CN110660496B - 一种用于高温芯轴试验的包壳破裂失效实时监测系统 - Google Patents

一种用于高温芯轴试验的包壳破裂失效实时监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高温芯轴试验的包壳破裂失效实时监测系统，包括高纯氩气罐，炉体，炉体顶部的柱形腔室，连接柱形腔室上壁面的气压表，连接炉体侧壁面的气压表，连接柱形腔室与氩气罐的氩气进口管及减压阀，连接炉体侧壁面的空气进口管及减压阀，连接炉体底部和氧分析仪的气体出口管，还包括炉体内部的密封盖及密封底座，密封盖和密封底座之间的芯轴试验段，插入芯轴试验段内部的柱塞；利用炉体加热，实现芯轴试验段的温度控制；利用芯轴试验段两侧的密封盖和密封底座，实现芯轴试验段内外表面的气体隔离；通过控制减压阀实现芯轴试验段外表面气压大于内表面气压；利用气体流经密封底座并通入氧分析仪，实现对包壳破裂失效的实时监测。

Description

一种用于高温芯轴试验的包壳破裂失效实时监测系统
技术领域
本发明属于核燃料及材料性能测试技术领域，具体涉及一种用于高温芯轴试验的包壳破裂失效实时监测系统。
背景技术
商用核燃料包壳管作为核反应堆内的关键构件，在堆内面临高温、辐照、氧化、化学腐蚀等复杂的环境，并且随着燃耗的增加，棒状燃料元件非常容易发生PCI(包壳芯块相互作用)，使包壳管破裂失效。新型的商用燃料棒包壳管在入堆前必须充分了解包壳管在正常和极限工况下的失效情况。其中，芯轴试验便是新型包壳管入堆前所必须进行的项目之一。
随着国内外对包壳性能的研究日趋成熟，能够更有效、直接的获得不同包壳的稳定性优劣以及失效准则成为当下新型包壳管入堆前的研究重点，因此搭建高温环境下的芯轴试验台架以及包壳破裂失效实时监测系统比不可少。其中，需要解决包壳温度控制问题、包壳破裂失效判定问题。
然而核反应堆正常工况下，包壳管处于高温环境，具有更好的延展性。芯轴试验的高温控制、包壳管高温破裂失效判定是包壳失效准则制定的技术难点。
目前在核燃料及材料性能测试技术领域，国内缺少芯轴试验装台架，更缺少高温环境下的芯轴试验台架。而国外进行的芯轴试验大部分在常温下进行，在高温下进行的芯轴试验没有有效的包壳失效判定方法。
例如文献《Nilsson,Karl Fredrik,et al."The segmented expanding cone-mandrel test revisited as material characterization and component test forfuel claddings."Nuclear Engineering and Design 241.2(2011):445-458.》详细介绍了常温下包壳管锥体芯轴试验装置。该实验装置使用非接触式变形测量传感器对包壳管变形进行测量与分析，通过包壳管完全断裂来判定包壳失效。此装置测量原理简单，能够对比不同包壳材料力学性能，但无法模拟高温环境，也无法模拟内表面碘蒸气环境以及真实堆内包壳失效情形。
又如文献《Grosjean C,Dominique P,Salabura J C,et al.Cladding TubeTesting in Creep Conditions under Multiaxial Loading:A New Device and SomeExperimental Results[C].Transactions,SMiRT 19.Toronto,August 2007.》详细介绍了高温环境下包壳管的蠕变测试多轴加载系统。该实验系统能够提供包壳管高温环境，并使用电子拉伸机对包壳管实现多轴加载，能够获得高温下包壳蠕变性能。此实验系统能够进行包壳管高温蠕变性能测试，但无法获得包壳管在高温环境下的失效准则，也无法模拟包壳PCI效应。
