CN111785401A - 研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置及方法 - Google Patents

研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置及方法，该装置包括熔融物制备装置和分层装置，采用易于获取的三元盐和金属锡分别模拟反应堆严重事故下的金属物和氧化物。在熔融物制备装置内采用石墨坩埚来提供高温环境，同时在石墨坩埚内布置了耐高温的氧化镁坩埚，通过提升与熔融物释放装置连接的坩埚塞子，使熔融物沿着制备装置下部的导流杆释放到分层装置内；分层装置中放有氧化镁坩埚和电磁屏蔽装置，在熔融物分层过程中对三元盐模拟的金属层进行了电磁屏蔽，仅对锡模拟的氧化层进行电磁感应加热，可以有效地模拟严重事故下氧化熔融物的衰变热。通过熔融物在分层装置内维持不同温度和不同时间，至冷却后观察熔融物的分层形态。

Description

研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置及方法
技术领域
本发明涉及的是一种核工业研究领域的技术，具体是一种能够为核反应堆严重事故下熔融物分层行为的研究提供实验数据的有效且可靠的实验装置。
背景技术
随着我国核电事业的快速发展，核电安全也受到越来越大的关注。日本福岛核事故是继美国三哩岛和前苏联切尔诺贝利核事故之后的又一次堆芯熔融严重事故，这给我国核电安全敲响了警钟。日本福岛核电厂事故之后，我国政府也高度重视核电厂安全问题，这表明加强核反应堆严重事故研究的重要性，这对保障我国核电安全具有重要意义。
在严重事故下堆芯熔化之后，熔融物会聚集在压力容器下封头形成熔融池。由于金属和氧化物的密度不同，熔融物会在压力容器下封头内形成分层结构，该分层行为直接影响熔融物内部传热特性及下封头壁面的热流密度分布。在压力容器失效后，熔融物会进入安全壳的堆腔中，会与堆腔中的混凝土发生相互作用(MCCI)。在对熔池进行热工水力特性分析时，也需要考虑熔池的分层行为。国内外已经开展了很多对熔融池分层的换热特性研究实验，但是对熔池分层的动态过程的研究相对较少。所以为了揭示金属与氧化物分层的机理，需要设计一套可靠有效而且能够得到熔融物动态分层过程的实验装置。但是在金属和氧化熔融物混合之后，为模拟氧化熔融物中的衰变热，需要只对氧化熔融物进行加热，而不对金属熔融物进行加热。同时反应堆原型熔融物温度达到2000℃左右，对环境以及设备要求很高，实验成本很高。因此我们需要一套既能够只对分层熔体中的氧化熔融物加热同时又在较低温度下可以模拟原型熔融物的实验装置。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置及方法，本发明对三元盐模拟的金属熔融物进行电磁屏蔽，仅对锡模拟的氧化熔融物进行电磁感应加热，从而研究核反应堆严重事故下熔融物分层行为。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置，所述实验装置能够对核反应堆严重事故下熔融物分层行为的研究提供实验数据，在熔融物分层过程中对三元盐模拟的金属层进行了电磁屏蔽，仅对锡模拟的熔融物氧化层进行了电磁感应加热；所述实验装置包括压力容器4，设置在压力容器4内底部并置于坩埚架3上的分层装置2，设置在压力容器4内并位于分层装置2上部的置于坩埚架3上的熔融物制备装置1，位于熔融物制备装置1上部的熔融物释放装置5；
所述熔融物制备装置1包括用于提供高温环境的石墨坩埚101，置于石墨坩埚101内的耐高温、防止工质被污染的熔融物制备氧化镁坩埚102，环绕在石墨坩埚101周围的对工质进行加热的感应线圈103，设置在石墨坩埚101底部连通熔融物制备氧化镁坩埚102内腔室并伸入分层装置2中用于引流的导流杆104，设置在熔融物制备氧化镁坩埚102顶部的坩埚盖105，顶部连接熔融物释放装置5、底部穿过坩埚盖105并置于熔融物制备氧化镁坩埚102内用于堵塞熔融物的坩埚塞子106；
所述分层装置2包括分层氧化镁坩埚201，置于分层氧化镁坩埚201外侧上半段用于屏蔽对三元盐模拟的金属层加热的电磁屏蔽装置202，为分层氧化镁坩埚201整体提供加热的感应线圈203；
