CN111562282A - 一种模拟高温下熔融物瞬态反应的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种模拟高温下熔融物瞬态反应的试验装置及方法，包括设置于外罩内的水冷坩埚、加热系统、辅助系统和设置于外罩外的测量系统、气氛控制系统；能够实现熔融物在高纯度条件下的非接触式，并且通过分区加热模式，保证试验进程与实际的进程保持一致。通过对不同反应时间下熔融物进行取样，可以研究熔融氧化物和金属之间的反应进程，获得可能的熔融物状态。该熔融物状态对于评价IVR策略的有效性，提升反应堆的安全性具有支撑作用。
Description
技术领域
本发明属于压水堆核电厂的严重事故缓解措施领域，特别是涉及采用堆内熔融物滞留措施技术领域。
背景技术
熔融物堆内滞留措施(IVR)是目前最有前景、最重要的反应堆严重事故缓解策略之一。该措施通过平衡压力容器内熔融物对壁面的热流密度和压力容器外的临界热流密度(CHF)，来保证压力容器在事故下的完整性。如果IVR策略能够成功实施，则熔融物无法对安全壳底部构成挑战，从而防止了事故下裂变产物的大量释放，有利于公众和环境的安全。
IVR策略的开发及应用涉及到大量的基础性研究，其中需要对熔融的氧化物(以二氧化铀、二氧化锆为主)和金属(锆金属、铁金属)之间的相互反应过程开展研究，以确定严重事故条件后下沉至压力容器内下封头的熔融物状态。该基础研究是保证IVR策略成功并进一步提高IVR策略有效性的关键技术之一。不同的熔融物状态会对压力容器壁面施加不同的热负荷条件。如果局部的热负荷过大，超过了当地所能承受的上限，即热流密度大于外壁面的临界热流密度(CHF)值，则可能导致IVR策略失效。
熔融氧化物和金属相互反应一般采用试验方法开展研究，需要满足如下条件：1)保证物质处于熔化状态：金属物～1800K、氧化物～3000K；2)试验工质必须有较高的纯度，没有杂质污染试验工质；3)实现分区加热：氧化物内有加热源、金属通过接触式加热实现熔化。由于熔融氧化物和金属的熔点均较高，采用传统的加热方式，如电加热，将导致加热设备受损，承载熔融物的容器本体发生熔化，污染试验工质。采用先进的非接触式加热设备，如感应加热，将导致主要的热源集中在金属中，氧化物几乎不被加热，与实际条件不符。
本发明针对下封头实际的熔融物特性，考虑了氧化物和金属之间的瞬态反应过程，给出了一种可有效模拟该过程的试验方法。基于该试验方法，提出了推荐的试验装置，用于明确严重事故条件下合适的下封头熔融物形态，以开发设计IVR策略并应用于核电厂中，提高核电的安全性。
发明内容
本发明的目的是提出一种模拟高温下熔融物瞬态反应的试验装置及方法，该方法利用高频电源的感应特性实现非接触式加热、利用金属的感磁性实现磁场的屏蔽、利用升降设备实现熔融物的分区加热、利用水冷坩埚和氧化物粉末的低导热性实现试验工质在过程中的无污染加热。具体而言，该装置包括设置于外罩内的水冷坩埚、加热系统、辅助系统和设置于外罩外的测量系统、气氛控制系统；
所述水冷坩埚为高温熔融物的承载容器，所述水冷坩埚由冷却水管形成侧壁，所述水冷坩埚由冷却盘为底部；
所述加热系统包括高频电源和绕坩埚线圈组；所述高频电源产生的高频率电流穿过所述绕坩埚线圈组，在所述绕坩埚线圈组周围形成高频磁场；
所述测量系统用于对试验介质表面温度的测量和监测；
所述辅助系统包括电磁感应屏蔽板、升降装置、二次投料盒和捣料装置；所述电磁感应屏蔽板位于所述绕坩埚线圈组的顶部，由能够吸收高频电磁能的材料组成；所述升降装置用于调整熔融后试验介质液面与所述电磁感应屏蔽板之间的位置，控制加热区域；所述二次投料盒用于提供参与反应的试验介质；所述捣料装置可对试验介质加热过程中喷溅凝固在壁面上的物质捣碎，使其重新回到加热区；
所述气氛控制系统控制通过真空泵抽气和惰性气罐排气实现对装置内氧气分压的控制。
优选的，所述冷却水管之间留有细缝，所述细缝采用二氧化铀粉末或者二氧化锆粉末或两者的混合物填充。
优选的，所述测量系统由红外测温仪通过设置在外罩顶部的耐高温观察窗对装置进行测量。
本发明还提供了一种模拟高温下熔融物瞬态反应的试验方法，步骤如下：
水冷坩埚的制备：取适量二氧化锆或二氧化铀粉末均匀混合后，敷在所述水冷坩埚的所述冷却水管表面和所述冷却盘表面，填满缝隙，形成坩埚；
工质装载：将压块好的氧化物工质放入所述水冷坩埚中，用于初始氧化物的启熔；金属块工质放置在所述二次投料盒中备用；
