CN111398010B - 用于研究材料间化学扩散作用的辐照装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究材料间化学扩散作用的辐照装置，包括套筒、设置在所述套筒相对两端的第一端塞和第二端塞、设置在所述套筒内并抵接所述第二端塞的至少一个扩散耦单元、抵接在所述第一端塞和所述扩散耦单元之间的弹性缓冲件；所述扩散耦单元包括单元基座、由待研究材料制成的第一材料件和第二材料件；所述第一材料件和第二材料件相贴合叠置在所述单元基座内。本发明的辐照装置，用于研究在辐照环境下的不同材料间的化学扩散作用，扩散耦单元中通过材料件在单元基座内的设置，避免材料件与套筒直接接触进行径向传热，提高套筒对扩散耦单元的径向传热的屏蔽效果，提高材料件交界面的温度控制精度，实现实验温度控制精确的目的。

Description

用于研究材料间化学扩散作用的辐照装置

技术领域

本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种用于研究材料间化学扩散作用的辐照装置。

背景技术

在材料的研发及使用过程中，需重点关注不同材料之间的化学扩散作用，因为化学扩散会影响材料性能，该影响可能会是负面的，进而影响相应产品的使用性能，降低安全裕量。

特别的，对于新型核燃料材料的研发使用来说，更加需要重点关注化学扩散作用对产品性能影响。因为核燃料一般都运行在高温、高压及高中子通量的辐照环境下，芯块与包壳之间的化学扩散因高温运行环境而更容易发生，特别是在反应堆的高中子通量的辐照环境下，加上核燃料的裂变产物对芯块- 包壳交界面的综合作用，使得核燃料中的芯块-包壳化学扩散机理复杂且容易发生。目前，已有文献表明，芯块与包壳之间的化学扩散作用，可以使包壳在较低的应力状态下就发生失效，从而破坏燃料系统的放射性包容屏障完整性。

在新型核燃料产品的开发过程中，为了系统评估这种化学扩散作用对燃料系统的性能影响，有必要对其进行充分研究，特别是辐照环境条件下，设计相应的辐照实验装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种温度控制精确、易加工及易拆装的用于研究材料间化学扩散作用的辐照装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于研究材料间化学扩散作用的辐照装置，包括套筒、设置在所述套筒相对两端的第一端塞和第二端塞、设置在所述套筒内并抵接所述第二端塞的至少一个扩散耦单元、抵接在所述第一端塞和所述扩散耦单元之间的弹性缓冲件；

所述扩散耦单元包括单元基座、由待研究材料制成的第一材料件和第二材料件；所述第一材料件和第二材料件相贴合叠置在所述单元基座内。

优选地，所述单元基座包括相对设置的第一基座和第二基座；所述第一材料件和第二材料件设置在所述第一基座和第二基座之间。

优选地，所述第一基座和第二基座相对的表面分别设有第一定位槽和第二定位槽；

所述第一材料件和第二材料件相背的一端分别容置定位在所述第一定位槽和第二定位槽内。

优选地，所述第一材料件的外周表面与所述第一定位槽的内壁面之间的间隙为0-0.5mm；

所述第二材料件的外周表面与所述第二定位槽的内壁面之间的间隙为 0-0.5mm。

优选地，所述第一基座的表面设有围绕在所述第一定位槽外围的第一凸台；

所述第二基座的表面设有围绕在所述第二定位槽外围的第二凸台。

优选地，所述单元基座为柱体结构，内部设有轴向延伸并贯穿其一端面的容置槽；

所述第一材料件和第二材料件设置在所述容置槽内，所述第二材料件与所述第一材料件相背的一面贴合所述容置槽的一内壁面，所述第一材料件与所述第二材料件相背的一面与所述容置槽的相对另一内壁面留有间隔；

所述间隔内设有弹性件，所述弹性件的两端分别抵接所述第一材料件和所述容置槽的内壁面。

优选地，所述容置槽的对应所述第一材料件和第二材料件相对两侧的内壁面设有内凹的槽缝。

优选地，所述单元基座的外周侧面与所述套筒之间间隙配合。

优选地，所述单元基座的外周侧面设有数个间隔分布的凸起。

优选地，所述第一端塞上设有贯穿其相对两端面的通孔，形成为所述套筒内充气的充气孔。

优选地，所述第一材料件为与燃料芯块相同材料的材料件；

所述第二材料件为与包壳管相同材料的材料件。

优选地，所述辐照装置还包括设置在所述第二端塞和相邻的所述扩散耦单元之间的隔热单元。

优选地，所述隔热单元为柱体或环体。

本发明的辐照装置，用于研究在辐照环境下的不同材料间的化学扩散作用，扩散耦单元中通过材料件在单元基座内的设置，避免材料件与套筒直接接触进行径向传热，提高套筒对扩散耦单元的径向传热的屏蔽效果，提高材料件交界面的温度控制精度，实现实验温度控制精确的目的。本发明的辐照装置结构简单，易加工及拆装，便于开展实验后的数据检测。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明第一实施例的辐照装置的剖面结构示意图；

