CN110299217A - 一种用于研究环形燃料包壳爆破失效的试验段 - Google Patents

一种用于研究环形燃料包壳爆破失效的试验段 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于研究环形燃料包壳爆破失效的试验段，包括环形燃料元件内、外包壳管，包壳管内部的电加热元件，包壳管两端的密封压盖和支撑底座，包壳管上端的高温高压气体进气口，包壳管外部的柱形腔室，柱形腔室底部的O型密封圈，柱形腔室底部的环境气体进气口，顶部的出气口，内、外包壳管的温度、应变测量装置；利用燃料元件内部的电加热元件，实现内、外包壳管的变形和爆破；利用柱形腔室提供包壳外侧的气体环境、并包容包壳管破裂后向外喷射的高温高压气体；利用包壳管上端的气体进气口，将惰性气体或蒸汽通入环形包壳管，实现包壳管的内压变化；利用温度测点、应变片和DIC装置实现爆破失效后的参数检测。

Description

一种用于研究环形燃料包壳爆破失效的试验段
技术领域
本发明属于核燃料及材料性能测试技术领域，具体涉及一种用于研究环形燃料包壳爆破失效的试验段。
背景技术
环形燃料作为一种革新性元件，可以在保持或改进现有反应堆安全裕量的前提下，提升反应堆功率密度20％～50％，因此，它是一种安全性和经济性都非常好的新型核燃料，已经成为压水堆先进燃料元件的重要发展趋势之一。在冷却剂失水(LOCA)等瞬态事故工况下，包壳的温度会急剧增大，高温高压使燃料元件包壳发生变形，导致包壳发生肿胀，最终出现破口。因此，新型的环形燃料元件在进入商用使用之前需对其进行大量的性能测试。其中，高温高压环境下的包壳爆破失效试验是重要的堆外燃料元件性能分析试验。
出于安全性的考虑，在堆内进行事故工况下的燃料元件性能测试是很难实现的。随着国内外对燃料元件性能的研究越来越深入，在堆外模拟堆内环境进行燃料元件性能测试，是目前成本更低、更直接、更有效的燃料元件性能研究方式，因此搭建高温高压环境下的包壳爆破失效试验平台至关重要。
根据堆内的实际情况，发生LOCA等瞬态事故后，反应堆一回路压力陡降，环形燃料棒的内部压力大于冷却剂的压力。高温环境和包壳内外表面的压差会引起包壳的剧烈变形，使得包壳管发生肿胀，并在达到应力阈值时发生包壳管破裂。模拟反应堆真实的加热方式，分别控制环形燃料内、外包壳外部和燃料内部的气体环境，测量环形燃料元件的包壳形变是实现高温高压环境下的包壳爆破失效试验的技术难点。
目前在核燃料及材料力学性能测试技术领域，国内外缺少实验装置来实现对环形燃料元件包壳爆破失效的力学性能测试。目前国内外仅针对传统棒状燃料棒包壳管力学性能测试设计了大量实验装置，且在研究高温高压下的包壳爆破失效时，仍无法考虑全面，存在缺陷和改进空间。
例如专利《高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置：CN109323662A》详细介绍了高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置。该测量系统将包壳固定在热室内，通过热室加热空气快速流经环形包壳内表面，实现环形包壳内外表面的温度控制；利用热室两侧及上侧的可视化玻璃，通过DIC测量仪实现环形包壳内外表面及上表面焊缝的三维变形测量。该系统试验台架设计合理，能够实现包壳表面温度控制及变形测量，但无法模拟从燃料包壳内部加热，不符合真实的堆内加热方式，且只能测量包壳小的形变，没有考虑瞬态事故下包壳发生爆破失效的情况。
