CN111540491B - 一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置及其使用方法 - Google Patents

一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置及其使用方法，所述实验装置包括驱动机构、燃料棒和惰化室；所述惰化室内设置有电磁冷坩埚，所述电磁冷坩埚内设置有非放原型熔融物，通过加热使电磁冷坩埚内形成熔融池；所述燃料棒为可拆卸式的中空结构，所述燃料棒内装载有非放原型熔融物和源项；所述驱动机构上设置有驱动导杆，通过驱动导杆用于夹紧燃料棒将燃料棒插入熔融池内。本发明所述实验装置不带放射性，并且接近真实的释放环境，同时可控制源项反应温度和释放时间，并易于操作。

Description

一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及严重事故实验技术领域，具体涉及一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置及其使用方法。
背景技术
与非核的工业设施事故相比，核反应堆严重事故的特殊性在于放射性裂变产物(源项)可能释放到环境并产生放射性后果。核反应堆产生的源项主要积聚在燃料芯块与包壳的间隙，以及燃料芯块的晶间中。当核反应堆发生严重事故后，堆芯得不到冷却，在衰变热的作用下，燃料元件包壳会发生破损，间隙中的源项会迅速释放。随着温度进一步升高，燃料芯块发生熔化，晶间的易挥发性元素会快速释放出来，不易挥发元素随着熔化芯块进入熔融池，在熔融池中发生迁移释放。源项的释放量是堆芯严重事故缓解控制措施的基础性关键参数，目前大多采用理论估算源项释放量来做反应堆的安全评价，具有一定的不确定性。而实验研究因为燃料元件和源项都带有放射性，难以采用原型燃料元件开展源项释放实验研究。采用非放燃料元件和非放源项，又难以模拟源项的释放过程。因此亟需创新源项释放特性研究的实验方法。
目前针对严重事故燃料棒中源项释放特性研究的实验方法，国际上主要有两种，一种采用乏燃料元件，直接熔化乏燃料元件，研究燃料元件熔化过程中源项的释放特性，该实验方法带有放射性，使得实验研究受到较大局限性；另一种方法采用非放燃料元件同位素粉末(UO2、ZrO2、Zr、不锈钢等)与难挥发非放源项粉末(Mo、Ru、La2O3、CeO2、SrCO3、BaO2等)混合，然后一起熔化，研究难挥发性源项的释放特性，该方法仅能研究难挥发性源项在严重事故中的释放特性。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种不带放射性，并且接近真实的释放环境，同时可控制源项反应温度和释放时间，并易于操作的装置及其使用方法，以解决现有针对严重事故燃料棒中源项释放特性研究的缺陷。
本发明通过下述技术方案实现：
一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置，包括驱动机构、燃料棒和惰化室；
所述惰化室内设置有电磁冷坩埚，所述电磁冷坩埚内设置有非放原型熔融物，通过加热使电磁冷坩埚内形成熔融池；
所述燃料棒为可拆卸式的中空结构，所述燃料棒内装载有非放原型熔融物和源项；
所述驱动机构上设置有驱动导杆，通过驱动导杆用于夹紧燃料棒将燃料棒插入熔融池内。
本发明所述燃料棒为可拆卸式的中空结构，可根据研究需要装载一定比例的非放原型熔融物和源项，为研究不同源项释放特性提供前提条件；所述驱动机构，可控制燃料棒的插入温度和插入时间，可为研究不同温度条件下源项释放特性提供手；所述熔融池由非放原型熔融(238UO2、ZrO2、Zr、不锈钢等)物通过电磁冷坩埚技术熔化形成，最高温度可达3000℃，可为释放后的源项提供反应场所；燃料棒插入熔融池后，熔融池对燃料棒进行加热，封存在燃料棒中的熔融物和源项发生相互作用，待燃料棒破损后，相互作用后的熔融物和源项释放出来；所述惰化室为熔融池的形成过程和燃料棒在熔融池加热破损过程提供惰化环境，并可防止高温熔融池以及源项释放到环境中。
真实情况为：燃料在裂变过程中，产生的裂变源项积聚在燃料芯块与包壳的间隙，以及燃料芯块的晶间，严重事故发生后，燃料芯块与源项发生相互作用，包壳破损后，源项释放出来，易挥发源项释放至空腔，不易挥发源项释放在熔融池中。
本发明将原型熔融物和源项密封在燃料棒内，燃料棒在熔融池加热下，原型熔融物与源项发生相互作用，待燃料棒破损后，源项在熔融池中释放出来，易挥发源项释放至空腔，不易挥发源项释放在熔融池中。
