CN110553974B - 核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统及方法，该系统包括气体供应系统、真空系统、实验段、冷却系统和尾气分析系统；气体供应系统可制备不同水蒸汽含量的腐蚀性气体；实验段由高温辐射炉、低温辐射炉、陶瓷反应管、加热丝、气冷铜管及保温棉组成，高温辐射炉侧壁开设两个石英玻璃视窗，分别放置高速摄像仪和红外测温探头；冷却系统可为关键设备提供必要冷却；尾气分析系统可在线测量腐蚀反应尾气的各个成分的浓度，实现反应动力学的高精度连续测量；实验系统还包括配电系统、数控系统和数据测量与采集系统；本发明还提供了实验方法；本发明通过开展核反应堆严重事故环境下结构材料超高温腐蚀实验，为核反应堆安全设计提供关键数据。

Description

核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统及方法

技术领域

本发明涉及材料超高温腐蚀性能测试技术领域，具体涉及核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统及方法。

背景技术

在核反应堆严重事故下，燃料元件、定位格架、栅格板等结构材料因一回路丧失冷却剂而暴露于高温水蒸汽环境下，温度可达2000℃以上。此时，堆芯中结构材料的腐蚀行为会对严重事故进程造成极大的影响。随着国际上事故容错燃料(Accident Tolerant Fuel，ATF)概念的提出，新型结构材料在严重事故下的超高温腐蚀行为愈发值得关注。目前研究材料高温腐蚀行为的方法通常有两种：1)采用同步热分析仪进行连续反应动力学测量，2)采用加热元件为二硅化钼和炉管材质为刚玉的马弗炉进行非连续反应动力学测量。目前在售的同步热分析仪在水蒸汽环境下的长时间工作的最高温度仅能达到1750℃；马弗炉则由于加热元件和炉管性能的限制，难以在1700℃以上长时间运行。截止目前，未有合适的仪器设备能够应用于1750℃以上的水蒸汽环境中对材料进行长时间、连续的反应动力学测量，且目前的仪器设备无法可视化观察材料变形、破裂、氧化层脱落、熔化等现象，阻碍了对严重事故现象机理的进一步认识。

发明内容

为克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统及方法，可在水蒸汽环境中对材料进行长时间、连续、高精度的反应动力学测量及可视化观察。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统，第一氩气瓶1通过第一阀门101及相应管道与氩气主管道相连，第二氩气瓶2通过第二阀门102及相应管道与氩气主管道相连，第一流量计401安装在氩气主管道上；蒸汽发生器3通过第五阀门105及相应管道与外部水源相连，向蒸汽发生器3中注入去离子水，通过第三阀门103及相应管道形成蒸汽排放旁路，通过第四阀门104及相应管道形成蒸汽主管道，与氩气主管道汇合形成气体主管道，在第四阀门104下游的蒸汽主管道上安装有第二流量计402；蒸汽发生器3上还安装有第一热电偶201、第一压力传感器301和第一水位计501；真空泵4通过第六阀门106及相应管道与气体主管道相连；陶瓷反应管8进口通过密封法兰、静态气体混合器5及相应管道与气体主管道相连，静态气体混合器5使水蒸汽和氩气在进入陶瓷反应管8前混合均匀；陶瓷反应管8外壁从下到上依次缠绕或包围加热丝17、低温辐射炉6、保温棉602、高温辐射炉7、气冷铜管18；加热丝17和气冷铜管18外分别包围加热丝保温棉601和气冷铜管保温棉603；气冷铜管18通过第八阀门108与氦气瓶19相连，第八阀门108下游安装有第三流量计403；高温辐射炉7侧壁开设两个石英玻璃视窗，分别放置高速摄像仪9和红外测温探头10；陶瓷反应管8出口通过密封法兰、第七阀门107及相应管道与冷凝器12一次侧进口相连，在第七阀门107与陶瓷反应管8出口之间安装有第二热电偶202；高温辐射炉7和低温辐射炉6内部布置有冷却通道，分别通过第九阀门109和第十阀门110及相应管道与冷却机11相连，冷水机11还通过第十一阀门111及相应管道与冷凝器12二次侧相连；冷凝器12一次侧出口通过相应管道与气液分离器13相连，气液分离器13分离出的冷凝水通过第十二阀门112及相应管道进入储水箱14，气体则通过气液分离器13与三通阀15间的管道；三通阀15和气液分离器13间的管道上安装有第二压力传感器302；储水箱14上安装有第二水位计502，底部设置有第十三阀门113及相应管道；三通阀15的水平分支通过相应管道与在线气体分析质谱仪16的样品进口相连，三通阀15与在线气体分析质谱仪16间的管道上安装有第四流量计404，三通阀15的垂直分支形成气体排放旁路；第十四阀门114及相应管道与在线气体分析质谱仪16的样品出口相连；