又如文献《Gussev,M.N.,et al."In-situ tube burst testing and high-temperature deformation behavior of candidate materials for accident tolerantfuel cladding."Journal of Nuclear Materials 466(2015):417-425.》详细介绍了高温环境下包壳管的变形及爆破实验装置。该实验装置使用两端封闭并且内部充压的包壳管，通过炉体加热使得包壳变形。此实验装置十分复杂，制造成本高，并且在包壳爆破实验时，仅能获得包壳失效时应变，无法准确获得包壳破裂的失效时间，也无法模拟包壳的PCI效应。
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高温芯轴试验的包壳破裂失效实时监测系统，该系统通过控制炉体温度，并使用氧分析仪，可靠有效地实现高温环境下芯轴试验包壳管破裂失效的实时监测：利用炉体加热，实现芯轴试验段的温度控制；利用芯轴试验段两侧的密封盖和密封底座，实现芯轴试验段内外表面的气体隔离；利用连接炉体及柱形腔室的气压表，通过控制减压阀实现芯轴试验段外表面气压大于内表面气压；利用气体流经密封底座并通入氧分析仪，实现对包壳破裂失效的实时监测。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
一种用于高温芯轴试验的包壳破裂失效实时监测系统，包括高纯氩气罐A，炉体L，安装在炉体L顶部的柱形腔室C，安装于柱形腔室C上壁面的氩气气压表F，安装于炉体L侧壁面的空气气压表G，位于炉体L底部中心的密封底座K和位于炉体L顶部中心的密封盖M，安装于密封盖M和密封底座K之间的芯轴试验段J，一端位于芯轴试验段J内部另一端伸出柱形腔室C外的柱塞E，连通柱形腔室C和高纯氩气罐A的氩气进口管D，连接炉体L侧壁面的空气进口管O，连接在炉体底部并连通芯轴试验段J内的气体出口管I，氩气进口管D和空气进口管O分别设置有氩气减压阀B和空气减压阀N，还包括连接气体出口管I的氧分析仪H；所述柱形腔室C、密封盖M、芯轴试验段J和密封底座K形成密闭连通的芯轴试验段J内表面气体流道，芯轴试验段J内表面气体流道与炉体L的外壁间为芯轴试验段J外表面气体流道，高纯氩气罐A输出高纯氩气在芯轴试验段J内表面气体流道流通并通过气体出口管I流进氧分析仪H，空气进入芯轴试验段J外表面气体流道；通过炉体L加热，实现对芯轴试验段J的温度控制，通过密封盖M和密封底座K，实现芯轴试验段J内外表面高纯氩气和空气的隔离，通过氩气减压阀B和空气减压阀N，实现芯轴试验段J外表面气压大于内表面气压，高纯氩气罐A输出高纯氩气通过氩气减压阀B流经柱形腔室C、密封盖M、芯轴试验段J、密封底座K、气体出口管I和氧分析仪H，进行对芯轴试验段J内表面氧气的实时监测，以判断监测芯轴试验段J的包壳管是否破裂失效；
当需要在预设的炉体L温度下进行芯轴试验，并实时监测包壳是否破裂失效时，试验开始前，打开高纯氩气罐A一段时间，排尽芯轴试验段内表面气体流道的氧气；再启动炉体L并升温到预设温度，打开高纯氩气罐A，将高纯氩气从氩气进口管D注入柱形腔室C，进入芯轴试验段J内表面气体流道，流经密封盖M、芯轴试验段J内表面、密封底座K，从气体出口管I流出进入氧分析仪H，同时将空气从空气进口管O注入炉体L进入芯轴试验段J外表面气体流道，调节氩气减压阀B和空气减压阀N使芯轴试验段J外表面气压大于内表面气压；通过轴向移动柱塞E，使芯轴试验段J径向变形直至包壳管破裂，若有空气进入氧分析仪H，说明包壳管破裂失效，通过氧分析仪H实时监测包壳管是否破裂失效。
