CN112289468A - 双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置及方法 - Google Patents

双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置及方法，该装置包括加热炉、高速摄像仪、双色光学测温仪和多点激光测位仪；加热炉由内置夹持式铜电极板的顶/底部冷却腔室、氧化锆陶瓷筒和不锈钢水冷套筒组成，炉体侧壁设置石英玻璃视窗；装置内置由内/外侧包壳管和合金加热管组成的双面冷却燃料模拟棒，其沿轴向贯穿整个装置，合金加热管与夹持式铜电极板相连接；高速摄像仪和双色光学测温仪透过视窗监测模拟棒外侧熔化进程；多点激光测位仪由传感器与多点激光探头组成，和反射板配合测定模拟棒内侧堵塞状态。实验装置能够实时观测双面冷却燃料处于超高温环境下的氧化熔化进程，为其氧化熔化机理模型的开发和完善提供数据支撑。

Description

双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置及方法
技术领域
本发明属于核反应堆严重事故下双面冷却燃料氧化熔化行为测定实验技术领域，具体涉及一种双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置及方法。
背景技术
反应堆严重事故属于超设计基准事故，堆内材料初期会发生氧化、破裂、熔化和重定位等一系列过程，随着事故进程的发展，重定位的熔融物堆积，堆内会出现大面积堵塞的情况，使堆芯传热进一步恶化，甚至形成堆内熔池，增大冷却堆芯的难度。作为严重事故进程的重要环节，事故初期棒状燃料的氧化熔化行为研究对于整个事故的发展预测和事故缓解措施的制定具有重要意义，若能在此时使堆芯冷却下来，将极大程度的削弱事故的危害，保障社会公众的生命财产安全。
国内外高校和研究机构针对棒状燃料采用真实或替代材料开展了FROMA、QUENCH、CORA、FLHT、LOFT等单根或多根燃料的严重事故损毁行为研究，得到了丰富的棒状燃料严重事故损毁数据。而双面冷却燃料作为新型燃料的一种，国内外对其严重事故下的氧化熔化行为研究较少，目前的实验装置仅能通过热电偶获得双面冷却燃料的温度分布，并在实验结束后获得燃料的最终损毁状态，无法对燃料内侧和外侧熔化的具体过程和现象进行实时观测，导致双面冷却燃料严重事故行为模型不完善，无法准确预测堆芯的严重事故进程。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置及实验方法，用于实时测定双面冷却燃料内侧和外侧熔化的具体过程和现象，为双面冷却燃料氧化熔化机理模型的开发和完善提供数据支撑。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置，包括加热炉，由同轴设置的氧化锆陶瓷筒1和不锈钢水冷套筒2以及顶部冷却腔室6和底部冷却腔室7组成，顶部冷却腔室6和底部冷却腔室7采用去离子水进行冷却，内置夹持式铜电极板8，炉体侧壁沿轴向多个位置左右对称设置石英玻璃视窗3，每个位置有六个石英玻璃视窗3沿径向均匀设置；加热炉内置由真实材料或替代材料加工成的由内至外的内侧包壳管12、合金加热管13和外侧包壳管14组成的双面冷却燃料模拟棒10，其沿轴向贯穿整个装置，合金加热管13在顶部冷却腔室6和底部冷却腔室7内与夹持式铜电极板8相连接；氧化锆陶瓷筒1底部放置凹形陶瓷托盘9，承接重定位的熔融物；加热炉外侧设置高速摄像仪4和双色光学测温仪5透过石英玻璃视窗3监测双面冷却燃料模拟棒10外侧轴向和周向的熔化形态与温度分布；加热炉正上方设置多点激光测位仪11，与加热炉正下方的反射板17配合测定双面冷却燃料模拟棒10内侧的熔融物迁移速度和熔融物堆积情况。
所述氧化锆陶瓷筒1轴向长度为500mm，石英玻璃视窗3直径为25mm，沿轴向三个位置处布置，轴向布置高度分别为100mm、250mm、400mm，轴向同一位置处，两个相邻石英玻璃视窗3间的周相夹角为60°。