该实验系统还包括配套的配电系统20、数控系统21和数据测量与采集系统22。

所述的低温辐射炉6采用MoSi₂作为加热元件；所述的高温辐射炉7采用石墨烯作为加热元件，加热腔由多层交替的钨-真空复合层包围。

所述的陶瓷反应管8采用高温抗氧化性的细晶ZrB₂-SiC复合陶瓷制成。

所述的在线气体分析质谱仪16采用四级杆质谱技术，包括闭合离子源、三重质量过滤器和双探测器即法拉第和二次电子倍增器；采用熔融石英毛细管进口，支持自定义温度控制；采用高压涡轮分子泵和隔膜泵的组合泵组抽送，并将真空腔和入口接口组件安装在不锈钢烘箱内。

所述的配电系统20主要包括依次连接的配电柜、输电线和用电设备，供电容量满足实验系统的用电要求；所述的数控系统21主要包括气体供应系统启动控制平台、真空系统启动控制平台、实验段启动控制平台、冷却系统启动控制平台和尾气分析系统启动控制平台；所述的数据测量与采集系统22包括通过接线盒与实验回路传感器连接的数据采集卡、测量模块和信号调理器以及驱动数据采集卡、测量模块和信号调理器运行的计算机驱动软件和数据采集软件；数控系统21能够根据实验流程和数据测量与采集系统22的信号反馈，控制阀门开度和仪器设备启停，调节仪器设备功率。

所述的核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统的实验方法，该实验系统能够开展等温腐蚀实验和瞬态腐蚀实验；实验开始前，所有阀门保持常闭；采用高精度电子天平获得实验件质量后，打开陶瓷反应管8的密封法兰，将实验件置于陶瓷反应管8内正对高速摄像仪9和红外测温探头10的位置；随后完成陶瓷反应管8的密封及与管道的连接；打开第五阀门105，由外部水源向蒸汽发生器3注入去离子水，去离子水量达实验要求时停止注水，关闭第五阀门105；依次打开第六阀门106、第七阀门107和第十二阀门112，利用真空泵4对实验系统抽真空，当系统压力达规定的真空度要求时，真空泵4停止运行，关闭第六阀门106；打开第一阀门101，利用第一氩气瓶1向系统中通入氩气；若第一氩气瓶1中氩气量不足，则打开第二阀门102，关闭第一阀门101；当系统压力达到大气压或高于大气压时，打开三通阀15，打开第十四阀门114，启动在线气体分析质谱仪16，调节三通阀15使进入在线气体分析质谱仪16的氩气流量满足在线气体分析质谱仪16的进样流量要求；启动加热丝17、低温辐射炉6、高温辐射炉7和冷凝器12，打开第九阀门109、第十阀门110和第十一阀门111，启动冷水机11为高温辐射炉7和低温辐射炉6提供冷却，为冷凝器12提供二次侧水源；打开第八阀门108，通过氦气瓶19向气冷铜管18通氦气；控制加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及第八阀门108开度，使实验件温度维持在400～500℃；

开展等温腐蚀实验时，增大加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及第八阀门108开度，以规定速率将实验件加热至实验工况温度并维持不变；启动蒸汽发生器3，当蒸汽的温度和压力达实验要求时，打开第三阀门103，排放蒸汽和排除杂质气体，一段时间后关闭第三阀门103，打开第四阀门104，向实验系统中通入蒸汽；蒸汽通入后，根据红外测温探头10的信号反馈调节加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及第八阀门108开度，使实验件再次达到实验工况温度；再次调节三通阀15，使进入在线气体分析质谱仪16的尾气流量满足在线气体分析质谱仪16的进样流量要求；实验达到规定时间或者腐蚀反应气体产量超过规定值时，打开第三阀门103，关闭第四阀门104，停止运行蒸汽发生器3，氩气流量保持不变，减小加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及第八阀门108开度，以规定速率将实验件温度降低至室温，依次关闭各个仪器设备，结束实验；