又如文献《Zoltán Hózer,et al."Ballooning Experiments with VVERCladding"Nuclear Technology(2017):152:3,273-285.》介绍了高温环境下包壳管的内压试验。该试验通过将管内充压，研究包壳管在高温条件下的肿胀(Ballooning)效应，并得到了相应的棒状包壳管破裂的实验数据。通过将向包壳管内充气和外部控制温度，研究不同温度和不同气压对包壳肿胀和爆破的影响。该试验设计合理，能够研究管状包壳的爆破失效性能，但采用的是直接从外部加热包壳管的方式，无法模拟反应堆从燃料包壳内部加热的真实情况，且无法运用于环形包壳的爆破失效的试验。
再如文献《温敦古,谭军,陈刘涛,邹红,徐杨,高长源.核用锆合金包壳管内压爆破试验及性能研究[J].材料研究与应用,2016,10(01):48-52.》详细介绍了高温环境下包壳管内压爆破实验系统，该实验系统通过控制升压速率，使用压力在线检测仪器实现不同包壳试样的爆破压力，从而获得包壳管的爆破试验数据。此实验系统可实现棒状包壳管爆破失效的研究，但无法模拟环形燃料元件包壳内外表面的气体环境，且无法实现环形包壳内外表面的变形测量。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种用于研究环形燃料包壳爆破失效的试验段，该试验段通过环形燃料元件内部的电加热元件，实现内、外包壳管在高温环境下的变形和爆破；利用柱形腔室提供包壳内外表面的惰性气体环境、并包容包壳管破裂后向外喷射的高温高压气体；利用包壳管上端的气体进气口，将惰性气体或蒸汽通入环形包壳管，实现包壳管的内压变化；利用温度测点、应变片和DIC装置实现爆破失效后的参数检测。
本发明是通过以下技术方案实现：
一种用于研究环形燃料包壳爆破失效的试验段，包括环形燃料元件的内包壳管R和外包壳管S，内包壳管R和外包壳管S间的环形钼F以及环形电加热元件G，内包壳管R表面的温度和应变测点H，外包壳管S表面的温度测点I，内包壳管R和外包壳管S上部设置有包壳内高温高压气体进气口T，内包壳管R和外包壳管S上部设置密封压盖C、底部设置用于支撑内包壳管R和外包壳管S的支撑底座L，支撑底座L上部的密封压盖K和O型密封圈J，内包壳管R和外包壳管S外部设置有柱形腔室E且内包壳管R和外包壳管S伸出柱形腔室E外部，柱形腔室E上部有密封法兰D，柱形腔室E底部设置有外包壳管S表面的惰性气体或蒸汽进气口O和内包壳管R表面的惰性气体或蒸汽进气口N，柱形腔室E顶部设置有外包壳管S表面的惰性气体出气口B和内包壳管R表面的惰性气体出气口A，还包括柱形腔室E在中下部设置的可视化区域P，用于DIC设备Q的测量，柱形腔室E底部设置腔室排水口M；所述O型密封圈J对内包壳管R和外包壳管S进行密封；所述内包壳管R、外包壳管S、支撑底座L、密封压盖K、O型密封圈J、密封压盖C、柱形腔室E、外包壳管S表面的惰性气体或蒸汽进气口O、内包壳管R表面的惰性气体或蒸汽进气口N、外包壳管S表面的惰性气体或蒸汽出口B、内包壳管R表面的惰性气体或蒸汽出口A形成密封的内包壳管R和外包壳管S外部惰性气体或水蒸气环境；内包壳管R、外包壳管S、O型密封圈J、密封压盖K、密封压盖C、密封法兰D、包壳内高温高压气体进气口T形成环形燃料内部的高温高压惰性气体环境；环形钼F用于结构支撑和导电，通过环形电加热元件G使内包壳管R或外包壳管S发生变形和爆破失效；通过内包壳管R表面的温度和应变测点H、外包壳管S表面的温度测点I、DIC设备Q研究试验段内R、外包壳S失效后的参数测量；
