CN111785402B - 一种研究熔融物在碎片床内迁移行为的实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种研究熔融物在碎片床内迁移行为的实验装置及方法，该实验装置包括熔融物制备装置和迁移装置，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熔融物和氧化熔融物；在熔融物制备装置内采用了石墨坩埚用于提供高温环境，同时在石墨坩埚内布置了耐高温的氧化镁坩埚，可以避免石墨坩埚对熔融物的污染。在迁移装置内，布置了可视化的石英坩埚，采用金属钢珠来模拟真实反应堆严重事故下的碎片床。本发明实验装置，可以通过填装不同直径的钢珠来模拟不同孔隙率的碎片床，并且在熔融物冷却后，可以获取熔融物在碎片床内的迁移深度和形态。本发明为核反应堆严重事故下堆芯熔融物在碎片床内迁移行为的研究提供重要的实验装置。

Description

一种研究熔融物在碎片床内迁移行为的实验装置及方法
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堆芯熔融物在碎片床内迁移行为的研究提供有效且可靠的实验装置及方法。
背景技术
对于核电厂来说，安全是至关重要的问题。在过去的几十年里，发生了美国三哩岛事故、切尔诺贝利事故和日本福岛核事故等堆芯熔化严重事故，这些事故都对环境和公众健康带来了灾难性影响。核反应堆堆芯熔化严重事故下，堆芯材料会在压力容器下封头及安全壳内形成碎片床，然而随着冷却剂的蒸发及衰变热的释放，堆芯碎片开始熔化。初期的熔融物扩散于碎片床孔隙内，并凝固形成硬壳，堵塞流道，进而形成熔池。堆芯碎片及熔融物具有多组分、多维度和多相态特征，其分层行为受衰变热、流动传热等多种因素影响，属于核反应堆物理及多相流交叉的基础科学问题。其相变、迁徙行为是不仅受熔融物组分、温度和粘度的影响，还受不同严重事故条件的影响，如熔融物迁移方式、混合固体碎片和注入冷却剂等。然而该过程对压力容器失效和熔融物泄露具有重要影响。因此，熔融物在碎片床内的迁移行为成为核反应堆严重事故现象分析的难点和重点。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，提出一种研究熔融物在碎片床内迁移行为的实验装置及方法，可以获取熔融物在碎片床内的迁移深度和形态。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种研究熔融物在碎片床内迁移行为的实验装置，所述实验装置采用金属钢珠来模拟真实反应堆严重事故下的碎片床，通过填装不同直径的钢珠来模拟不同孔隙率的碎片床；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熔融金属物和熔融氧化物，进而研究核反应堆严重事故下堆芯熔融物在碎片床内迁移行为，所述实验装置包括坩埚架3，置于坩埚架3上且上下布置的熔融物制备装置1和迁移装置2；
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之内的耐高温、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周围的对工质进行感应加热的感应线圈103；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105,设置在石墨坩埚101底部连通熔融物制备氧化镁坩埚102内腔室并伸入迁移装置2中用于引流的导流杆104；
所述迁移装置2包括石英坩埚201，设置在石英坩埚201内用来模拟碎片床的多个钢珠202。
所述坩埚架3分为上下两层，用来支撑和连接熔融物制备装置1与迁移装置2。
所述迁移装置2内的石英坩埚201内径为50mm,壁厚为5mm,高度为150mm；在石英坩埚201内径为50mm时，只需要确定钢珠202高度就能够确定实验段的体积，采用粒子计数法和称重法确定碎片床孔隙率，确定得到，采用直径为3mm和6mm钢珠分别模拟37.5％和41.2％孔隙率的碎片床。
所述迁移装置2内的石英坩埚201是可视化的，待熔融物冷却之后，可观察熔融物的迁移状态。
所述的一种研究熔融物在碎片床内迁移行为的实验装置的实验方法，首先将直径为3mm的钢珠202填充至迁移装置2内的石英坩埚201中；然后进行三元盐熔体的制备，首先将三元盐粉末填充至熔融物制备装置1的熔融物制备氧化镁坩埚102内，做好密封之后，采用感应线圈103开始进行感应加热,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；加热至熔融状态且达到预设温度后上移坩埚塞子105，通过导流杆104将三元盐熔体注入迁移装置2的石英坩埚201中；至冷却后观察三元盐模拟的熔融金属物在37.5％孔隙率碎片床内的迁移形态和深度；接着替换直径为6mm的钢珠202，重复上述操作，来观察三元盐模拟的熔融金属物在41.2％孔隙率碎片床内的迁移形态和深度；
重新进行填料，将直径为3mm的钢珠202填充至迁移装置2内的石英坩埚201中；然后进行锡熔体的制备，首先将切割好的锡块填充至熔融物制备装置1的熔融物制备氧化镁坩埚102内，做好密封之后采用感应线圈103进行感应加热；加热至熔融状态且达到预设温度后上移坩埚塞子105，通过导流杆104将锡熔体注入迁移装置2的石英坩埚201中；至冷却后观察锡模拟的熔融氧化物在37.5％孔隙率碎片床内的迁移形态和深度；接着替换直径为6mm的钢珠202，重复上述操作，来观察锡模拟的熔融氧化物在41.2％孔隙率碎片床内的迁移形态和深度。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1、本发明实验装置，采用金属钢珠来模拟真实反应堆严重事故下的碎片床，采用三元盐和金属锡分别模拟反应堆严重事故下的熔融金属物和熔融氧化物，材料获取方便，实验温度低，可操作性高。
2、本发明实验装置，在熔融物制备装置内采用了石墨坩埚用于提供高温环境，同时在石墨坩埚内布置了熔融物制备氧化镁坩埚，可以避免石墨坩埚对熔融物的污染。
3、本发明实验装置，可以通过填装不同直径的钢珠来模拟不同孔隙率的碎片床，并且在熔融物冷却后，可以获取熔融物在碎片床内的迁移深度和形态。
附图说明
图1是实验装置图。
图2是熔融物制备装置图。
图3是熔融物迁移装置图。
图中：1熔融物制备装置，101石墨坩埚，102熔融物制备氧化镁坩埚，103感应线圈，104导流杆，105坩埚塞子；
2熔融物迁移装置，201石英坩埚，202钢珠。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2和图3所示，首先将直径为3mm的钢珠202填充至迁移装置2内的石英坩埚201中；然后进行三元盐熔体的制备，首先将三元盐粉末填充至熔融物制备装置1的熔融物制备氧化镁坩埚102内，做好密封之后，采用感应线圈103进行感应加热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；加热至熔融状态且达到预设温度后上移坩埚塞子105，通过导流杆104将三元盐熔体注入迁移装置2的石英坩埚201中；至冷却后观察三元盐模拟的熔融金属物在37.5％孔隙率碎片床内的迁移形态和深度。接着替换直径为6mm的钢珠202，重复上述操作，来观察三元盐模拟的熔融金属物在41.2％孔隙率碎片床内的迁移形态和深度。
重新进行填料，将直径为3mm的钢珠202填充至迁移装置2内的石英坩埚201中；然后进行锡熔体的制备，首先将切割好的锡块填充至熔融物制备装置1的熔融物制备氧化镁坩埚102内，做好密封之后采用感应线圈103进行感应加热；加热至熔融状态且达到预设温度后上移坩埚塞子105，通过导流杆104将锡熔体注入迁移装置2的石英坩埚201中；至冷却后观察锡模拟的熔融氧化物在37.5％孔隙率碎片床内的迁移形态和深度。接着替换直径为6mm的钢珠202，重复上述操作，来观察锡模拟的熔融氧化物在41.2％孔隙率碎片床内的迁移形态和深度。
至此，可给予上述四种工况研究金属和氧化物在碎片床中的流动过程，用不同粒径的钢珠模拟不同孔隙率的碎片床，对比研究孔隙率对熔融物在碎片床中流动过程的影响。