开展瞬态腐蚀实验时，先启动蒸汽发生器3，当蒸汽的温度和压力达实验要求时，打开第三阀门103，排放蒸汽和排除杂质气体，一段时间后关闭第三阀门103，打开第四阀门104，向实验系统中通入蒸汽；再次调节三通阀15，使进入在线气体分析质谱仪16的尾气流量满足在线气体分析质谱仪16的进样流量要求；然后增大加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及第八阀门108开度，以规定速率将实验件加热至设计工况的最高温度并维持0.5～1h；随后打开第三阀门103，关闭阀门第四104，停止运行蒸汽发生器3，氩气流量保持不变，减小加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及阀门108开度，以规定速率将实验件温度降低至室温，依次关闭各个仪器设备，结束实验；

实验结束后，打开第十三阀门113，排放储水箱14中的冷凝水；打开陶瓷反应管8的密封法兰，取出实验件，采用高精度电子天平再次获得实验件质量；制作实验件的表面样品和截面样品，采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪对样品形貌进行分析。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明的实验系统，陶瓷反应管从下到上缠绕或包围加热丝、低温辐射炉、高温辐射炉和气冷铜管，实现对气体的多级加热和预冷却，使气体能够达到实验工况要求的温度，同时减小陶瓷反应管的热应力，防止发生断裂失效；气冷铜管的使用可缩短陶瓷反应管的需求长度，减小实验系统的空间占用，并使陶瓷反应管出口气体温度低于不锈钢法兰密封圈可长期承受的最高温度，保证实验系统的密封性；

2、本发明的实验系统，高温辐射炉上开设两个石英玻璃视窗，分别放置高速摄像仪和红外测温探头，用于记录实验件变形、破裂、氧化层脱落、熔化等现象和非接触测温，实现了超高温水蒸汽环境中结构材料腐蚀行为的可视化观察，有利于进一步认识严重事故现象机理；

3、本发明的实验系统，高温辐射炉采用石墨烯作为加热元件，石墨烯的熔点可达3600℃以上，且具有良好的导热性，可保证加热腔温度分布均匀；加热腔由多层交替的钨-真空复合层包围，可保证炉体的机械强度和保温性能，使加热腔温度达2300℃以上，并可长期维持在1700～2200℃，有效营造核反应堆严重事故下的超高温环境；陶瓷反应管采用细晶ZrB₂-SiC复合陶瓷制成，熔点在3000℃以上，具有优良的高温抗氧化性能，可将石墨烯加热元件与腐蚀性气体有效隔离，解决了现有仪器设备无法在1750℃以上的水蒸汽环境下运行的问题；

4、本发明的实验系统，采用氩气作为参考气体，采用在线气体分析质谱仪实时测量腐蚀反应尾气的各个成分的浓度，结合测量得到的氩气流量，可获得腐蚀反应中气体产物的生成速率随时间的变化关系，实现了材料超高温腐蚀反应动力学的连续测量，且测量精度极高。

总而言之，本发明解决了核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀行为研究的难题，设计可靠，测量精度极高。

附图说明

图1为本发明核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统示意图。

图2为本发明核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统配电系统示意图。

图3为本发明核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统数控系统示意图。

图4为本发明核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统数据测量与采集系统示意图。

图5为本发明核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统数控系统运行方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：