所述熔融物制备装置1中的熔融物是通过提升与熔融物释放装置5连接的坩埚塞子106，使之沿着导流杆104释放至分层装置2的。
所述熔融物制备装置1中坩埚盖105留有小孔能够通过热电偶测量熔融物温度。
所述熔融物制备装置1中坩埚塞子106上部通过内螺纹与熔融物释放装置5连接，下部为锥形，熔融物制备氧化镁坩埚102底部开有与坩埚塞子106下部锥形形状相适配的锥形孔。
所述坩埚架3分为上下两层，用来支撑与连接熔融物制备装置1和分层装置2，用六角螺母固定在压力容器4下方的支架上。
所述石墨坩埚101与熔融物制备氧化镁坩埚102之间留有5mm的缝隙，且熔融物制备氧化镁坩埚102比石墨坩埚101高2cm，以方便氧化镁坩埚102的取出与放入。
所述的研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置的实验方法，包括如下步骤：
步骤1：首先将切割好的锡块进行称重并填入熔融物制备装置1内的熔融物制备氧化镁坩埚102中；在熔融物制备氧化镁坩埚102中填充锡块前放下坩埚塞子106，填充完毕后将坩埚塞子106与上部的熔融物释放装置5连接；开始对锡进行感应加热，采用热电偶测量锡熔融物的温度，将锡加热到设定温度；然后利用熔融物释放装置5将坩埚塞子106提起，熔融的锡在重力的作用下沿着导流杆104注入至分层装置2内的分层氧化镁坩埚201中且注入的量刚好到达电磁屏蔽装置202之下；接着对注入到分层氧化镁坩埚201中的熔融锡进行感应加热，使锡熔体温度维持在注入时的设定温度。
步骤2：将坩埚塞子106放下，将三元盐粉末填充至熔融物制备氧化镁坩埚102中，由熔融物制备氧化镁坩埚102之外的石墨坩埚101提供高温环境来实现对三元盐粉末的加热；然后把坩埚塞子106与熔融物释放装置5连接；感应加热三元盐粉末至熔融状态且达到预设温度之后，利用熔融物释放装置5将坩埚塞子106提起，使熔融的三元盐也注入至分层装置2内的分层氧化镁坩埚201中且注入的量位于分层氧化镁坩埚201外部设置有电磁屏蔽装置202的上半段，并开启分层氧化镁坩埚201上半段的电磁屏蔽装置202；通过加热熔融物至不同温度或维持不同时间，至冷却后取出分层氧化镁坩埚201观察熔融物的分层形态，从而获得不同温度条件和不同事故时间下熔融物的分层形态规律。
本发明采用三元盐和锡作为熔融物替代物质，它们熔点较低，三元盐熔点为142℃，锡熔点为232℃，实验温度较易达到；三元盐和锡在当前实验温度下不发生融合，同时物性稳定，不易与空气发生化学反应，也不互相发生化学反应，所以不会导致工质变质而影响实验现象；锡和三元盐与实际堆芯熔融物有相似的性质：粘性较高，存在较大密度差，锡密度为6.9g/cm3，三元盐密度为1.9g/cm3，可用来验证两种物质由于密度差别产生分层现象。金属和氧化物混合后，在分层过程中，由于三元盐密度低，会存在于坩埚的上半段。所以在坩埚上半段外围设置电磁屏蔽装置，防止对三元盐模拟的金属熔融物的加热，仅对下半段锡模拟的氧化熔融物进行加热，从而实现对氧化熔融物衰变热的模拟。本发明可有效模拟反应堆真实熔融物，能够为核反应堆严重事故下熔融物分层行为的研究提供实验数据。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1)采用三元盐和金属锡分别替代严重事故下核反应堆的金属和氧化熔融物，实验材料获取方便，实验最高温度在400℃以内，温度低，可操作性高。
2)在熔融物分层过程中对三元盐模拟的金属层进行了电磁屏蔽，仅对锡模拟的熔融物氧化层进行了电磁感应加热，该处理方式可以有效地模拟严重事故下氧化物熔融物的衰变热。
3)实验通过加热熔融物至不同温度，并维持不同时间，至冷却后观察熔融物的分层形态，该处理方式可以获得不同温度条件和不同事故时间下熔融物的分层形态规律。
附图说明
图1为本发明实验装置示意图。
图2为熔融物制备装置示意图。
图3为分层装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细的说明：
如图1所示，本发明一种研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置，所述实验装置能够对核反应堆严重事故下熔融物分层行为的研究提供实验数据，在熔融物分层过程中对三元盐模拟的金属层进行了电磁屏蔽，仅对锡模拟的熔融物氧化层进行了电磁感应加热；所述实验装置包括压力容器4，设置在压力容器4内底部并置于坩埚架3上的分层装置2，设置在压力容器4内并位于分层装置2上部的置于坩埚架3上的熔融物制备装置1，位于熔融物制备装置1上部的熔融物释放装置5。