可见，本发明的实验过程接近严重事故真实源项释放过程。
本发明燃料棒内采用非放原型熔融物和非放源项，熔融池由非放原型熔融物熔化形成，整个实验过程无放射性，降低了实验的难度；且由于燃料棒为可拆卸式的中空结构，可按照堆型和燃耗确定装载在燃料棒内的原型熔融物和源项比例，以及熔融池中原型熔融物的比例可研究不同堆型和燃耗中各种源项元素的释放特性，并且接近真实的释放环境，易于操作。
总之，本装置可在非放条件下，可接近真实释放环境，开展严重事故源项释放特性研究，实验装置设计合理，结构简单，操作方便，降低了实验难度。
进一步地，燃料棒包括通过螺纹连接的壳体和端盖。
进一步地，驱动机构设置在惰化室上方，所述驱动导杆穿过惰化室顶部的通孔，所述驱动导杆与惰化室之间通过机械贯穿件a密封。
进一步地，电磁冷坩埚上设置有电源导线和冷却水管道，所述电源导线和冷却水管道的端部均穿出惰化室。
进一步地，电源导线和惰化室之间通过电气贯穿件密封。
进一步地，冷却水管道和惰化室之间通过机械贯穿件b密封。
进一步地，燃料棒的材料与其内部装载的非放原型熔融物和源项材料匹配。
一种采用棒状燃料源项释放特性研究实验装置的使用方法，包括以下步骤：
1)、根据堆型和燃耗，将原型熔融物和源项按比例装载在燃料棒内进行密封；
2)、将驱动导杆与燃料棒连接；
3)、按照研究需求，将一定比例的原型熔融物装在电磁冷坩埚内，将电磁冷坩埚放在惰化室内；
4)、当惰化室为惰化环境后，电磁冷坩埚加热使原型熔融物熔化形成熔融池，达到实验温度后，保温；
5)、通过驱动机构将燃料棒插入熔融池中，持续保温，直到燃料棒破损，释放出源项。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的燃料棒内采用非放原型熔融物和非放源项，熔融池由非放原型熔融物熔化形成，整个实验过程无放射性，降低了实验的难度。
2、本发明可按照堆型和燃耗确定装载在燃料棒内的原型熔融物和源项比例，以及熔融池中原型熔融物的比例，采用实验装置可研究不同堆型和燃耗中各种源项元素的释放特性，增加了实验装置的通用性。
3、本发明所述棒驱动机构控制燃料棒上下移动，可根据熔融池温度，选择插入燃料棒的时间，为研究不同温度条件下源项释放特性提供了手段。
4、本发明所述驱动导杆和惰化室之间采用机械贯穿件方式密封，电磁冷坩埚电源导线和冷却水管道与惰化室之间采用电气贯穿件和机械贯穿件密封，可充分保证惰化室内的惰化状态。
5、本发明所述惰化室为原型熔融物熔化过程和源项释放过程提供惰化环境，防止外部空气等进入惰化室与原型熔融物和源项发生反应，影响实验结果。
6、本发明所述的实验装置结构简单，操作方便。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实验装置的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-驱动机构，2-驱动导杆，3-机械贯穿件a，4-燃料棒，5-电磁冷坩埚，6-熔融池，7-电气贯穿件，8-电源导线，9-冷却水管道，10-机械贯穿件b，11-惰化室。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置，包括驱动机构1、燃料棒4和惰化室11，所述燃料棒4的材料与其内部装载的非放原型熔融物和源项材料匹配；
所述惰化室11内设置有电磁冷坩埚5，所述电磁冷坩埚5内设置有非放原型熔融物，所述电磁冷坩埚5上设置有电源导线8和冷却水管道9，所述电源导线8和冷却水管道9的端部均穿出惰化室11，所述电源导线8和惰化室11之间通过电气贯穿件7密封，述冷却水管道9和惰化室11之间通过机械贯穿件b10密封，通过加热使电磁冷坩埚5内形成熔融池6；
所述燃料棒4为可拆卸式的中空结构，具体地，所述燃料棒4包括通过螺纹连接的壳体和端盖，所述燃料棒4内装载有非放原型熔融物和源项；
所述驱动机构1上设置有驱动导杆2，通过驱动导杆2用于夹紧燃料棒4将燃料棒4插入熔融池6内所述驱动机构1设置在惰化室11上方，所述驱动导杆2穿过惰化室11顶部的通孔，所述驱动导杆2与惰化室11之间通过机械贯穿件a 3密封。