如图1所示，本发明是核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统及方法，所述实验系统包括气体供应系统、真空系统、实验段、冷却系统和尾气分析系统，还包括配套的配电系统20、数控系统21和数据测量与采集系统22；气体供应系统包括氩气供应系统和蒸汽供应系统；氩气供应系统中，第一氩气瓶1通过第一阀门101及相应管道与氩气主管道相连，第二氩气瓶2通过第二阀门102及相应管道与氩气主管道相连，第一流量计401安装在氩气主管道上，用于测量氩气主管道的氩气流量，第二氩气瓶2的作用是在第一氩气瓶1中的氩气量不足时及时补充氩气，保证实验稳定进行；蒸汽供应系统中，蒸汽发生器3通过第五阀门105及相应管道与外部水源相连，向蒸汽发生器3中注入去离子水，通过第三阀门103及相应管道形成蒸汽排放旁路，用于向实验系统通入蒸汽前排放蒸汽和排除空气等杂质气体，通过第四阀门104及相应管道形成蒸汽主管道，与氩气主管道汇合形成气体主管道，在第四阀门104下游的蒸汽主管道上安装有第二流量计402用于测量蒸汽流量；蒸汽发生器3上还安装有第一热电偶201、第一压力传感器301和第一水位计501，分别用于监测蒸汽发生器3中的温度、压力和水位；真空系统包含真空泵4，真空泵4通过第六阀门106及相应管道与气体主管道相连，用于实验前对实验回路抽真空；实验段包括低温辐射炉6、高温辐射炉7、陶瓷反应管8、加热丝17、气冷铜管18、加热丝保温棉601、602、气冷铜管603，陶瓷反应管8进口通过不锈钢密封法兰、静态气体混合器5及相应管道与气体主管道相连，静态气体混合器5使水蒸汽和氩气在进入陶瓷反应管8前混合均匀；陶瓷反应管8外壁从下到上依次缠绕或包围加热丝17、低温辐射炉6、保温棉602、高温辐射炉7、气冷铜管18，加热丝17和气冷铜管18外分别包围加热丝保温棉601和气冷铜管保温棉603，保温棉的作用是减小陶瓷反应管8的散热，气冷铜管18通过第八阀门108与氦气瓶19相连，第八阀门108下游安装有第三流量计403，用于测量氦气流量；气体进入陶瓷反应管8后，通过加热丝17进行一级预热，通过低温辐射炉6进行二级预热，在高温辐射炉7中达到实验温度并与实验件发生反应，反应尾气通过气冷铜管18进行预冷却，使陶瓷反应管8出口气体温度低于不锈钢密封法兰密封圈可长期承受的最高温度，多级加热和预冷却减小了陶瓷反应管8的热应力，防止陶瓷反应管8断裂失效；高温辐射炉7侧壁开设两个石英玻璃视窗，分别放置高速摄像仪9和红外测温探头10，用于观察实验件变形、破裂、氧化层脱落、熔化等现象和非接触测温；陶瓷反应管8出口通过不锈钢密封法兰、第七阀门107及相应管道与冷凝器12一次侧进口相连，在第七阀门107与陶瓷反应管8出口之间安装有第二热电偶202，用于监测陶瓷反应管8出口气体温度；冷却系统的核心是冷水机11，高温辐射炉7和低温辐射炉6内部布置有冷却通道，分别通过第九阀门109、第十阀门110及相应管道与冷却机11相连，防止炉体外壳过热和内部电子元件损坏，冷水机11还通过第十一阀门111及相应管道与冷凝器12二次侧相连，将进入冷凝器12的反应尾气中的水蒸汽冷凝；冷凝器12一次侧出口通过相应管道与气液分离器13相连，分离出的冷凝水通过第十二阀门112及相应管道进入储水箱14，气体则通过气液分离器13与三通阀15间的管道进入尾气分析系统，三通阀15和气液分离器13间的管道上安装有第二压力传感器302，用于监测进入尾气分析系统的气体压力；储水箱14通过第二水位计502监测水位，底部设置有第十三阀门113及相应管道，可在实验结束后将冷凝水排放到环境中；气体分析系统包括三通阀15、在线气体分析质谱仪16和尾气排放旁路，三通阀15的水平分支通过相应管道与在线气体分析质谱仪16相连，三通阀15与在线气体分析质谱仪16间的管道上安装有第四流量计404，用于监测气体流量，保证其满足在线气体分析质谱仪16的进样流量要求，三通阀15的垂直分支形成尾气排放旁路；在线气体分析质谱仪16可实时测量腐蚀反应尾气的各个成分的浓度，结合测量得到的氩气流量，可获得腐蚀反应中气体产物的生成速率随时间的变化关系，实现材料超高温腐蚀反应动力学的高精度连续测量；完成气体分析后，通过第十四阀门114及相应管道将尾气排放到环境中。

所述的低温辐射炉6采用MoSi₂作为加热元件，MoSi₂的熔点可达2030℃，可在1750℃下长期工作，可将陶瓷反应管8中的气体预热到较高的温度；所述的高温辐射炉7采用石墨烯作为加热元件，石墨烯的熔点可达3600℃以上，且具有良好的导热性，可保证加热腔温度分布均匀；高温辐射炉7加热腔由多层交替的钨-真空复合层包围，保证了炉体的机械强度和保温性能，使加热腔温度可达到2300℃以上，并可长期维持在1700～2200℃，可有效营造核反应堆严重事故下的超高温环境。所述的陶瓷反应管8采用细晶ZrB₂-SiC复合陶瓷制成，熔点在3000℃以上，具有优良的高温抗氧化性能，可承受高温辐射炉营造的超高温环境，并将高温辐射炉7中的石墨烯加热元件与陶瓷反应管8内的腐蚀性气体有效隔离。