所述高速摄像仪4和双色光学测温仪5与石英玻璃视窗3的位置相对应，每个高度左右对称的两个石英玻璃视窗3外侧一个石英玻璃视窗3布置高速摄像仪4，另一个布置双色光学测温仪5；高速摄像仪4用于观察和记录双面冷却燃料模拟棒10外侧沿轴向和周向的熔化进程；双色光学测温仪5采用双色测温，用于准确测量双面冷却燃料模拟棒10外侧在氩气、蒸汽、氮气和氧气氛围下的表面温度，避免了气体氛围介质对单色光线吸收导致的测量结果失真；双面冷却燃料模拟棒10内侧的温度直接采用铂铑热电偶进行测量。
所述顶部冷却腔室6和底部冷却腔室7内通有去离子水进行冷却，对夹持式铜电极板8降温的同时防止冷却水导电。
所述多点激光测位仪11位于装置正上方与双面冷却燃料模拟棒10内侧相对应，其由从上至下相连接的传感器15和多点激光探头16组成，用于测定双面冷却燃料模拟棒10内侧的熔融物迁移速度和熔融物堆积情况。
所述的双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置的实验方法，实验准备阶段，外部冷却水源头将去离子水通入装置的顶部冷却腔室6、底部冷却腔室7和不锈钢水冷套筒2内提供冷却，外部真空泵对装置抽真空，待加热炉压力小于10Pa时，外部氩气源沿加热炉注入口通入氧化锆陶瓷筒1内；30min后，实验正式开始，依次打开高速摄像仪4、双色光学测温仪5和多点激光测位仪11，外部蒸汽源沿加热炉注入口与氩气混合通入氧化锆陶瓷筒1内；双色光学测温仪5和铂铑热电偶的测温曲线通过外部采集系统收集，高速摄像仪4的熔化进程图像及时存储；多点激光测位仪11的测位激光从多点激光探头16内的25个探头内部依次脉冲式发射，每两个探头发射激光的时间间隔为0.001s，大于光线沿内侧的最大往返时间，每个探头发射激光的时间间隔为0.03s，大于25个探头全部扫描一次所需的时间；光线接触到重定位的熔融物或双面冷却燃料模拟棒内侧底部的反射板17后发生漫反射，与入射光线重合的反射光线最先反射回来并被传感器15感应到，若传感器15在一个脉冲内接收到多束反射光，以时间最早光线最强的反射光束为准，通过对测量距离进行分析即可得到双面冷却燃料模拟棒10内侧的熔融物迁移速度和熔融物堆积情况；实验结束后，分析实验结果，得到双面冷却燃料模拟棒10内、外侧的氧化熔化进程数据，为双面冷却燃料氧化熔化机理模型的开发和完善提供支撑。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
1.本发明中设计的多点激光测位仪可测量不易直接观测的双面冷却燃料模拟棒内侧的氧化熔化进程，得到双面冷却燃料模拟棒内侧的熔融物迁移速度、空间堆积分布等数据。
2.本发明中设计的双面冷却燃料模拟棒沿轴向贯穿整个实验装置，仅由内/外侧包壳管和合金加热管构成，不涉及到其他安装，在满足双面冷却燃料特性的同时，大大降低了加工难度。
3.本发明中采用冷却腔室内置夹持式铜电极板的加热方式，避免了加热电极位于装置外对双面冷却燃料模拟棒加热时的发热问题。
4.本发明中设计的炉体侧壁沿轴向和周向设置多个石英玻璃视窗，并采用高速摄像仪透过视窗实时观测和记录双面冷却燃料模拟棒外侧的氧化熔化进程，得到双面冷却燃料模拟棒外侧沿轴向和周向熔化进程的可视化数据。
5.本发明中采用双色光学测温仪，可在氩气、蒸汽、氮气、氧气等氛围下准确测量模拟棒外侧的表面温度，避免了气体氛围介质对单色光线吸收导致的测量结果失真。
附图说明
图1为双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置示意图。
图2为高速摄像仪和双色光学测温仪周向布置示意图。
图3为双面冷却燃料模拟棒截面示意图。
图4为多点激光测位仪构成及测位原理示意图。
图中1为氧化锆陶瓷筒，2为不锈钢水冷套筒，3为石英玻璃视窗，4为高速摄像仪，5为双色光学测温仪，6为顶部冷却腔室，7为底部冷却腔室，8为夹持式铜电极板，9为凹形陶瓷托盘，10为双面冷却燃料模拟棒，11为多点激光测位仪，12为内侧包壳管，13为合金加热管，14为外侧包壳管，15为传感器，16为多点激光探头，17为反射板。
