CN112118648B - 一种高发热功率的小尺寸环形加热棒 - Google Patents

一种高发热功率的小尺寸环形加热棒 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高发热功率的小尺寸环形加热棒，包括加热棒内包壳、加热棒外包壳和陶瓷绝缘环；所述加热棒外包壳套在所述加热棒内包壳外部；陶瓷绝缘环设置在加热棒内外包壳之间以对所述加热棒内包壳和加热棒外包壳形成支撑；所述陶瓷绝缘环还设置有沿周向分布的多个加热孔；所述加热孔中设置有毛细加热丝。本发明的有益效果如下：本发明能够实现了堆外燃料元件的模拟，将加热丝插入开有多个小孔的陶瓷绝缘环中，改变了以往加热丝、氧化镁绝缘、不锈钢包壳、氧化铝芯块的四层结构设计，只采用了加热丝、陶瓷绝缘环的双层结构就达到了在很小的空间内发热绝缘的要求，达到了较高的热流密度。

Description

一种高发热功率的小尺寸环形加热棒
技术领域
本发明属于核工业领域，具体涉及一种高发热功率的小尺寸环形加热棒。
背景技术
在开展核工业相关试验时，为了模拟反应堆失水事故工况下的核燃料的发热情况，通常会用到模拟燃料棒来模拟实际核工业中的燃料棒发热情况。
燃料棒的芯块裂变产生的热量传递给燃料棒内外包壳(普通燃料棒为实心，故无燃料棒内包壳)，使包壳表面达到较高的温度，以研究高温下包壳材料的安全性能。
目前压水堆用的燃料棒的横截面如图2所示，主要由芯块和燃料棒外包壳构成；而开展试验时使用的模拟燃料棒通常是图3所示的结构，通过电加热棒和陶瓷绝缘环的组合作为芯块的代替部件，其中，电加热棒主要用于模拟芯块发热，陶瓷绝缘环则模拟芯块材料。
一般情况下，电加热棒由电加热丝外包覆MgO绝缘层，和最外层的不锈钢套管构成。如图4所示为一种电加热棒的结构，由内到外依次为加热丝、MgO绝缘层、加热棒内包壳、氧化铝绝缘层、加热棒外包壳。这种多层次的结构因为尺寸限制是不能够用于小尺寸的环形芯块燃料模拟。
在实际核工业中，有一种燃料棒为环形燃料棒，由环形燃料芯块、燃料棒内包壳和燃料棒外包壳等构成，横截面如图1所示。
环形模拟燃料棒即需要用电加热的方式模拟上述环形燃料棒的芯块裂变发热的方式，达到相同的热流密度；其中，因为尺寸限制，利用电加热棒直接作为芯块代替部件。但是上述的环形燃料棒内外包壳之间的环形空腔非常小，仅有几毫米厚，而传统的电加热棒由于要布置加热丝及绝缘材料，厚度达到几厘米，无法完全模拟环形的芯块燃料。
如图5和图6为一种作为环形燃料芯块的替代的电加热棒的结构，该结构将加热丝呈螺旋状盘绕在内外管之间的空腔(即加热棒外包壳与加热棒内包壳之间的空腔)，然后挤压外管，形成一个紧密的整体。这种设计使得电加热丝紧紧的缠绕在内外管之间，给内外管增加了额外的约束力，影响材料力学性能试验的结果，没有可以充入惰性气体的空腔，因此不适合用于堆外试验。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种高发热功率的小尺寸环形加热棒，该技术方案能够代替环形燃料芯块，结构简单，适用于小尺寸芯块燃料棒的模拟实验。
本发明的技术方案如下：
一种高发热功率的小尺寸环形加热棒，包括加热棒内包壳、加热棒外包壳和陶瓷绝缘环；所述加热棒外包壳套在所述加热棒内包壳外部；陶瓷绝缘环设置在加热棒内外包壳之间以对所述加热棒内包壳和加热棒外包壳形成支撑；所述陶瓷绝缘环还设置有沿周向分布的多个加热孔；所述加热孔中设置有毛细加热丝。
进一步地，上述的高发热功率的小尺寸环形加热棒，所述加热棒内包壳与所述陶瓷绝缘环之间和所述加热棒外包壳与所述陶瓷绝缘环之间均存在惰性气体空腔。
进一步地，上述的高发热功率的小尺寸环形加热棒，所述毛细加热丝为铠装加热丝。
进一步地，上述的高发热功率的小尺寸环形加热棒，还包括设置在加热棒包壳两端的环形密封端塞和压紧螺母；所述毛细加热丝穿过所述密封端塞和压紧螺母。
进一步地，上述的高发热功率的小尺寸环形加热棒，所述密封端塞和压紧螺母与所述毛细加热丝接触的部分设置有绝缘涂层。
进一步地，上述的高发热功率的小尺寸环形加热棒，所述加热棒内包壳长于所述加热棒外包壳的部分形成端塞座，所述密封端塞套在所述端塞座上。
本发明的有益效果如下：
1、本发明能够实现了堆外燃料元件的模拟，将加热丝插入开有多个小孔的陶瓷绝缘环中，改变了以往加热丝、氧化镁绝缘、不锈钢包壳、氧化铝芯块的四层结构设计，只采用了加热丝、陶瓷绝缘环的双层结构就达到了在很小的空间(2mm)内发热绝缘的要求，达到了较高的热流密度。
2、内外包壳通过陶瓷绝缘环支撑，避免电加热丝给内外包壳施加额外的束缚力。