所述的在线气体分析质谱仪16采用四级杆质谱技术，闭合离子源、三重质量过滤器和双探测器(法拉第和二次电子倍增器)系统，可从一个或多个采样位置精确检测和量化气体和气体混合物，实现从痕量水平(ppb)到高丰度(百分比水平)的宽泛动态范围内监测多种气体种类；在线气体分析质谱仪16采用熔融石英毛细管进口，避免对气体样品造成污染，支持自定义温度控制，毛细管较小的体积和表面积使在线气体分析质谱仪16的响应速度最大化、记忆效应最小化；在线气体分析质谱仪16采用高压涡轮分子泵和隔膜泵的组合泵组抽送，可对实验系统中的微量腐蚀产物气体进行采样，同时将真空腔和入口接口组件安装在不锈钢烘箱内，消除了样品冷却对分析结果的影响。

如图2所示，作为本发明的优选实施方式，所述的配电系统20主要包括依次连接的配电柜、输电线和用电设备；配电系统20供电容量满足实验系统的用电要求，为蒸汽发生器3、真空泵4、加热丝17、低温辐射炉6、高温辐射炉7、冷水机11、冷凝器12、气液分离器13、在线气体分析质谱仪16、数控系统21、数据测量与采集系统22等提供工作电源。

如图3所示，作为本发明的优选实施方式，所述的数控系统21主要包括气体供应系统启动控制平台、真空系统启动控制平台、实验段启动控制平台、冷却系统启动控制平台和尾气分析系统启动控制平台，具体部件包括阀门控制器、开关控制器和功率控制器；通过阀门控制器控制所有阀门的开度，通过开关控制器控制所有测量仪表、蒸汽发生器3、真空泵4、加热丝17、低温辐射炉6、高温辐射炉7、高速摄像仪9、红外测温探头10、冷水机11、冷凝器12、气液分离器13和在线气体分析质谱仪16的启停，通过功率控制器调节蒸汽发生器3、真空泵4、加热丝17、低温辐射炉6、高温辐射炉7和冷水机11的功率。

如图4所示，作为本发明的优选实施方式，所述的数据测量与采集系统22主要包括通过接线盒与实验回路传感器连接的数据采集卡、测量模块和信号调理器以及驱动数据采集卡、测量模块和信号调理器运行的计算机驱动软件和数据采集软件；热电偶、流量计、压力传感器、水位计和红外测温探头将物理参数转化为电信号，经过接线盒，传输到信号调理器进行过滤整定，由测量模块和数据采集卡将电信号转化成数字信号，提供给计算机的驱动软件和数据采集软件，由LabView编译的程序对所有传感器的信号进行处理和显示；高速摄像仪的监控视频直接传输到计算机中显示和保存。

如图5所示，作为本发明的优选实施方式，所述的数控系统21可接收数据测量与采集系统22的流量、温度、压力、水位信号，并与实验设计参数对比，产生反馈信号，同时根据实验流程，控制阀门开度和仪器设备启停，调节仪器设备功率。