具体实施方式
下面通过结合附图对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明的双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置，包括加热炉，由氧化锆陶瓷筒1、不锈钢水冷套筒2、顶部冷却腔室6和底部冷却腔室7组成，顶部冷却腔室6和底部冷却腔室7采用不导电的去离子水进行冷却，内置夹持式铜电极板8；氧化锆陶瓷筒1轴向长度为500mm，炉体侧壁沿轴向100mm、250mm、400mm处，每一处左右对称设置六个直径为25mm的石英玻璃视窗3，两个相邻石英玻璃视窗3间的周相夹角如图2所示为60°。
如图2所示，加热炉外侧每一轴向位置处设置三个高速摄像仪4和三个双色光学测温仪5，其位置与石英玻璃视窗3的位置相对应，每个高度左右对称的两个石英玻璃视窗3外侧一个石英玻璃视窗3布置高速摄像仪4，另一个布置双色光学测温仪5；高速摄像仪4用于观察和记录双面冷却燃料模拟棒10外侧沿轴向和周向的熔化进程；双色光学测温仪5采用双色测温，用于准确测量双面冷却燃料模拟棒10外侧在氩气、蒸汽、氮气和氧气氛围下的表面温度，避免了气体氛围介质对单色光线吸收导致的测量结果失真；双面冷却燃料模拟棒10内侧的温度直接采用铂铑热电偶进行测量。
如图3所示，由真实材料或替代材料加工成的由内至外的内侧包壳管12、合金加热管13和外侧包壳管14组成的双面冷却燃料模拟棒10。
如图4所示，多点激光测位仪11位于加热炉正上方与双面冷却燃料模拟棒10内侧相对应，其由从上至下相连接的传感器15和多点激光探头16组成，测位激光从多点激光探头16内的25个探头内部依次脉冲式发射，每两个探头发射激光的时间间隔为0.001s，大于光线沿内侧的最大往返时间，每个探头发射激光的时间间隔为0.03s，大于25个探头全部扫描一次所需的时间；光线接触到重定位的熔融物或模拟棒内侧底部的反射板17后发生漫反射，与入射光线重合的反射光线最先反射回来并被传感器15感应到，若传感器15在一个脉冲内接收到多束反射光，以时间最早光线最强的反射光束为准，通过对测量距离进行分析即可得到双面冷却燃料模拟棒10内侧的熔融物迁移速度和熔融物堆积情况。
下面详细说明本发明的实验方法：
实验准备阶段，外部冷却水源头将去离子水通入装置的顶部冷却腔室6、底部冷却腔室7和不锈钢水冷套筒2内提供冷却，外部真空泵对装置抽真空，待加热炉压力小于10Pa时，外部氩气源沿加热炉注入口通入氧化锆陶瓷筒1内；30min后，实验正式开始，依次打开高速摄像仪4、双色光学测温仪5和多点激光测位仪11，外部蒸汽源沿加热炉注入口与氩气混合通入氧化锆陶瓷筒1内；双色光学测温仪5和铂铑热电偶的测温曲线通过外部采集系统收集，高速摄像仪4的熔化进程图像及时存储，多点激光测位仪11的测位激光从多点激光探头16内的25个探头内部依次脉冲式发射，传感器15记录每次扫描得到的内侧熔化状态；实验结束后，分析可视化图像、温度分布、内侧不同时刻的堵塞状态，即可得到双面冷却燃料模拟棒10内/外侧的氧化熔化动态进程的数据，为双面冷却燃料氧化熔化机理模型的开发和完善提供支撑。
本发明可用于双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验中。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置，其特征在于，包括加热炉，由同轴设置的氧化锆陶瓷筒(1)和不锈钢水冷套筒(2)以及顶部冷却腔室(6)和底部冷却腔室(7)组成，顶部冷却腔室(6)和底部冷却腔室(7)采用去离子水进行冷却，内置夹持式铜电极板(8)，炉体侧壁沿轴向多个位置左右对称设置石英玻璃视窗(3)，每个位置有六个石英玻璃视窗(3)沿径向均匀设置；加热炉内置由真实材料或替代材料加工成的由内至外的内侧包壳管(12)、合金加热管(13)和外侧包壳管(14)组成的双面冷却燃料模拟棒(10)，其沿轴向贯穿整个装置，合金加热管(13)在顶部冷却腔室(6)和底部冷却腔室(7)内与夹持式铜电极板(8)相连接；氧化锆陶瓷筒(1)底部放置凹形陶瓷托盘(9)，承接重定位的熔融物；加热炉外侧设置高速摄像仪(4)和双色光学测温仪(5)透过石英玻璃视窗(3)监测双面冷却燃料模拟棒(10)外侧轴向和周向的熔化形态与温度分布；加热炉正上方设置多点激光测位仪(11)，与加热炉正下方的反射板(17)配合测定双面冷却燃料模拟棒(10)内侧的熔融物迁移速度和熔融物堆积情况。