试验开始前，将氩气通入包壳内高温高压气体进气口T，观察内部气压，检查环形燃料元件的气密性；将惰性气体或水蒸气通入外包壳管S表面的惰性气体或蒸汽进气口O、内包壳管R表面的惰性气体或蒸汽进气口N，观察柱形腔室E内部气压，检查柱形腔室E的气密性；通过给环形钼F和环形电加热元件G通电，使环形电加热元件G在约15-30℃/s的高温升速率下升温，模拟反应堆燃料元件的加热过程；加热一段时间后，由于环形包壳内的气体受热膨胀，内包壳管R和外包壳管S会发生肿胀、直至爆破，对内包壳管R和外包壳管S爆破时的温度与轴向和环向应变进行三维测量，进而研究环形燃料包壳在爆破失效下的响应。
所述柱形腔室E底部的外包壳管S表面惰性气体或蒸汽进气口O、内包壳管R表面惰性气体或蒸汽进气口N，柱形腔室E顶部的外包壳管S表面惰性气体出气口B和内包壳管R表面惰性气体出气口A，环形燃料元件内、外表面分别设置同一气源的进出口，可以实现同时给内包壳管R和外包壳管S外部充气，使内包壳管R和外包壳管S在整个试验过程中处在同一外部气体压力环境下。
内包壳管R和外包壳管S内部通过环形钼F的结构支撑和导电，中部连接环形电加热元件G能够实现环形包壳管内的高温高压的气体环境的产生，进而模拟真实核燃料芯块从包壳内部的发热方式导致的内包壳管R、外包壳管S爆破失效。
所述试验段将环形燃料元件伸出柱形腔室E外部，由上部设置的包壳内高温高压气体进气口T保证气体沿着侧孔进入内包壳管R和外包壳管S的内部，模拟真实的燃料内部气体氛围，同时能监测爆破时的包壳内部气压。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明成本低，安装简便，可靠性高。
2.本发明使用环形电加热元件作为内电加热元件，合理有效地模拟包壳内部的芯块发热。
3.本发明使用同一气源的进出口，可以实现使内、外包壳管在整个试验过程中处在同一外部气体压力环境下。
4.本发明使用气体进气口保证惰性气体进入燃料元件内部，能够模拟真实的燃料内部气体氛围，同时监测包壳爆破时的包壳内部气压。
附图说明
图1为本发明试验段结构示意图。
图2为本发明试验段测点布置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种用于研究环形燃料包壳爆破失效的试验段，包括环形燃料元件的内包壳管R和外包壳管S，内包壳管R和外包壳管S间的环形钼F以及环形电加热元件G，内包壳管R表面的温度和应变测点H，外包壳管S表面的温度测点I，内包壳管R和外包壳管S上部设置有包壳内高温高压气体的进气口T，内包壳管R和外包壳管S上部设置密封压盖C、底部设置用于支撑内包壳管R和外包壳管S的支撑底座L，支撑底座L上部的密封压盖K和O型密封圈J，内包壳管R和外包壳管S外部设置有柱形腔室E且内包壳管R和外包壳管S)伸出柱形腔室E外部，柱形腔室E上部有密封法兰D，柱形腔室E底部设置有外包壳管S表面的惰性气体或蒸汽进气口O和内包壳管R表面的惰性气体或蒸汽进气口N，柱形腔室E顶部设置有外包壳管S表面的惰性气体出气口B和内包壳管R表面的惰性气体出气口A，还包括柱形腔室E在中下部设置的可视化区域P，用于DIC设备Q的测量，柱形腔室E底部设置腔室排水口M；所述O型密封圈J对内包壳管R和外包壳管S进行密封；内包壳管R、外包壳管S、支撑底座L、密封压盖K、O型密封圈J、密封压盖C、柱形腔室E、外包壳管S表面的惰性气体或蒸汽进气口O、内包壳管R表面的惰性气体或蒸汽进