本发明核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验方法，具体的实验操作流程如下：该实验系统可开展等温腐蚀实验和瞬态腐蚀实验；实验开始前，所有阀门保持常闭；采用高精度电子天平获得实验件质量后，打开陶瓷反应管8的密封法兰，将实验件置于陶瓷反应管8内正对高速摄像仪9和红外测温探头10的位置；随后完成陶瓷反应管8的密封及与管道的连接；打开第五阀门105，由外部水源向蒸汽发生器3注入去离子水，通过第一水位计501监测去离子水量达实验要求时，停止注水，关闭第五阀门105；依次打开第六阀门106、第七阀门107和第十二阀门112，利用真空泵4对实验系统抽真空，通过第二压力传感器302记录系统压力的变化，当系统压力达规定的真空度要求时，真空泵4停止运行，关闭第六阀门106；打开第一阀门101，向系统中通入氩气，通过第一流量计401记录氩气流量，并根据信号反馈控制第一阀门101开度，使氩气维持设计流量；正常情况下，第二阀门102保持常闭，当第一氩气瓶1中氩气量不足时，打开第二阀门102，关闭第一阀门101，同样通过第一流量计401记录氩气流量，并根据信号反馈控制第二阀门102开度，使氩气维持设计流量；当系统压力达到大气压或略高于大气压时，打开三通阀15，打开第十四阀门114，启动在线气体分析质谱仪16，通过第四流量计404监测进入在线气体分析质谱仪16的气体流量，调节三通阀15使进入在线气体分析质谱仪16的氩气流量满足在线气体分析质谱仪16的进样流量要求，其余氩气经尾气排放旁路释放到环境中；启动加热丝17、低温辐射炉6、高温辐射炉7和冷凝器12，打开第九阀门109、第十阀门110和第十一阀门111，启动冷水机11为高温辐射炉7和低温辐射炉6提供冷却，为冷凝器12提供二次侧水源，打开第八阀门108，通过氦气瓶19向气冷铜管通氦气，通过第三流量计403记录氦气流量，控制加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及第八阀门108开度，使实验件温度维持在400～500℃，实验件温度由红外测温探头10进行监测；

开展等温腐蚀实验时，增大加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及第八阀门108开度，以规定速率将实验件加热至实验工况温度并维持不变；启动蒸汽发生器3，通过赌徒热电偶201和第一压力传感器301分别监测蒸汽的温度和压力，当蒸汽的温度和压力达实验要求时，打开第三阀门103，排放蒸汽和排除空气等杂质气体，一段时间后关闭第三阀门103，打开第四阀门104，向系统中通入蒸汽，通过第二流量计402记录蒸汽流量，并根据信号反馈控制第四阀门104开度，使蒸汽维持设计流量；蒸汽通入后，实验件温度将有所下降，根据红外测温探头10的信号反馈调节加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及第八阀门108开度，使实验件再次达到实验工况温度；再次调节三通阀15，使进入在线气体分析质谱仪16的尾气流量满足在线气体分析质谱仪16的进样流量要求；实验达到规定时间或者腐蚀反应气体产量超过规定值时，打开第三阀门103，关闭第四阀门104，停止运行蒸汽发生器3，氩气流量保持不变，减小加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及第八阀门108开度，以规定速率将实验件温度降低至室温，依次关闭各个仪器设备，结束实验；

开展瞬态腐蚀实验时，先启动蒸汽发生器3，通过第一热电偶201和第一压力传感器301分别监测蒸汽的温度和压力，当蒸汽的温度和压力达实验要求时，打开第三阀门103，排放蒸汽和排除空气等杂质气体，一段时间后关闭第三阀门103，打开第四阀门104，向系统中通入蒸汽，通过第二流量计402记录蒸汽流量，并根据信号反馈控制第四阀门104开度，使蒸汽维持设计流量；再次调节三通阀15，使进入在线气体分析质谱仪16的尾气流量满足在线气体分析质谱仪16的进样流量要求；然后增大加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及第八阀门108开度，以规定速率将实验件加热至设计工况的最高温度并维持0.5～1h；随后打开第三阀门103，关闭第四阀门104，停止运行蒸汽发生器3，氩气流量保持不变，减小加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及第八阀门108开度，以规定速率将实验件温度降低至室温，依次关闭各个仪器设备，结束实验；

实验结束后，打开第十三阀门113，排放储水箱14中的冷凝水；打开陶瓷反应管8的密封法兰，取出实验件，采用高精度电子天平再次获得实验件质量，实现反应动力学的非连续测量，可与在线气体分析质谱仪16的测量结果形成对比，相互验证；制作实验件的表面样品和截面样品，采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪等分析仪器对样品形貌进行分析，研究核反应堆严重事故环境下材料的超高温腐蚀行为机理。

以上内容是结合具体原理对本发明作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方案仅限于此，对于本发明所属的从业人员来说，不脱离本发明构思前提下所作的简单推演或替换，都应当作本发明的保护范围。

Claims (6)