如图2所示，所述熔融物制备装置1包括用于提供高温环境的石墨坩埚101，置于石墨坩埚101内的耐高温、防止工质被污染的熔融物制备氧化镁坩埚102，环绕在石墨坩埚101周围的对工质进行加热的感应线圈103，设置在石墨坩埚101底部连通熔融物制备氧化镁坩埚102内腔室并伸入分层装置2中用于引流的导流杆104，设置在熔融物制备氧化镁坩埚102顶部的坩埚盖105，顶部连接熔融物释放装置5、底部穿过坩埚盖105并置于熔融物制备氧化镁坩埚102内用于堵塞熔融物的坩埚塞子106。
如图3所示，所述分层装置2包括分层氧化镁坩埚201，置于分层氧化镁坩埚201外侧上半段用于屏蔽对三元盐模拟的金属层加热的电磁屏蔽装置202，为分层氧化镁坩埚201整体提供加热的感应线圈203。
所述熔融物制备装置1中的熔融物是通过提升与熔融物释放装置5连接的坩埚塞子106，使之沿着导流杆104释放至分层装置2的。
作为本发明的优选实施方式，所述熔融物制备装置1中坩埚盖105留有小孔能够通过热电偶测量熔融物温度。
作为本发明的优选实施方式，所述熔融物制备装置1中坩埚塞子106上部通过内螺纹与熔融物释放装置5连接，下部为锥形，熔融物制备氧化镁坩埚102底部开有与坩埚塞子106下部锥形形状相适配的锥形孔。
作为本发明的优选实施方式，所述坩埚架3分为上下两层，用来支撑与连接熔融物制备装置1和分层装置2，用六角螺母固定在压力容器4下方的支架上。
作为本发明的优选实施方式，所述石墨坩埚101与熔融物制备氧化镁坩埚102之间留有5mm的缝隙，且熔融物制备氧化镁坩埚102比石墨坩埚101高2cm，以方便氧化镁坩埚102的取出与放入。
本发明所述研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置的实验方法：包括如下步骤：
步骤1：首先将切割好的锡块进行称重并填入熔融物制备装置1内的熔融物制备氧化镁坩埚102中；在熔融物制备氧化镁坩埚102中填充锡块前放下坩埚塞子106，填充完毕后将坩埚塞子106与上部的熔融物释放装置5连接；开始对锡进行感应加热，采用热电偶测量锡熔融物的温度，将锡加热到设定温度；然后利用熔融物释放装置5将坩埚塞子106提起，熔融的锡在重力的作用下沿着导流杆104注入至分层装置2内的分层氧化镁坩埚201中且注入的量刚好到达电磁屏蔽装置202之下；接着对注入到分层氧化镁坩埚201中的熔融锡进行感应加热，使锡熔体温度维持在注入时的设定温度。
步骤2：将坩埚塞子106放下，将三元盐粉末填充至熔融物制备氧化镁坩埚102中，由熔融物制备氧化镁坩埚102之外的石墨坩埚101提供高温环境来实现对三元盐粉末的加热；然后把坩埚塞子106与熔融物释放装置5连接；感应加热三元盐粉末至熔融状态且达到预设温度之后，利用熔融物释放装置5将坩埚塞子106提起，使熔融的三元盐也注入至分层装置2内的分层氧化镁坩埚201中且注入的量位于分层氧化镁坩埚201外部设置有电磁屏蔽装置202的上半段，并开启分层氧化镁坩埚201上半段的电磁屏蔽装置202；通过加热熔融物至不同温度或维持不同时间，至冷却后取出分层氧化镁坩埚201观察熔融物的分层形态，从而获得不同温度条件和不同事故时间下熔融物的分层形态规律。
借助上述装置，通过上述具体释放步骤，可稳定可靠地获得不同温度条件和不同事故时间下熔融物的分层形态规律，为核反应堆严重事故下高温熔融物分层实验研究的开展提供了可能。

Claims (6)

1.一种研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置，其特征在于：所述实验装置能够对核反应堆严重事故下熔融物分层行为的研究提供实验数据，在熔融物分层过程中对三元盐模拟的金属层进行了电磁屏蔽，仅对锡模拟的熔融物氧化层进行了电磁感应加热；所述实验装置包括压力容器(4)，设置在压力容器(4)内底部并置于坩埚架(3)上的分层装置(2)，设置在压力容器(4)内并位于分层装置(2)上部的置于坩埚架(3)上的熔融物制备装置(1)，位于熔融物制备装置(1)上部的熔融物释放装置(5)；