气口N、外包壳管S表面的惰性气体或蒸汽出口B、内包壳管R表面的惰性气体或蒸汽出口A形成密封的内包壳管R和外包壳管S外部惰性气体或水蒸气环境；内包壳管R、外包壳管S、O型密封圈J、密封压盖K、密封压盖C、密封法兰D、包壳内高温高压气体进气口T形成环形燃料内部的高温高压惰性气体环境；环形钼F用于结构支撑和导电，通过环形电加热元件G使内包壳管R或外包壳管S发生变形和爆破失效；通过内包壳管R表面的温度和应变测点H、外包壳管S表面的温度测点I、DIC设备Q研究试验段内包壳R、外包壳S失效后的参数测量。
如图2所示，内包壳R表面设置3个温度测点(Ti1、Ti2、Ti3)，外包壳S表面设置3个温度测点(To1、To2、To3)，用温度补偿方法精确测量内包壳R和外包壳S表面的温度。内包壳R表面的应变通过每120°设置1个应变片(e1、e2、e3)测量，外包壳S表面的应变通过每120°设置1组DIC测量装置(包括相机Q1～Q6和光源)实现对表面应变的三维实时测量。
本实施例的工作原理如下：
试验开始前，将氩气通入包壳内高温高压气体进气口T，观察内部气压，检查环形燃料元件的气密性；将惰性气体或水蒸气通入外包壳管S表面的惰性气体或蒸汽进气口O、内包壳管R表面的惰性气体或蒸汽进气口N，观察柱形腔室E内部气压，检查柱形腔室E的气密性；环形电加热内外表面和两端喷涂氧化铝陶瓷绝缘，通过给环形钼F和环形电加热元件G通电，使环形电加热元件在约20℃/s的高温升速率下升温，模拟反应堆燃料元件的加热过程；加热一段时间后，由于环形包壳内的气体受热膨胀，内包壳管R和外包壳管S会发生肿胀、直至爆破，对内包壳管R和外包壳管S爆破时的温度与轴向和环向应变进行三维测量，进而研究环形燃料包壳在爆破失效下的响应。
本发明所述柱形腔室E底部的外包壳管S表面惰性气体或蒸汽进气口O、内包壳管R表面惰性气体或蒸汽进气口N，柱形腔室E顶部的外包壳管S表面惰性气体出气口B和内包壳管R表面惰性气体出气口A，环形燃料元件内、外表面分别设置同一气源的进出口，可以实现同时给内包壳管R和外包壳管S外部充气，使内包壳管R和外包壳管S在整个试验过程中处在同一外部气体压力环境下；所述内包壳管R和外包壳管S内部通过环形钼F的结构支撑和导电，中部连接环形电加热元件G可以实现环形包壳管内的高温高压的气体环境的产生，进而模拟真实核燃料芯块从包壳内部的发热方式导致的内包壳管R、外包壳管S爆破失效；所述试验段将环形燃料元件伸出柱形腔室E外部，由上部设置的包壳内高温高压气体进气口T保证气体沿着侧孔进入内包壳管R和外包壳管S的内部，模拟真实的燃料内部气体氛围，同时能监测爆破时的包壳内部气压。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种用于研究环形燃料包壳爆破失效的试验段，其特征在于：包括环形燃料元件的内包壳管(R)和外包壳管(S)，内包壳管(R)和外包壳管(S)间的环形钼(F)以及环形电加热元件(G)，内包壳管(R)表面的温度和应变测点(H)，外包壳管(S)表面的温度测点(I)，内包壳管(R)和外包壳管(S)上部设置有包壳内高温高压气体进气口(T)，内包壳管(R)和外包壳管(S)上部设置密封压盖(C)、底部设置用于支撑内包壳管(R)和外包壳管(S)的支撑底座(L)，支撑底座(L)上部的密封压盖(K)和O型密封圈(J)，内包壳管(R)和外包壳管(S)外部设置有柱形腔室(E)且内包壳管(R)和外包壳管(S)伸出柱形腔室(E)外部，柱形腔室(E)上部有密封法兰(D)，柱形腔室