1.核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统，其特征在于：第一氩气瓶(1)通过第一阀门(101)及相应管道与氩气主管道相连，第二氩气瓶(2)通过第二阀门(102)及相应管道与氩气主管道相连，第一流量计(401)安装在氩气主管道上；蒸汽发生器(3)通过第五阀门(105)及相应管道与外部水源相连，向蒸汽发生器(3)中注入去离子水，通过第三阀门(103)及相应管道形成蒸汽排放旁路，通过第四阀门(104)及相应管道形成蒸汽主管道，与氩气主管道汇合形成气体主管道，在第四阀门(104)下游的蒸汽主管道上安装有第二流量计(402)；蒸汽发生器(3)上还安装有第一热电偶(201)、第一压力传感器(301)和第一水位计(501)；真空泵(4)通过第六阀门(106)及相应管道与气体主管道相连；陶瓷反应管(8)进口通过密封法兰、静态气体混合器(5)及相应管道与气体主管道相连，静态气体混合器(5)使水蒸汽和氩气在进入陶瓷反应管(8)前混合均匀；陶瓷反应管(8)外壁从下到上依次缠绕或包围加热丝(17)、低温辐射炉(6)、保温棉(602)、高温辐射炉(7)、气冷铜管(18)；加热丝(17)和气冷铜管(18)外分别包围加热丝保温棉(601)和气冷铜管保温棉(603)；气冷铜管(18)通过第八阀门(108)与氦气瓶(19)相连，第八阀门(108)下游安装有第三流量计(403)；高温辐射炉(7)侧壁开设两个石英玻璃视窗，分别放置高速摄像仪(9)和红外测温探头(10)；陶瓷反应管(8)出口通过密封法兰、第七阀门(107)及相应管道与冷凝器(12)一次侧进口相连，在第七阀门(107)与陶瓷反应管(8)出口之间安装有第二热电偶(202)；高温辐射炉(7)和低温辐射炉(6)内部布置有冷却通道，分别通过第九阀门(109)和第十阀门(110)及相应管道与冷水机(11)相连，冷水机(11)还通过第十一阀门(111)及相应管道与冷凝器(12)二次侧相连；冷凝器(12)一次侧出口通过相应管道与气液分离器(13)相连，气液分离器(13)分离出的冷凝水通过第十二阀门(112)及相应管道进入储水箱(14)，气体则通过气液分离器(13)与三通阀(15)间的管道；三通阀(15)和气液分离器(13)间的管道上安装有第二压力传感器(302)；储水箱(14)上安装有第二水位计(502)，底部设置有第十三阀门(113)及相应管道；三通阀(15)的水平分支通过相应管道与在线气体分析质谱仪(16)的样品进口相连，三通阀(15)与在线气体分析质谱仪(16)间的管道上安装有第四流量计(404)，三通阀(15)的垂直分支形成气体排放旁路；第十四阀门(114)及相应管道与在线气体分析质谱仪(16)的样品出口相连；

该实验系统还包括配套的配电系统(20)、数控系统(21)和数据测量与采集系统(22)；

所述的高温辐射炉(7)采用石墨烯作为加热元件，加热腔由多层交替的钨-真空复合层包围。

2.根据权利要求1所述的核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统，其特征在于：所述的低温辐射炉(6)采用MoSi₂作为加热元件。

3.根据权利要求1所述的核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统，其特征在于：所述的陶瓷反应管(8)采用高温抗氧化性的细晶ZrB₂-SiC复合陶瓷制成。

4.根据权利要求1所述的核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统，其特征在于：所述的在线气体分析质谱仪(16)采用四级杆质谱技术，包括闭合离子源、三重质量过滤器和双探测器即法拉第和二次电子倍增器；采用熔融石英毛细管进口，支持自定义温度控制；采用高压涡轮分子泵和隔膜泵的组合泵组抽送，并将真空腔和入口接口组件安装在不锈钢烘箱内。

5.根据权利要求1所述的核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统，其特征在于：所述的配电系统(20)包括依次连接的配电柜、输电线和用电设备，供电容量满足实验系统的用电要求；所述的数控系统(21)包括气体供应系统启动控制平台、真空系统启动控制平台、实验段启动控制平台、冷却系统启动控制平台和尾气分析系统启动控制平台；所述的数据测量与采集系统(22)包括通过接线盒与实验回路传感器连接的数据采集卡、测量模块和信号调理器以及驱动数据采集卡、测量模块和信号调理器运行的计算机驱动软件和数据采集软件；数控系统(21)能够根据实验流程和数据测量与采集系统(22)的信号反馈，控制阀门开度和仪器设备启停，调节仪器设备功率。