3、毛细加热丝通过陶瓷绝缘环的孔隙设置，能够设置内外包壳之间的惰性气体空间，能够模拟芯块高压环境。
4、端塞和加热丝接触的部件设置绝缘涂层解决了其他部件导电的问题。
附图说明
图1为环形燃料棒的结构示意图。
图2为燃料棒的示意图。
图3为模拟实验时用于代替图2的燃料结构中的芯块的电加热棒的结构示意图。
图4为另一种电加热棒的结构示意图。
图5为一种环形电加热棒的结构示意图。
图6为图5中环形电加热棒的横截面。
图7为本发明的高发热功率的小尺寸环形加热棒的结构示意图。
图8为图7中AA方向的剖面结构示意图。
上述附图中，1、芯块；2、燃料棒外包壳；3、燃料棒内包壳；4、电加热棒；5、绝缘层；6、模拟燃料棒外包壳；7、加热丝；8、MgO绝缘层；9、加热棒内包壳；10、氧化铝绝缘层；11、加热棒外包壳；12、毛细加热丝；13、陶瓷绝缘环；14、密封端塞；15、压紧螺母。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图7所示，本发明公开了一种高发热功率的小尺寸环形加热棒，包括加热棒内包壳9、加热棒外包壳11和陶瓷绝缘环13；所述加热棒外包壳11套在所述加热棒内包壳9外部；陶瓷绝缘环13设置在加热棒内外包壳之间以对所述加热棒内包壳9和加热棒外包壳11形成支撑；所述陶瓷绝缘环13还设置有沿周向分布的多个加热孔(如图8所示)；所述加热孔中设置有毛细加热丝12。
所述陶瓷绝缘环13的厚度为1～100mm；所述惰性气体空腔为厚度0.1～50mm的孔隙。
本发明的高发热功率的小尺寸环形加热棒，还包括设置在包壳两端的密封端塞14和压紧螺母15；所述毛细加热丝12穿过所述密封端塞14和压紧螺母15。密封端塞14可以通过图7所示的具体结构安装，利用加热棒内包壳9长于所述加热棒外包壳11的部分形成端塞座，所述密封端塞14套在所述端塞座上。
本实施例中，陶瓷绝缘环13一方面作为加热棒的主要部件来模拟芯块材料导热，一方面又起到加热丝绝缘的作用，节省了大量的空间。在本是私利的一次实验中，陶瓷绝缘环13的厚度为2mm，与加热棒内外包壳之间各留有0.5mm的间隙作为容纳惰性气体的空腔，绝缘环的周向开了10个Φ1mm的小孔(小孔的数量包括但不限于10个)，小孔中插入Φ0.5～0.8mm的毛细加热丝12，将毛细加热丝12依次穿入每个小孔，然后将加热丝从环形端塞和压紧螺母15中引出。
本实施例中，为了防止加热丝与金属接触导电，所述毛细加热丝12为铠装加热丝；或者，所述密封端塞14和压紧螺母15与所述毛细加热丝12接触的部分设置有绝缘涂层。
本发明能够实现了堆外燃料元件的模拟，将加热丝插入开有多个小孔的陶瓷绝缘环13中，改变了以往加热丝、氧化镁绝缘、不锈钢包壳、氧化铝芯块的四层结构设计，只采用了加热丝、陶瓷绝缘环13的双层结构就达到了在很小的空间内发热绝缘的要求，达到了较高的热流密度。内外包壳通过陶瓷绝缘环13支撑，避免电加热丝给内外包壳施加额外的束缚力。毛细加热丝12通过陶瓷绝缘环13的孔隙设置，能够设置内外包壳之间的惰性气体空间，能够模拟芯块高压环境。端塞和加热丝接触的部件设置绝缘涂层解决了其他部件导电的问题。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种高发热功率的小尺寸环形加热棒，其特征在于，包括加热棒内包壳、加热棒外包壳和陶瓷绝缘环；所述加热棒外包壳套在所述加热棒内包壳外部；陶瓷绝缘环设置在加热棒内外包壳之间以对所述加热棒内包壳和加热棒外包壳形成支撑；所述陶瓷绝缘环还设置有沿周向分布的多个加热孔；所述加热孔中设置有毛细加热丝；所述加热棒内包壳与所述陶瓷绝缘环之间和所述加热棒外包壳与所述陶瓷绝缘环之间均存在惰性气体空腔，其中，所述加热丝和所述陶瓷绝缘环构成的双层结构能够在小空间内达到发热绝缘的要求。
2.如权利要求1所述的高发热功率的小尺寸环形加热棒，其特征在于，所述毛细加热丝为铠装加热丝。
3.如权利要求1或2所述的高发热功率的小尺寸环形加热棒，其特征在于，还包括设置在包壳两端的环形密封端塞和压紧螺母；所述毛细加热丝穿过所述密封端塞和压紧螺母。
4.如权利要求3所述的高发热功率的小尺寸环形加热棒，其特征在于，所述密封端塞和压紧螺母与所述毛细加热丝接触的部分设置有绝缘涂层。
5.如权利要求3所述的高发热功率的小尺寸环形加热棒，其特征在于，所述加热棒内包壳长于所述加热棒外包壳的部分形成端塞座，所述密封端塞套在所述端塞座上。
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