CN114222383A - 一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒 - Google Patents

Abstract

本发明一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，包括环形金属包壳、内部发热芯体、贯穿式上端塞和封闭式下端塞；环形金属包壳包括由外至内套装的外包壳和内包壳；内部发热芯体包括陶瓷芯、电热丝和铠装热电偶；陶瓷芯固定于外包壳和内包壳之间，电热丝采用直布式结构布置于陶瓷芯的圆形贯穿孔道中，采用蛇形结构依次穿过不同的圆形贯穿孔道进行限位，铠装热电偶布置于陶瓷芯边壁处的半圆形贯穿孔道中，通过陶瓷芯的挤压作用实现与外包壳和内包壳的紧密接触；贯穿式上端塞和封闭式下端塞分别设置在环形金属包壳的顶部和底部。本发明填补了环形燃料热工水力实验中耐高温实验段关键部件的缺失，为开展环形燃料热工安全实验研究提供新的技术支持。

Description

一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒

技术领域

本发明属于核反应堆热工水力实验技术领域，具体涉及一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒。

背景技术

环形燃料是一种内外面同时冷却的核反应堆新型燃料型式，与传统棒状燃料相比，具有传热路径短、传热面积大、燃耗深度高、刚度大等诸多优势。采用环形燃料替代现有棒状燃料，有望在保持或增进现有反应堆安全性能的前提下大幅提升堆芯功率密度。因此，环形燃料是高性能轻水堆核燃料元件的主要发展趋势之一，具有良好应用前景。我国在环形燃料自主化设计与研发方面已取得了显著进展，进一步深入开展环形燃料在商用压水堆中的热工水力安全分析研究，是确保我国环形燃料实现自主化商业应用的关键。

冷却剂丧失事故(LOCA)一直是研究核反应堆安全的重要对象，准确模拟LOCA事故对反应堆安全分析至关重要。LOCA事故中的再淹没过程是整个事故中的重要阶段，在此阶段中，堆芯热工水力现象复杂多变，棒束传热最差，导致燃料包壳温度达到最高。因此，开展棒束再淹没实验研究、建立精确再淹没模型是模拟LOCA事故的关键。

与传统棒状燃料相比，环形燃料具有开放通道与闭式通道并存、大棒径小间隙、双面冷却等特征，其再淹没过程的物理现象比传统棒束组件更为复杂，现有基于棒状燃料开发的再淹没模型对环形燃料不再适用。由于缺乏对环形燃料再淹没物理过程的深入研究，目前，对环形燃料再淹没关键传热规律及机理认识不够深入，缺少适用于环形燃料LOCA事故分析的再淹没模型。为了进一步开展环形燃料事故分析工作，确保准确模拟环形燃料LOCA事故进程，有必要开展环形燃料再淹没实验研究，探究环形燃料再淹没过程特有的物理规律，建立精确的环形燃料再淹没物理模型，为环形燃料工程化安全分析软件的开发和验证提供关键参考。

在开展再淹没等反应堆热工水力实验研究时，常用几何尺寸相同的电加热棒模拟反应堆燃料棒。根据电加热方式的不同，电加热棒可分为直接加热棒和间接加热棒，前者直接使加热棒金属外包壳通电，利用焦耳热形成一定的热流密度，常用于高热流密度或恒热流边界条件的热工实验，如临界热流密度实验；后者在加热棒内部布置发热丝，并通过绝缘且导热性能良好的金属陶瓷隔绝电热丝与金属外包壳并导出热量，常用于模拟事故工况或对绝缘要求较高的实验，如再淹没实验。在加热棒内部，通常需布置热电偶用于壁面温度的测量。

针对模拟传统燃料棒的棒状电加热棒的设计与加工已较为成熟，被广泛应用于再淹没、临界热流密度和湍流交混等实验研究中。为开展环形燃料再淹没实验研究，需采用模拟环形燃料的间接电加热棒，而关于环形间接电加热棒的设计加工并未见公开报道。由于采用环形结构，棒状电加热棒常用的加工方式和结构对环形加热棒均不再适用。环形燃料包含内外两个通道且内外包壳的间隙较小，导致等尺寸设计的环形电加热棒内部空间十分局促，为发热丝和热电偶在环腔内的布置和导线引出带来极大难度。同时，再淹没实验对加热棒壁面温度的要求较高，高温易引起加热棒内部电热丝出现热膨胀并断裂，同时对加热棒内部的导热和绝缘性能的提出了极高的要求。

发明内容

为了解决上述问题，满足实验需要，本发明的目的是提供一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒。本发明填补了环形燃料热工水力实验中耐高温实验段关键部件的缺失，为开展环形燃料热工安全实验研究提供新的技术支持。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，包括环形金属包壳、内部发热芯体、贯穿式上端塞和封闭式下端塞；

环形金属包壳包括由外至内套装的外包壳和内包壳；

内部发热芯体包括陶瓷芯、电热丝和铠装热电偶；陶瓷芯固定于外包壳和内包壳之间，电热丝采用直布式结构布置于陶瓷芯的圆形贯穿孔道中，采用蛇形结构依次穿过不同的圆形贯穿孔道进行限位，铠装热电偶布置于陶瓷芯边壁处的半圆形贯穿孔道中，通过陶瓷芯的挤压作用实现与外包壳和内包壳的紧密接触；