所述熔融物制备装置(1)包括用于提供高温环境的石墨坩埚(101)，置于石墨坩埚(101)内的耐高温、防止工质被污染的熔融物制备氧化镁坩埚(102)，环绕在石墨坩埚(101)周围的对工质进行加热的感应线圈(103)，设置在石墨坩埚(101)底部连通熔融物制备氧化镁坩埚(102)内腔室并伸入分层装置(2)中用于引流的导流杆(104)，设置在熔融物制备氧化镁坩埚(102)顶部的坩埚盖(105)，顶部连接熔融物释放装置(5)、底部穿过坩埚盖(105)并置于熔融物制备氧化镁坩埚(102)内用于堵塞熔融物的坩埚塞子(106)；
所述分层装置(2)包括分层氧化镁坩埚(201)，置于分层氧化镁坩埚(201)外侧上半段用于屏蔽对三元盐模拟的金属层加热的电磁屏蔽装置(202)，为分层氧化镁坩埚(201)整体提供加热的感应线圈(203)；
所述熔融物制备装置(1)中的熔融物是通过提升与熔融物释放装置(5)连接的坩埚塞子(106)，使之沿着导流杆(104)释放至分层装置(2)的。
2.根据权利要求1所述的一种研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置，其特征在于：所述熔融物制备装置(1)中坩埚盖(105)留有小孔能够通过热电偶测量熔融物温度。
3.根据权利要求1所述的一种研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置，其特征在于：所述熔融物制备装置(1)中坩埚塞子(106)上部通过内螺纹与熔融物释放装置(5)连接，下部为锥形，熔融物制备氧化镁坩埚(102)底部开有与坩埚塞子(106)下部锥形形状相适配的锥形孔。
4.根据权利要求1所述的一种研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置，其特征在于：所述坩埚架(3)分为上下两层，用来支撑与连接熔融物制备装置(1)和分层装置(2)，用六角螺母固定在压力容器(4)下方的支架上。
5.根据权利要求1所述的一种研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置，其特征在于：所述石墨坩埚(101)与熔融物制备氧化镁坩埚(102)之间留有5mm的缝隙，且熔融物制备氧化镁坩埚(102)比石墨坩埚(101)高2cm，以方便氧化镁坩埚(102)的取出与放入。
6.权利要求1至5任一项所述的研究核反应堆严重事故下熔融物分层现象的实验装置的实验方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：首先将切割好的锡块进行称重并填入熔融物制备装置(1)内的熔融物制备氧化镁坩埚(102)中；在熔融物制备氧化镁坩埚(102)中填充锡块前放下坩埚塞子(106)，填充完毕后将坩埚塞子(106)与上部的熔融物释放装置(5)连接；开始对锡进行感应加热，采用热电偶测量锡熔融物的温度，将锡加热到设定温度；然后利用熔融物释放装置(5)将坩埚塞子(106)提起，熔融的锡在重力的作用下沿着导流杆(104)注入至分层装置(2)内的分层氧化镁坩埚(201)中且注入的量刚好到达电磁屏蔽装置(202)之下；接着对注入到分层氧化镁坩埚(201)中的熔融锡进行感应加热，使锡熔体温度维持在注入时的设定温度。
步骤2：将坩埚塞子(106)放下，将三元盐粉末填充至熔融物制备氧化镁坩埚(102)中，由熔融物制备氧化镁坩埚(102)之外的石墨坩埚(101)提供高温环境来实现对三元盐粉末的加热；然后把坩埚塞子(106)与熔融物释放装置(5)连接；感应加热三元盐粉末至熔融状态且达到预设温度之后，利用熔融物释放装置(5)将坩埚塞子(106)提起，使熔融的三元盐也注入至分层装置(2)内的分层氧化镁坩埚(201)中且注入的量位于分层氧化镁坩埚(201)外部设置有电磁屏蔽装置(202)的上半段，并开启分层氧化镁坩埚(201)上半段的电磁屏蔽装置(202)；通过加热熔融物至不同温度或维持不同时间，至冷却后取出分层氧化镁坩埚(201)观察熔融物的分层形态，从而获得不同温度条件和不同事故时间下熔融物的分层形态规律。
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