图2是图1中第一基座的一种结构示意图；

图3是图1中第一基座的另一种结构示意；

图4是本发明第二实施例的辐照装置的剖面结构示意图；

图5是本发明第三实施例的辐照装置的剖面结构示意图

图6是图5中单元基座的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明第一实施例的用于研究材料间化学扩散作用的辐照装置，包括套筒11、设置在套筒11内的至少一个扩散耦单元12、设置在套筒11相对两端的第一端塞13和第二端塞14、弹性缓冲件15。

其中，扩散耦单元12整体的轴向与套筒11的轴向平行。具有多个扩散耦单元12时，多个扩散耦单元12沿套筒11的轴向设置在套筒11内。第一端塞13和第二端塞14在套筒11两端的设置将套筒11封闭，使套筒11内部形成一个密闭的空间，内部可充入氦气、氩气等惰性气体。扩散耦单元12(下端或者位于最下方的一扩散耦单元12)抵接第二端塞14。弹性缓冲件15设置在第一端塞13和对应的扩散耦单元12之间，两端分别抵接第一端塞13和扩散耦单元12，用于缓冲研究材料对象在辐照环境下因辐照肿胀或生长导致的轴向长度变化。

具体地，在套筒11的相对两端，第一端塞13和第二端塞14分别通过过盈配合等方式紧配合在套筒11的两个端口上。第一端塞13上可设置通孔(未图示)作为充气孔，将惰性气体充入套筒11内。通孔在充气完成后封闭。

多个扩散耦单元12沿套筒11的轴向依次叠置在套筒11内，使得多个扩散耦单元12依次邻接，可形成整体的扩散耦组件。扩散耦单元12包括单元基座、相贴合叠置并径向定位在单元基座内的第一材料件121和第二材料件 121。第一材料件121和第二材料件122由待研究材料制成，即为待研究其间化学扩散作用的两个研究材料对象；在核燃料领域，第一材料件121为与燃料芯块相同材料的材料件，第二材料件122为与包壳管相同材料的材料件，实现在辐照环境下对芯块-包壳化学扩散作用的研究，从而能够评估该种化学扩散作用对燃料系统的性能影响。

本实施例中，单元基座包括相对设置的第一基座123和第二基座124。第一材料件121和第二材料件122设置在第一基座123和第二基座124之间。其中，第一材料件121和第二材料件122以相对的一面贴合在一起，相背的一面分别定位在第一基座123和第二基座124上。

第一基座123和第二基座124的外周形状对应套筒11圆周形状设置，扩散耦单元12通过第一基座123和第二基座124的外周表面与套筒11的内周壁面相配合内置于套筒11内。

第一材料件121和第二材料件122的外径均小于第一基座123和第二基座124的外径。

为了定位第一材料件121，第一基座123朝向第二基座124的表面设有第一定位槽125；该第一定位槽125的形状对应第一材料件121的外周形状设置。同理，第二基座124朝向第一基座123的表面设有定位第二材料件122的第二定位槽126；第二定位槽126的形状对应第二材料件122的外周形状设置。

在第一基座123和第二基座124之间，第一材料件121和第二材料件122 相背的一端分别容置定位在第一定位槽125和第二定位槽126内。

为保证对研究材料对象的精确轴向定位，定位槽直径与研究材料对象外径之间采用间隙配合，即：第一材料件121与第一定位槽125之间、第二材料件122与第二定位槽126之间间隙配合。在不对辐照装置加工带来太大难度的情况下，第一材料件121的外周表面与第一定位槽125的内壁面之间的间隙优选为0-0.5mm，第二材料件122的外周表面与第二定位槽126的内壁面之间的间隙优选为0-0.5mm。