6.权利要求1至5任一项所述的核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统的实验方法，其特征在于：该实验系统能够开展等温腐蚀实验和瞬态腐蚀实验；实验开始前，所有阀门保持常闭；采用高精度电子天平获得实验件质量后，打开陶瓷反应管(8)的密封法兰，将实验件置于陶瓷反应管(8)内正对高速摄像仪(9)和红外测温探头(10)的位置；随后完成陶瓷反应管(8)的密封及与管道的连接；打开第五阀门(105)，由外部水源向蒸汽发生器(3)注入去离子水，去离子水量达实验要求时停止注水，关闭第五阀门(105)；依次打开第六阀门(106)、第七阀门(107)和第十二阀门(112)，利用真空泵(4)对实验系统抽真空，当系统压力达规定的真空度要求时，真空泵(4)停止运行，关闭第六阀门(106)；打开第一阀门(101)，利用第一氩气瓶(1)向系统中通入氩气；若第一氩气瓶(1)中氩气量不足，则打开第二阀门(102)，关闭第一阀门(101)；当系统压力达到大气压或高于大气压时，打开三通阀(15)，打开第十四阀门(114)，启动在线气体分析质谱仪(16)，调节三通阀(15)使进入在线气体分析质谱仪(16)的氩气流量满足在线气体分析质谱仪(16)的进样流量要求；启动加热丝(17)、低温辐射炉(6)、高温辐射炉(7)和冷凝器(12)，打开第九阀门(109)、第十阀门(110)和第十一阀门(111)，启动冷水机(11)为高温辐射炉(7)和低温辐射炉(6)提供冷却，为冷凝器(12)提供二次侧水源；打开第八阀门(108)，通过氦气瓶(19)向气冷铜管(18)通氦气；控制加热丝(17)、低温辐射炉(6)和高温辐射炉(7)的功率以及第八阀门(108)开度，使实验件温度维持在400～500℃；

开展等温腐蚀实验时，增大加热丝(17)、低温辐射炉(6)和高温辐射炉(7)的功率以及第八阀门(108)开度，以规定速率将实验件加热至实验工况温度并维持不变；启动蒸汽发生器(3)，当蒸汽的温度和压力达实验要求时，打开第三阀门(103)，排放蒸汽和排除杂质气体，一段时间后关闭第三阀门(103)，打开第四阀门(104)，向实验系统中通入蒸汽；蒸汽通入后，根据红外测温探头(10)的信号反馈调节加热丝(17)、低温辐射炉(6)和高温辐射炉(7)的功率以及第八阀门(108)开度，使实验件再次达到实验工况温度；再次调节三通阀(15)，使进入在线气体分析质谱仪(16)的尾气流量满足在线气体分析质谱仪(16)的进样流量要求；实验达到规定时间或者腐蚀反应气体产量超过规定值时，打开第三阀门(103)，关闭第四阀门(104)，停止运行蒸汽发生器(3)，氩气流量保持不变，减小加热丝(17)、低温辐射炉(6)和高温辐射炉(7)的功率以及第八阀门(108)开度，以规定速率将实验件温度降低至室温，依次关闭各个仪器设备，结束实验；

开展瞬态腐蚀实验时，先启动蒸汽发生器(3)，当蒸汽的温度和压力达实验要求时，打开第三阀门(103)，排放蒸汽和排除杂质气体，一段时间后关闭第三阀门(103)，打开第四阀门(104)，向实验系统中通入蒸汽；再次调节三通阀(15)，使进入在线气体分析质谱仪(16)的尾气流量满足在线气体分析质谱仪(16)的进样流量要求；然后增大加热丝(17)、低温辐射炉(6)和高温辐射炉(7)的功率以及第八阀门(108)开度，以规定速率将实验件加热至设计工况的最高温度并维持0.5～1h；随后打开第三阀门(103)，关闭阀门第四(104)，停止运行蒸汽发生器(3)，氩气流量保持不变，减小加热丝(17)、低温辐射炉(6)和高温辐射炉(7)的功率以及阀门(108)开度，以规定速率将实验件温度降低至室温，依次关闭各个仪器设备，结束实验；

实验结束后，打开第十三阀门(113)，排放储水箱(14)中的冷凝水；打开陶瓷反应管(8)的密封法兰，取出实验件，采用高精度电子天平再次获得实验件质量；制作实验件的表面样品和截面样品，采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪对样品形貌进行分析。

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