄壁圆管(1)两端通过TIG焊、MIG焊、电子束焊、激光焊或其他焊接的方式连接第一端塞(3)、第二端塞(4)。
7.根据权利要求1所述的一种堆内辐照环境下金属材料蠕变的试验装置，其特征在于：所述预充惰性气体压力0MPa～10MPa，充压后采用点焊方式堵孔焊，保证薄壁圆管(1)内部一定压力预充惰性气体；在开展蠕变试验的过程中，薄壁圆管的内外压差范围为0MPa～25MPa。
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