进一步地，如图1、2所示，第一基座123的表面设有围绕在第一定位槽 125外围的第一凸台127；第二基座124的表面设有围绕在第二定位槽126外围的第二凸台128。通过凸台设置，可以屏蔽扩散耦单元12的直接径向传热。具体地，凸台的设置，可在扩散耦单元12处形成空腔(第一基座123和第二基座124之间)，因为空腔内只存在一定量的惰性气体，所以空腔的传热能力很低，可以近似认为是绝热，因此，由研究材料对象中的核燃料材料产生的热量会首先由扩散耦单元12的轴向进行传递，传递到单元基座部位时，才会通过单元基座材料进行径向导热，这样就会极大的限值扩散耦单元12中核燃料芯块材料与包壳材料交界面温度范围，提高实验的可靠性。

此外，第一凸台127的与第一定位槽125内壁面相接的内侧面可以为斜面设置，形成导向斜面，对第一材料件121在第一基座123上的取放起到导向作用。同理，第二凸台128的与第二定位槽125内壁面相接的内侧面斜面设置形成导向斜面，对第二材料件122在第二基座124上的取放起到导向作用。

进一步地，为保证辐照装置的可装配性，扩散耦单元12的单元基座与套筒11之间间隙配合。另外，通过控制该间隙的大小，可以达到调整内部扩散耦单元12中第一材料件121和第二材料件122间交界面的温度的目的，提升实验灵活性。

如图2所示，其为图1中所示第一基座123一个实施方式的立体结构图。第一基座123为对应套筒11内周形状设置的柱体，如图示的圆柱体结构；第二基座124结构相同于该第一基座123。为了确保单元基座与套筒11之间的间隙配合，第一基座123和第二基座124通过在外径上小于套筒11内径的设置，在单元基座和套筒11之间形成间隙。

在间隙配合方式中，为了解决单元基座与套筒11之间的间隙在不同周向上间隙值不同，影响材料间交界面的温度的均匀性，可以在单元基座的外周侧面设置数个间隔分布的凸起，通过凸起的高度来精确控制单元基座与套筒 11之间的间隙，从而保证单元基座与套筒11之间的间隙在周向的均匀性。如图3所示，示出了第一基座123另一个实施方式的结构图，第一基座123的外周侧面设有数个间隔分布的凸起129，凸起129的端部抵接套筒11内壁面；第一基座123周向各处与套筒11之间的间隙值由凸起129在第一基座123侧面的凸出高度决定。

在套筒11内，多个扩散耦单元12叠置形成的扩散耦组件一端抵接一端上，另一端与另一端塞留有空间，为研究材料对象在辐照环境下因辐照肿胀或生长提供轴向空间。本实施例中，以第一端塞13为上端塞，第二端塞14 为下端塞，多个扩散耦单元12沿套筒11的轴向自下而上层叠在其中，位于上方的扩散耦单元12的第二基座124抵接在位于下方的的扩散耦单元12的第一基座123上方。

在套筒11内，位于最下方的扩散耦单元12抵接在第二端塞14上，位于最上方的扩散耦单元12与第一端塞13之间留有空间，弹性缓冲件15设置在该空间内，其伸缩方向上的两端分别抵接扩散耦单元12和第一端塞13，起到缓冲作用。弹性缓冲件15可采用弹簧。当然，弹性缓冲件15也可以采用其他适用的弹性件代替。

如图4所示，本发明第二实施例的用于研究材料间化学扩散作用的辐照装置，包括套筒21、设置在套筒21内的至少一个扩散耦单元22、设置在套筒21相对两端的第一端塞23和第二端塞24、弹性缓冲件25。

其中，扩散耦单元22沿套筒21的轴向设置在套筒21内。第一端塞23 和第二端塞24在套筒21两端的设置将套筒21封闭，使套筒21内部形成一个密闭的空间，内部可充入氦气、氩气等惰性气体。扩散耦单元22(下端或者位于最下方的一扩散耦单元22)抵接第二端塞24。弹性缓冲件25设置在第一端塞23和相邻的扩散耦单元22之间，两端分别抵接第一端塞23和扩散耦单元22，用于缓冲研究材料对象在辐照环境下因辐照肿胀或生长导致的轴向长度变化。

套筒21、扩散耦单元22、第一端塞23、第二端塞24和弹性缓冲件25的设置均可参考上述第一实施例相关所述。

进一步地，为了便于向套筒21内充入惰性气体，第一端塞23上设有贯穿其相对两端面的通孔230，形成为套筒11内充气的充气孔。在完成充气后将通孔230封闭。

此外，扩散耦单元22中，第一基座223和第二基座224在结构上可相同设置，因此可以将分属于两个扩散耦单元22的第一基座223和第二基座224 一体设置形成一个整体基座，使得在套筒21内，位于上方的扩散耦单元22 与位于下方的的扩散耦单元22共用一个整体基座，该整体基座的两侧分别定位两个扩散耦单元22的材料件(第一材料件321和第二材料件322)。