在本实施例中，以燃料棒4为高熔点ZrO2空心管进行说明，所述ZrO2空心管内按照研究需求装载一定比例的非放原型熔融物(238UO2、ZrO2、Zr)和非放源项同位素(I、Cs、Mo、Ru、La、Ce、Sr、Ba等)，其操作过程如下：拆开ZrO2空心管，将原型熔融物和源项装在空心管内，再采用螺纹连接方式密封形成研究需求燃料棒4；燃料棒4上部周向设置定位槽，燃料棒4与驱动机构1通过驱动导杆2以夹紧方式连接在一起；驱动导杆2穿过惰化室11，通过机械贯穿件a 3进行密封；驱动机构1通过电机驱动，可控制燃料棒4插入熔融池6中的温度和时间；按照研究需求，将一定比例的原型熔融物装在电磁冷坩埚5内，将电池冷坩埚5放在惰化室11内，将电源导线8和冷却水管道9分别与电气贯穿件7和机械贯穿件b 10连接好；当惰化室11为惰化环境后，开始用电磁冷坩埚5加热原型熔融物形成熔融池6，达到实验温度后，保温，通过驱动机构1将燃料棒4插入到熔融池6中；持续保温，待燃料棒4破损，释放出源项。
经过在某源项释放特性实验中使用，发现实验装置操作方便，能够达到预期功能。因此本发明非常适合棒状燃料源项释放特性实验研究。
在本实施例中，驱动机构1用于控制源项的反应温度和释放时间；ZrO2空心管用于为原型熔融物和源项相互作用提供反应场所；熔融池6用于为源项反应提供热源和释放后源项反应提供场所；惰化室11用于为熔融池6形成过程和源项反应过程提供惰性环境；机械贯穿件a 3、机械贯穿件b 10、电气贯穿件7用于密封，为惰化室11内提供惰化环境。本实施例所述装置可以有效的开展非放源项释放特性试验，接近源项真实释放环境，系统设计合理，结构简单，成本较低，操作方便，并可控制源项的反应温度和释放时间。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置，其特征在于，包括驱动机构(1)、燃料棒(4)和惰化室(11)；
所述惰化室(11)内设置有电磁冷坩埚(5)，所述电磁冷坩埚(5)内设置有非放原型熔融物，通过加热使电磁冷坩埚(5)内形成熔融池(6)；
所述燃料棒(4)为可拆卸式的中空结构，所述燃料棒(4)内装载有非放原型熔融物和源项；
所述驱动机构(1)上设置有驱动导杆(2)，通过驱动导杆(2)用于夹紧燃料棒(4)将燃料棒(4)插入熔融池(6)内。
2.根据权利要求1所述的一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置，其特征在于，所述燃料棒(4)包括通过螺纹连接的壳体和端盖。
3.根据权利要求1所述的一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置，其特征在于，所述驱动机构(1)设置在惰化室(11)上方，所述驱动导杆(2)穿过惰化室(11)顶部的通孔，所述驱动导杆(2)与惰化室(11)之间通过机械贯穿件a(3)密封。
4.根据权利要求1所述的一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置，其特征在于，所述电磁冷坩埚(5)上设置有电源导线(8)和冷却水管道(9)，所述电源导线(8)和冷却水管道(9)的端部均穿出惰化室(11)。
5.根据权利要求4所述的一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置，其特征在于，所述电源导线(8)和惰化室(11)之间通过电气贯穿件(7)密封。
6.根据权利要求4所述的一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置，其特征在于，所述冷却水管道(9)和惰化室(11)之间通过机械贯穿件b(10)密封。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种棒状燃料源项释放特性研究实验装置，其特征在于，所述燃料棒(4)的材料与其内部装载的非放原型熔融物和源项材料匹配。
8.一种采用权利要求1-7任一项所述棒状燃料源项释放特性研究实验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、根据堆型和燃耗，将原型熔融物和源项按比例装载在燃料棒(4)内进行密封；
2)、将驱动导杆(2)与燃料棒(4)连接；
3)、按照研究需求，将一定比例的原型熔融物装在电磁冷坩埚(5)内，将电磁冷坩埚(5)放在惰化室(11)内；
4)、当惰化室(11)为惰化环境后，电磁冷坩埚(5)加热使原型熔融物熔化形成熔融池(6)，达到实验温度后，保温；
5)、通过驱动机构(1)将燃料棒(4)插入熔融池(6)中，持续保温，直到燃料棒(4)破损，释放出源项。
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