2.根据权利要求1所述的一种双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置，其特征在于，氧化锆陶瓷筒(1)轴向长度为500mm，石英玻璃视窗(3)直径为25mm，沿轴向三个位置处布置，轴向布置高度分别为100mm、250mm、400mm，轴向同一位置处，两个相邻石英玻璃视窗(3)间的周向夹角为60°。
3.根据权利要求1所述的一种双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置，其特征在于，高速摄像仪(4)和双色光学测温仪(5)与石英玻璃视窗(3)的位置相对应，每个高度左右对称的两个石英玻璃视窗(3)外侧一个石英玻璃视窗(3)布置高速摄像仪(4)，另一个布置双色光学测温仪(5)；高速摄像仪(4)用于观察和记录双面冷却燃料模拟棒(10)外侧沿轴向和周向的熔化进程；双色光学测温仪(5)采用双色测温，用于准确测量双面冷却燃料模拟棒(10)外侧在氩气、蒸汽、氮气和氧气氛围下的表面温度，避免了气体氛围介质对单色光线吸收导致的测量结果失真；双面冷却燃料模拟棒(10)内侧的温度直接采用铂铑热电偶进行测量。
4.根据权利要求1所述的一种双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置，其特征在于，顶部冷却腔室(6)和底部冷却腔室(7)内通有去离子水进行冷却，对夹持式铜电极板(8)降温的同时防止冷却水导电。
5.根据权利要求1所述的一种双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置，其特征在于，所述多点激光测位仪(11)位于加热炉正上方与双面冷却燃料模拟棒(10)内侧相对应，由从上至下相连接的传感器(15)和多点激光探头(16)组成，所述多点激光探头(16)内有25个探头。
6.权利要求1至5任一项所述的双面冷却燃料超高温氧化熔化行为测定实验装置的实验方法，其特征在于，实验准备阶段，外部冷却水源头将去离子水通入装置的顶部冷却腔室(6)、底部冷却腔室(7)和不锈钢水冷套筒(2)内提供冷却，外部真空泵对装置抽真空，待加热炉压力小于10Pa时，外部氩气源沿加热炉注入口通入氧化锆陶瓷筒(1)内；30min后，实验正式开始，依次打开高速摄像仪(4)、双色光学测温仪(5)和多点激光测位仪(11)，外部蒸汽源沿加热炉注入口与氩气混合通入氧化锆陶瓷筒(1)内；双色光学测温仪(5)和铂铑热电偶的测温曲线通过外部采集系统收集，高速摄像仪(4)的熔化进程图像及时存储；多点激光测位仪(11)的测位激光从多点激光探头(16)内的25个探头内部依次脉冲式发射，每两个探头发射激光的时间间隔为0.001s，大于光线沿内侧的最大往返时间，每个探头发射激光的时间间隔为0.03s，大于25个探头全部扫描一次所需的时间；光线接触到重定位的熔融物或双面冷却燃料模拟棒(10)内侧底部的反射板(17)后发生漫反射，与入射光线重合的反射光线最先反射回来并被传感器(15)感应到，若传感器(15)在一个脉冲内接收到多束反射光，以时间最早光线最强的反射光束为准，通过对测量距离进行分析即得到双面冷却燃料模拟棒(10)内侧的熔融物迁移速度和熔融物堆积情况；实验结束后，分析实验结果，得到双面冷却燃料模拟棒(10)内、外侧的氧化熔化进程数据，为双面冷却燃料氧化熔化机理模型的开发和完善提供支撑。
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