进一步地，本实施例的辐照装置还包括隔热单元26，设置在第二端塞24 和相邻的扩散耦单元22之间，主要为了限制扩散耦单元22向第二端塞24传热，从而保证各个扩散耦单元22的温度的均匀性。

隔热单元26采用低热导率材料，如氧化锆陶瓷制成。隔热单元26可以为柱体或环体等结构。

如图5所示，本发明第三实施例的用于研究材料间化学扩散作用的辐照装置，包括套筒31、设置在套筒31内的至少一个扩散耦单元32、设置在套筒31相对两端的第一端塞33和第二端塞34、弹性缓冲件35。

其中，扩散耦单元32沿套筒31的轴向设置在套筒31内。第一端塞33 和第二端塞34在套筒31两端的设置将套筒31封闭，使套筒31内部形成一个密闭的空间，内部可充入氦气、氩气等惰性气体。弹性缓冲件35设置在第一端塞33和相邻的扩散耦单元32之间，两端分别抵接第一端塞33和扩散耦单元32，用于缓冲研究材料对象在辐照环境下因辐照肿胀或生长导致的轴向长度变化。

套筒31、第一端塞33、第二端塞34和弹性缓冲件35的设置可参考上述第一实施例，在此不再赘述。

扩散耦单元32包括单元基座323、相贴合叠置并径向定位在单元基座323 内的第一材料件321和第二材料件322。

不同于上述第一、第二实施例中两个材料件以轴线与套筒的轴线相平行放置，本实施例中，第一材料件321和第二材料件322以其轴线垂直套筒31 的轴线定位在单元基座323并置于套筒31内，从而能够完全消除材料件交界面(如芯块-包壳交界面)的温度梯度，这样在后期的堆内辐照工况也更容易控制和达成。

具体地，如图5、6所示，单元基座323为柱体结构，其外周对应套筒31 内周形状设置，如均为圆柱体。该单元基座323内部设有沿其轴向延伸并贯穿单元基座323的一端面的容置槽320，第一材料件321和第二材料件322叠置形成材料组件后竖直置入于该容置槽320内。

容置槽320与第一材料件321和第二材料件322之间留有空间，作为缓冲空间为后续研究材料对象在辐照环境下辐照肿胀或生长提供空间。

其中，第一材料件321和第二材料件322叠置形成材料组件在容置槽320 内与容置槽320的一个侧面相贴合，如第二材料件322以相背于第一材料件 321的一面与容置槽320的一内壁面相贴合抵接，第一材料件321与第二材料件322相背的一面则与容置槽320的相对另一内壁面之间留有间隔，该间隔作为缓冲空间。

对此，扩散耦单元32还包括弹性件324，起到缓冲作用。弹性件324设置在第一材料件321和容置槽320之间，即位于上述的间隔内，弹性件324 的两端分别抵接第一材料件321和容置槽320的对应内壁面。

弹性件324可采用波簧或者其他弹性机构，波簧施加一定的力于材料件上，从而保证在整个辐照期间第一材料件321与第二材料件322始终接触。

进一步，在对应第一材料件321和第二材料件322相对两侧(如材料件径向方向上)的容置槽320的内壁面上设有内凹的槽缝325，槽缝325具有如下作用：一是阻止材料件热量沿其圆周面传导，从而彻底消除交界面处的温度梯度；二是用于辐照后，便于将材料件从容置槽320中取出，辐照完毕后，压缩弹性件324后即可取出材料件进行后续PIE(辐照后检查)。

另外，本实施例的单元基座323，其外周侧面与套筒31之间间隙配合，保证辐照装置的可装配性。通过控制该间隙的大小，可以达到调整内部扩散耦单元32中第一材料件321和第二材料件322间交界面的温度的目的，提升实验灵活性。单元基座321的外周侧面进一步可通过设置数个间隔分布的凸起(未图示)，保证单元基座321与套筒31之间的间隙在周向的均匀性.