气氛控制：所述外罩盖完毕后，使用所述真空泵进行抽气，再打开所述惰性气罐充入惰性气体；
氧化物启熔：启动所述冷却水管保持管内冷却水处于循环换热状态；再启动所述高频电源，并缓慢提升所述高频电源功率，直至氧化物工质熔化；
温度监测：采用位于试验装置顶部的所述红外测温仪对装置内的氧化物工质的顶部温度进行监测；
加热区的控制和调整：采用所述捣料装置对喷溅的氧化物工质进行疏通，使得其重新返回加热区；通过所述升降装置提升所述水冷坩埚的整体高度，使得熔融的氧化物工质液面略高于所述电磁感应屏蔽板；
金属二次投料：当氧化物工质液面保持稳定平整后，则通过所述投料盒释放参与反应的金属；
瞬态反应过程研究：通过调整所述水冷坩埚的高度控制氧化物工质与金属表面之间产生的硬壳厚度；
取料及后处理过程：通过断开所述高频电源，将所述冷却水管的中的冷却水流量提升至最高档位，快速冷却熔融物，固化熔融物在高温下的结构。
优选的，所述氧化物工质中心高度处预埋有感磁性好的金属块，呈环形布置，以提高其形成环形电流的几率。
优选的，在所述水冷坩埚的制备步骤中，所述二氧化锆或二氧化铀粉末中可添加极少量的硅酸盐溶液。
优选的，所述水冷坩埚在高温下经过长时间烘烤，蒸发其中的水汽。
本发明提出了一种模拟高温下熔融物瞬态反应的试验装置及方法，利用本发明提出的方法和设计的试验装置，能够实现熔融物在高纯度条件下的非接触式，并且通过分区加热模式，保证试验进程与实际的进程保持一致。通过对不同反应时间下熔融物进行取样，可以研究熔融氧化物和金属之间的反应进程，获得可能的熔融物状态。该熔融物状态对于评价IVR策略的有效性，提升反应堆的安全性具有支撑作用。
附图说明
图1为用于模拟下封头熔融物瞬态反应过程的试验装置正视图；
图2为用于模拟下封头熔融物瞬态反应过程的试验装置俯视图；
图3为添加金属参与反应后的试验装置。
其中：1—试验反应工质，初始状态为压块后的氧化物和金属，试验过程中为熔融状态；2—保温材料，一般为二氧化锆和二氧化铀粉末；3—线圈；4—电磁感应屏蔽板，一般为铜；5—二次投料盒；6—冷却水环路，入口；7—冷却水环路，出口；8—升降装置；9—红外测温仪；10—捣料装置；11—外罩；12—真空泵；13—惰性气体；14—氧化物顶部的硬壳；15—参与反应的金属块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明所设计的试验装置主体包括坩埚、加热系统、测量系统、辅助系统、控制系统组成。具体的试验方法提议如下：
1)试验工质的准备：根据试验要求，确定氧化物和金属的质量和成份。一部分氧化物研磨成粉末，另一部分氧化物压块成形。金属则取块状结构。另外准备极少量的、感磁性较好的金属，加工成环状，用于氧化物的启熔；
2)坩埚的制备：取适量二氧化锆或二氧化铀粉末，添加极少量的硅酸盐溶液，均匀混合后，敷在侧壁方向上的冷却水管表面和底部冷却盘表面，并填满缝隙，形成坩埚。该坩埚在高温下经过长时间烘烤，蒸发其中的水汽。
3)工质装载：将压块好的氧化物工质放入坩埚中，将感磁性好的金属环预埋在氧化物的中心高度处，以提高其形成环形电流的几率，用于初始氧化物的启熔。金属块则放置在二次投料盒中，以备用。
4)气氛控制：装置外罩盖完毕后，使用真空泵进行抽气，再打开惰性气体的管线隔离阀充入惰性气体。经过多次的充排措施，降低试验装置中的氧气分压，提高惰性气体分压，形成惰性环境，防止金属在试验过程中燃烧。
5)氧化物启熔：启动冷却水管中的冷却水，保持冷却水处于循环换热状态。启动高频电源，并缓慢提升电源功率，直至氧化物熔化。
6)试验过程的温度监测：采用位于试验装置顶部的红外测温仪对氧化物顶部的温度进行监测。如果顶部温度大于3000K，代表氧化物已发生熔化，可适当稳定或者降低电源功率，以维持氧化物处于熔融的稳定状态。
7)加热区的控制和调整：由于氧化物在加热过程中会出现一定的熔喷现象，部分熔融物喷溅至坩埚壁面后发生了凝固。这会使得熔融物在取样之后出现空穴，故采用捣料装置对喷溅的氧化物进行疏通，使得其重新返回加热区。另外，由于熔融物熔化之后将填补原有水冷坩埚内的空隙，故出现熔融液面降低的现象。现通过升降装置提升水冷坩埚的整体高度，使得熔融的氧化物液面略高于电磁感应屏蔽板，从而减少后续添加金属的加热几率。