Claims (5)

1.一种研究熔融物在碎片床内迁移行为的实验装置，其特征在于：所述实验装置采用金属钢珠来模拟真实反应堆严重事故下的碎片床，通过填装不同直径的钢珠来模拟不同孔隙率的碎片床；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熔融金属物和熔融氧化物，进而研究核反应堆严重事故下堆芯熔融物在碎片床内迁移行为，所述实验装置包括坩埚架(3)，置于坩埚架(3)上且上下布置的熔融物制备装置(1)和迁移装置(2)；
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)之内的耐高温、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)周围的对工质进行感应加热的感应线圈(103)；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(105),设置在石墨坩埚(101)底部连通熔融物制备氧化镁坩埚(102)内腔室并伸入迁移装置(2)中用于引流的导流杆(104)；
所述迁移装置(2)包括石英坩埚(201)，设置在石英坩埚(201)内用来模拟碎片床的多个钢珠(202)。
2.根据权利要求1所述的一种研究熔融物在碎片床内迁移行为的实验装置，其特征在于：所述坩埚架(3)分为上下两层，用来支撑和连接熔融物制备装置(1)与迁移装置(2)。
3.根据权利要求1所述的一种研究熔融物在碎片床内迁移行为的实验装置，其特征在于：迁移装置(2)内的石英坩埚(201)内径为50mm,壁厚为5mm,高度为150mm；在石英坩埚(201)内径为50mm时，只需要确定钢珠(202)高度就能够确定实验段的体积，采用粒子计数法和称重法确定碎片床孔隙率，确定得到，采用直径为3mm和6mm钢珠分别模拟37.5％和41.2％孔隙率的碎片床。
4.根据权利要求1所述的一种研究熔融物在碎片床内迁移行为的实验装置，其特征在于：迁移装置(2)内的石英坩埚(201)是可视化的，待熔融物冷却之后，能够观察熔融物的迁移状态。
5.权利要求1至4任一项所述的一种研究熔融物在碎片床内迁移行为的实验装置的实验方法，其特征在于：首先将直径为3mm的钢珠(202)填充至迁移装置(2)内的石英坩埚(201)中；然后进行三元盐熔体的制备，首先将三元盐粉末填充至熔融物制备装置(1)的熔融物制备氧化镁坩埚(102)内，做好密封之后，采用感应线圈(103)开始进行感应加热,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；加热至熔融状态且达到预设温度后上移坩埚塞子(105)，通过导流杆(104)将三元盐熔体注入迁移装置(2)的石英坩埚(201)中；至冷却后观察三元盐模拟的熔融金属物在37.5％孔隙率碎片床内的迁移形态和深度；接着替换直径为6mm的钢珠(202)，重复上述操作，来观察三元盐模拟的熔融金属物在41.2％孔隙率碎片床内的迁移形态和深度；
重新进行填料，将直径为3mm的钢珠(202)填充至迁移装置(2)内的石英坩埚(201)中；然后进行锡熔体的制备，首先将切割好的锡块填充至熔融物制备装置(1)的熔融物制备氧化镁坩埚(102)内，做好密封之后采用感应线圈(103)进行感应加热；加热至熔融状态且达到预设温度后上移坩埚塞子(105)，通过导流杆(104)将锡熔体注入迁移装置(2)的石英坩埚(201)中；至冷却后观察锡模拟的熔融氧化物在37.5％孔隙率碎片床内的迁移形态和深度；接着替换直径为6mm的钢珠(202)，重复上述操作，来观察锡模拟的熔融氧化物在41.2％孔隙率碎片床内的迁移形态和深度。
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