所述柱形腔室C、密封盖M、密封底座K和芯轴试验段J形成密闭的芯轴试验段J内表面气体流道；保证芯轴试验段J外部的气体在包壳破裂失效之前都无法进入芯轴试验段J内表面。
所述柱形腔室C上壁面和炉体L侧壁面分别安装氩气气压表F和空气气压表G，并在氩气进口管D和空气进口管O别分设置氩气减压阀B和空气减压阀N；保证炉体L内气压大于芯轴试验段J内气压，使包壳管破裂失效时，炉体L内空气顺利进入芯轴试验段J内表面。
所述气体出口管I连接氧分析仪H，整个芯轴试验过程中，高纯氩气罐A输出氩气流经芯轴试验段J内表面气体流道进入氧分析仪H，使氧分析仪H实时监测芯轴试验段(J)内表面氧含量。
所述炉体L为带有可视化窗口的密闭性高温炉体。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明成本低，安装简单，效果明显，并且操作简单、可靠性高。
2.本发明使用高纯氩气，维持包壳内表面低氧状态，在包壳失效时，氧含量的徒增更加显著。
3.本发明隔离包壳内外气体环境，能够提供不同的包壳内外气体环境。
4.本发明使用减压阀和气压表控制包壳管内外表面气压，能够有效地、可靠地实时监测包壳管失效。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
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，本发明一种用于高温芯轴试验的包壳破裂失效实时监测系统，包括高纯氩气罐A，炉体L，安装在炉体L顶部的柱形腔室C，安装于柱形腔室C上壁面的氩气气压表F，安装于炉体L侧壁面的空气气压表G，位于炉体L底部中心的密封底座K和位于炉体L顶部中心的密封盖M，安装于密封盖M和密封底座K之间的芯轴试验段J，一端位于芯轴试验段J内部另一端伸出柱形腔室C外的柱塞E，连通柱形腔室C和高纯氩气罐A的氩气进口管D，连接炉体L侧壁面的空气进口管O，连接在炉体底部并连通芯轴试验段J内的气体出口管I，氩气进口管D和空气进口管O分别设置有氩气减压阀B和空气减压阀N，还包括连接气体出口管I的氧分析仪H；所述柱形腔室C、密封盖M、芯轴试验段J和密封底座K形成密闭连通的芯轴试验段J内表面气体流道，芯轴试验段J内表面气体流道与炉体L的外壁间为芯轴试验段J外表面气体流道，高纯氩气罐A输出高纯氩气在芯轴试验段J内表面气体流道流通并通过气体出口管I流进氧分析仪H，空气进入芯轴试验段J外表面气体流道；通过炉体L加热，实现对芯轴试验段J的温度控制，通过密封盖M和密封底座K，实现芯轴试验段J内外表面高纯氩气和空气的隔离，通过氩气减压阀B和空气减压阀N，实现芯轴试验段J外表面气压大于内表面气压，高纯氩气罐A输出高纯氩气通过氩气减压阀B流经柱形腔室C、密封盖M、芯轴试验段J、密封底座K、气体出口管I和氧分析仪H，进行对芯轴试验段J内表面氧气的实时监测，以判断监测芯轴试验段J的包壳管是否破裂失效。
本实施例获取在预设温度炉体L温度下包壳在芯轴试验下的失效时间，试验开始前，打开氩气罐A一段时间，排尽芯轴试验段内表面气体流道的氧气。
本实施例的大致工作原理如下：启动炉体L并升温到预设温度，打开高纯氩气罐A，将高纯氩气从氩气进口管D注入柱形腔室C，流经密封盖M、芯轴试验段J内表面、密封底座K，从气体出口管I流出进入氧分析仪H，同时将空气从空气进口管O注入炉体，调节氩气减压阀B和空气减压阀N使芯轴试验段J外表面气压大于内表面气压。通过轴向移动柱塞E，使芯轴试验段J径向变形直至破裂，通过氧分析仪H实时监测包壳管是否破裂失效。