8)金属二次投料过程：当氧化物液面已保持稳定平整，则通过上部的投料盒释放参与反应的金属。金属的熔点相对较低，可以通过与高温氧化物之间的热传导熔化，从而形成顶部为液态金属、底部为液态氧化物，内热源集中在氧化物中的熔融池结构。该结构与实际的熔融物反应过程是类似的。
9)瞬态反应过程研究：由于氧化物的熔点相对较低，其与金属之间会形成硬壳。通过调整水冷坩埚的高度，可以控制硬壳的厚度，研究金属穿过不同厚度的硬壳与氧化物反应的行为。同时，在金属下落后的不同时间下终止试验进程，可以研究不同时间下的反应结果以及熔融池构型。
10)取料及后处理过程：当试验达到指定的反应时间时，通过断开高频电源，将冷却水的流量提升至最高档位，快速冷却熔融物，固化熔融物在高温下的结构。后续通过取料、成份检测、金相分析来研究金属穿过硬壳与熔融氧化物之间的反应现象。不同反应时间将导致穿过硬壳与氧化物反应的金属质量有所变化，从而了解严重事故条件下熔融物形态随着时间的变化。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种模拟高温下熔融物瞬态反应的试验装置，其特征在于包括设置于外罩内的水冷坩埚、加热系统的绕坩埚线圈组、辅助系统和设置于外罩外的加热系统高频电源、测量系统、气氛控制系统；
所述水冷坩埚为高温熔融物承载容器，所述水冷坩埚由冷却水管形成侧壁，所述水冷坩埚由冷却盘为底部；
所述加热系统包括高频电源和绕坩埚线圈组；所述高频电源产生的高频率电流穿过所述绕坩埚线圈组，在所述绕坩埚线圈组周围形成高频磁场；
所述测量系统用于对试验介质表面温度的测量和监测；
所述辅助系统包括电磁感应屏蔽板、升降装置、二次投料盒和捣料装置；所述电磁感应屏蔽板位于所述绕坩埚线圈组的顶部，由能够吸收高频电磁能的材料组成；所述升降装置用于调整熔融后试验介质液面与所述电磁感应屏蔽板之间的位置，控制加热区域；所述二次投料盒用于提供参与反应的试验介质；所述捣料装置可对试验介质加热过程中喷溅凝固在壁面上的物质捣碎，使其重新回到加热区；
所述气氛控制系统控制通过真空泵抽气和惰性气罐排气实现对装置内氧气分压的控制。
2.如权利要求1所述的一种模拟高温下熔融物瞬态反应的试验装置，其特征在于，所述冷却水管之间留有细缝，所述细缝采用二氧化铀粉末或者二氧化锆粉末或两者的混合物填充。
3.如权利要求1所述的一种模拟高温下熔融物瞬态反应的试验装置，其特征在于，所述测量系统由红外测温仪通过设置在外罩顶部的耐高温观察窗对装置进行测量。
4.一种模拟高温下熔融物瞬态反应的试验方法，其特征在于包括如权利要求1所述一种模拟高温下熔融物瞬态反应的试验装置；
水冷坩埚的制备：取适量二氧化锆或二氧化铀粉末均匀混合后，敷在所述水冷坩埚的所述冷却水管表面和所述冷却盘表面，填满缝隙，形成坩埚；
工质装载：将压块好的氧化物工质放入所述水冷坩埚中，用于初始氧化物的启熔；金属块工质放置在所述二次投料盒中备用；
气氛控制：所述外罩盖完毕后，使用所述真空泵进行抽气，再打开所述惰性气罐充入惰性气体；
氧化物启熔：启动所述冷却水管保持管内冷却水处于循环换热状态；再启动所述高频电源，并缓慢提升所述高频电源功率，直至氧化物工质熔化；
温度监测：采用位于试验装置顶部的所述红外测温仪对装置内的氧化物工质的顶部温度进行监测；
加热区的控制和调整：采用所述捣料装置对喷溅的氧化物工质进行疏通，使得其重新返回加热区；通过所述升降装置提升所述水冷坩埚的整体高度，使得熔融的氧化物工质液面略高于所述电磁感应屏蔽板；
金属二次投料：当氧化物工质液面保持稳定平整后，则通过所述投料盒释放参与反应的金属；
瞬态反应过程研究：通过调整所述水冷坩埚的高度控制氧化物工质与金属表面之间产生的硬壳厚度；
取料及后处理过程：通过断开所述高频电源，将所述冷却水管的中的冷却水流量提升至最高档位，快速冷却熔融物，固化熔融物在高温下的结构。
5.如权利要求4所述一种模拟高温下熔融物瞬态反应的试验方法，其特征在于，所述氧化物工质中心高度处预埋有感磁性好的金属块，呈环形布置，以提高其形成环形电流的几率。
6.如权利要求4所述一种模拟高温下熔融物瞬态反应的试验方法，其特征在于，在所述水冷坩埚的制备步骤中，所述二氧化锆或二氧化铀粉末中可添加极少量的硅酸盐溶液。
7.如权利要求4所述一种模拟高温下熔融物瞬态反应的试验方法，其特征在于，所述水冷坩埚在高温下经过长时间烘烤，蒸发其中的水汽。
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