本发明的辐照装置使用时，根据需要将一个或多个扩散耦单元置于套筒内，并通过第一端塞和第二端塞将套筒封闭，充入惰性气体后即可进行辐照实验；完成辐照实验后取出材料件进行后续PIE(辐照后检查)。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (13)

1.一种用于研究材料间化学扩散作用的辐照装置，其特征在于，包括套筒、设置在所述套筒相对两端的第一端塞和第二端塞、设置在所述套筒内并抵接所述第二端塞的至少一个扩散耦单元、抵接在所述第一端塞和所述扩散耦单元之间的弹性缓冲件；

所述第一端塞上设有贯穿其相对两端面的通孔，形成为所述套筒内充入惰性气体的充气孔，所述通孔在充气完成后封闭；

所述扩散耦单元的轴向与所述套筒的轴向平行；所述扩散耦单元包括单元基座、由不同的待研究材料制成的第一材料件和第二材料件；所述第一材料件和第二材料件相贴合叠置在所述单元基座内；

所述单元基座包括相对设置的第一基座和第二基座；所述第一材料件和第二材料件设置在所述第一基座和第二基座之间；所述第一基座和第二基座相对的表面分别设有第一定位槽和第二定位槽；所述第一材料件和第二材料件相背的一端分别容置定位在所述第一定位槽和第二定位槽内；

所述第一基座的表面设有围绕在所述第一定位槽外围的第一凸台，所述第二基座的表面设有围绕在所述第二定位槽外围的第二凸台，所述第一凸台和第二凸台的设置，在所述第一基座和第二基座之间形成空腔。

2.根据权利要求1所述的辐照装置，其特征在于，所述第一材料件的外周表面与所述第一定位槽的内壁面之间的间隙为0-0.5mm；

所述第二材料件的外周表面与所述第二定位槽的内壁面之间的间隙为0-0.5mm。

3.根据权利要求1所述的辐照装置，其特征在于，所述单元基座的外周侧面与所述套筒之间间隙配合，并且间隙大小可控以调整所述第一材料件和第二材料件间交界面的温度。

4.根据权利要求1所述的辐照装置，其特征在于，所述单元基座的外周侧面设有数个间隔分布的凸起。

5.根据权利要求1-4任一项所述的辐照装置，其特征在于，所述第一材料件为与燃料芯块相同材料的材料件；

所述第二材料件为与包壳管相同材料的材料件。

6.根据权利要求1-4任一项所述的辐照装置，其特征在于，所述辐照装置还包括设置在所述第二端塞和相邻的所述扩散耦单元之间的隔热单元。

7.根据权利要求6所述的辐照装置，其特征在于，所述隔热单元为柱体或环体。

8.一种用于研究材料间化学扩散作用的辐照装置，其特征在于，包括套筒、设置在所述套筒相对两端的第一端塞和第二端塞、设置在所述套筒内并抵接所述第二端塞的至少一个扩散耦单元、抵接在所述第一端塞和所述扩散耦单元之间的弹性缓冲件；

所述第一端塞上设有贯穿其相对两端面的通孔，形成为所述套筒内充入惰性气体的充气孔，所述通孔在充气完成后封闭；

所述扩散耦单元包括单元基座、由不同的待研究材料制成的第一材料件和第二材料件；所述第一材料件和第二材料件相贴合叠置在所述单元基座内；

所述单元基座为柱体结构，内部设有轴向延伸并贯穿其一端面的容置槽；所述第一材料件和第二材料件竖直设置在所述容置槽内，所述第二材料件与所述第一材料件相背的一面贴合所述容置槽的一内壁面，所述第一材料件与所述第二材料件相背的一面与所述容置槽的相对另一内壁面留有间隔；所述间隔内设有弹性件，所述弹性件的两端分别抵接所述第一材料件和所述容置槽的内壁面；所述容置槽的对应所述第一材料件和第二材料件相对两侧的内壁面设有内凹的槽缝。

9.根据权利要求8所述的辐照装置，其特征在于，所述单元基座的外周侧面与所述套筒之间间隙配合，并且间隙大小可控以调整所述第一材料件和第二材料件间交界面的温度。

10.根据权利要求8所述的辐照装置，其特征在于，所述单元基座的外周侧面设有数个间隔分布的凸起。

11.根据权利要求8-10任一项所述的辐照装置，其特征在于，所述第一材料件为与燃料芯块相同材料的材料件；

所述第二材料件为与包壳管相同材料的材料件。

12.根据权利要求8-10任一项所述的辐照装置，其特征在于，所述辐照装置还包括设置在所述第二端塞和相邻的所述扩散耦单元之间的隔热单元。

13.根据权利要求12所述的辐照装置，其特征在于，所述隔热单元为柱体或环体。

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