本发明所述柱形腔室C、密封盖M、密封底座K和芯轴试验段J形成密闭的芯轴试验段J内表面气体流道；所述柱形腔室C上壁面和炉体L侧壁面分别安装氩气气压表F和空气气压表G，并在氩气进口管D和空气进口管O别分设置氩气减压阀B和空气减压阀N；所述气体出口管I连接氧分析仪H，整个芯轴试验过程中，氩气罐A输出氩气流经芯轴试验段J内表面进入氧分析仪H，使之实时监测芯轴试验段J内表面氧含量。
作为本发明的优选实施方式，所述炉体L为带有可视化窗口的密闭性高温炉体。
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 (2)

1.一种用于高温芯轴试验的包壳破裂失效实时监测系统，其特征在于：包括高纯氩气罐(A)，炉体(L)，安装在炉体(L)顶部的柱形腔室(C)，安装于柱形腔室(C)上壁面的氩气气压表(F)，安装于炉体(L)侧壁面的空气气压表(G)，位于炉体(L)底部中心的密封底座(K)和位于炉体(L)顶部中心的密封盖(M)，安装于密封盖(M)和密封底座(K)之间的芯轴试验段(J)，一端位于芯轴试验段(J)内部另一端伸出柱形腔室(C)外的柱塞(E)，连通柱形腔室(C)和高纯氩气罐(A)的氩气进口管(D)，连接炉体(L)侧壁面的空气进口管(O)，连接在炉体底部并连通芯轴试验段(J)内的气体出口管(I)，氩气进口管(D)和空气进口管(O)分别设置有氩气减压阀(B)和空气减压阀(N)，还包括连接气体出口管(I)的氧分析仪(H)；所述柱形腔室(C)、密封盖(M)、芯轴试验段(J)和密封底座(K)形成密闭连通的芯轴试验段(J)内表面气体流道，芯轴试验段(J)内表面气体流道与炉体(L)的外壁间为芯轴试验段(J)外表面气体流道，高纯氩气罐(A)输出高纯氩气在芯轴试验段(J)内表面气体流道流通并通过气体出口管(I)流进氧分析仪(H)，空气进入芯轴试验段(J)外表面气体流道；通过炉体(L)加热，实现对芯轴试验段(J)的温度控制，通过密封盖(M)和密封底座(K)，实现芯轴试验段(J)内外表面高纯氩气和空气的隔离，通过氩气减压阀(B)和空气减压阀(N)，实现芯轴试验段(J)外表面气压大于内表面气压，高纯氩气罐(A)输出高纯氩气通过氩气减压阀(B)流经柱形腔室(C)、密封盖(M)、芯轴试验段(J)、密封底座(K)、气体出口管(I)和氧分析仪(H)，进行对芯轴试验段(J)内表面氧气的实时监测，以判断监测芯轴试验段(J)的包壳管是否破裂失效；
当需要在预设的炉体(L)温度下进行芯轴试验，并实时监测包壳是否破裂失效时，试验开始前，打开高纯氩气罐(A)一段时间，排尽芯轴试验段内表面气体流道的氧气；再启动炉体(L)并升温到预设温度，打开高纯氩气罐(A)，将高纯氩气从氩气进口管(D)注入柱形腔室(C)，进入芯轴试验段(J)内表面气体流道，流经密封盖(M)、芯轴试验段(J)内表面、密封底座(K)，从气体出口管(I)流出进入氧分析仪(H)，同时将空气从空气进口管(O)注入炉体(L)进入芯轴试验段(J)外表面气体流道，调节氩气减压阀(B)和空气减压阀(N)使芯轴试验段(J)外表面气压大于内表面气压；通过轴向移动柱塞(E)，使芯轴试验段(J)径向变形直至包壳管破裂，若有空气进入氧分析仪(H)，说明包壳管破裂失效，通过氧分析仪(H)实时监测包壳管是否破裂失效。
2.如权利要求1所述的一种用于高温芯轴试验的包壳破裂失效实时监测系统，其特征在于：所述炉体(L)为带有可视化窗口的密闭性高温炉体。
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