(E)底部设置有外包壳管(S)表面的惰性气体或蒸汽进气口(O)和内包壳管(R)表面的惰性气体或蒸汽进气口(N)，柱形腔室(E)顶部设置有外包壳管(S)表面的惰性气体出气口(B)和内包壳管(R)表面的惰性气体出气口(A)，还包括柱形腔室(E)在中下部设置的可视化区域(P)，用于DIC设备(Q)的测量，柱形腔室(E)底部设置腔室排水口(M)；所述O型密封圈(J)对内包壳管(R)和外包壳管(S)进行密封；所述内包壳管(R)、外包壳管(S)、支撑底座(L)、密封压盖(K)、O型密封圈(J)、密封压盖(C)、柱形腔室(E)、外包壳管(S)表面的惰性气体或蒸汽进气口(O)、内包壳管(R)表面的惰性气体或蒸汽进气口(N)、外包壳管(S)表面的惰性气体或蒸汽出口(B)、内包壳管(R)表面的惰性气体或蒸汽出口(A)形成密封的内包壳管(R)和外包壳管(S)外部惰性气体或水蒸气环境；内包壳管(R)、外包壳管(S)、O型密封圈(J)、密封压盖(K)、密封压盖(C)、密封法兰(D)、包壳内高温高压气体进气口(T)形成环形燃料内部的高温高压惰性气体环境；环形钼(F)用于结构支撑和导电，通过环形电加热元件(G)使内包壳管(R)或外包壳管(S)发生变形和爆破失效；通过内包壳管(R)表面的温度和应变测点(H)、外包壳管(S)表面的温度测点(I)、DIC设备(Q)研究试验段内(R)、外包壳(S)失效后的参数测量；
试验开始前，将氩气通入包壳内高温高压气体进气口(T)，观察内部气压，检查环形燃料元件的气密性；将惰性气体或水蒸气通入外包壳管(S)表面的惰性气体或蒸汽进气口(O)、内包壳管(R)表面的惰性气体或蒸汽进气口(N)，观察柱形腔室(E)内部气压，检查柱形腔室(E)的气密性；通过给环形钼(F)和环形电加热元件(G)通电，使环形电加热元件(G)在15-30℃/s的高温升速率下升温，模拟反应堆燃料元件的加热过程；加热一段时间后，由于环形包壳内的气体受热膨胀，内包壳管(R)和外包壳管(S)会发生肿胀、直至爆破，对内包壳管(R)和外包壳管(S)爆破时的温度与轴向和环向应变进行三维测量，进而研究环形燃料包壳在爆破失效下的响应。
2.如权利要求1所述的一种用于研究环形燃料包壳爆破失效的试验段，其特征在于：所述柱形腔室(E)底部的外包壳管(S)表面惰性气体或蒸汽进气口(O)、内包壳管(R)表面惰性气体或蒸汽进气口(N)，柱形腔室(E)顶部的外包壳管(S)表面惰性气体出气口(B)和内包壳管(R)表面惰性气体出气口(A)，环形燃料元件内、外表面分别设置同一气源的进出口，可以实现同时给内包壳管(R)和外包壳管(S)外部充气，使内包壳管(R)和外包壳管(S)在整个试验过程中处在同一外部气体压力环境下。
3.如权利要求1所述的一种用于研究环形燃料包壳爆破失效的试验段，其特征在于：内包壳管(R)和外包壳管(S)内部通过环形钼(F)的结构支撑和导电，中部连接环形电加热元件(G)能够实现环形包壳管内的高温高压的气体环境的产生，进而模拟真实核燃料芯块从包壳内部的发热方式导致的内包壳管(R)、外包壳管(S)爆破失效。
4.如权利要求1所述的一种用于研究环形燃料包壳爆破失效的试验段，其特征在于：所述试验段将环形燃料元件伸出柱形腔室(E)外部，由上部设置的包壳内高温高压气体进气口(T)保证气体沿着侧孔进入内包壳管(R)和外包壳管(S)的内部，模拟真实的燃料内部气体氛围，同时能监测爆破时的包壳内部气压。
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