贯穿式上端塞和封闭式下端塞分别设置在环形金属包壳的顶部和底部。

本发明进一步的改进在于，贯穿式上端塞包括顶部陶瓷盖、内通道贯穿管、非发热段导线和顶端固定螺纹；顶部陶瓷盖用于将电热丝露出陶瓷芯体的转弯处遮盖，内外边壁处带与陶瓷芯相同的半圆形贯穿孔道，将铠装热电偶从孔道中引出；内通道贯穿管的底端与内包壳顶部焊接，顶端与外包壳侧面的开孔焊接，形成将内通道工质引出环形加热棒外的流道；非发热段导线的数量为两根，分别与电热丝穿出陶瓷芯的两电极相连；顶端固定螺纹的底端与外包壳顶端焊接，顶部的外螺纹用于电加热棒与上封头的连接固定，中心带贯穿孔道，铠装热电偶和非发热段导线均从孔道内部穿出，并分别与温度采集系统和外接供电电源连接，孔道中涂有高温密封胶，用于将电加热棒内部与外界隔绝。

本发明进一步的改进在于，顶部陶瓷盖总体呈环形结构，底部开有半圆状槽，采用与陶瓷芯相同的材料加工而成；内通道贯穿管为与内包壳内径和材质相同的金属直管或弯管。

本发明进一步的改进在于，非发热段导线材质选用铜或铂电阻小的金属，外部包覆刚玉管绝缘层，其作用是在绝缘且不发热的条件下将电热丝与外接电源接通，防止陶瓷芯以外的区域因短路或过热而烧毁；顶端固定螺纹为带外螺纹的金属环形结构。

本发明进一步的改进在于，封闭式下端塞底部陶瓷盖和底部封板，底部陶瓷盖用于将电热丝露出陶瓷芯体的转弯处遮盖，底部封板分别与外包壳和内包壳底部焊接，将加热棒内部与外界隔绝。

本发明进一步的改进在于，底部陶瓷盖采用与陶瓷芯相同的材料加工而成，总体呈环形结构，顶部开有半圆状槽，底部封板为金属环形板。

本发明进一步的改进在于，外包壳和内包壳分别用于模拟环形燃料内外包壳，几何尺寸与实际环形燃料相等，内外包壳共同构成发热芯体的支撑结构，并形成环形燃料的内外通道。

本发明进一步的改进在于，陶瓷芯的材质选择氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷或氮化硼陶瓷，结构为中心带多个圆形贯穿孔道且边壁带多个半圆形贯穿孔道的短环形柱。

本发明进一步的改进在于，电热丝通过陶瓷芯将热量导出，并实现与外包壳、内包壳和铠装热电偶的绝缘，电热丝能够在陶瓷芯中自由膨胀。

本发明进一步的改进在于，铠装热电偶用于测量外包壳和内包壳的内壁面温度，并通过调节铠装热电偶的长度测量不同轴向位置的壁温。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供了一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，和现有技术相比较，本发明具有如下的创新性：

(1)提供了一种可在热工水力实验中模拟反应堆环形燃料的间接电加热棒，采用了内外包壳和中心内插电热丝的陶瓷芯紧密配合的结构，克服了传统棒状高温电加热棒缩管加工后几何尺寸变化的弊端，在保证与环形燃料几何尺寸一致的前提下准确模拟了内部燃料芯块向环形包壳两侧导热的过程；

(2)提供了一种耐高温的环形间接电加热棒，采用了耐高温不锈钢、耐高温金属陶瓷、耐高温电热丝和耐高温铠装热电偶进行加热棒制作，采用高导热系数的金属陶瓷芯和上下陶瓷盖将电热丝包裹并限位，在保证绝缘的前提下可将加热棒内部热量快速导出，同时电热丝在陶瓷芯中可自由膨胀，防止出现传统电加热棒常见的电热丝高温热膨胀断裂的情况，以上结构设计可保证环形加热棒在1000℃环境下使用；

(3)提供了一种可测量轴向和径向壁面温度分布的环形电加热棒，采用在陶瓷芯与内外包壳之间的半圆形孔道中布置铠装热电偶的方式，在保证电热丝与热电偶之间的绝缘良好的前提下，实时测量环形棒内外壁面温度分布，通过控制孔道数量和热电偶插入深度，可得到环形加热棒轴向和径向多个位置的壁面温度。

综上，本发明克服了模拟环形燃料的间接电加热棒尺寸精度要求高、温度参数要求高、内部空间局促、绝缘难度大、壁温测量难度大等技术难题，在满足多位置壁温测量需求的前提下实现了耐高温、尺寸可控、绝缘性能良好的环形电加热棒制造，为开展环形燃料热工水力实验研究提供了基础，具有重要的工程实用价值。

附图说明

图1为本发明实例提供的环形电加热棒的结构示意图；

图2为本发明内部发热芯体的结构示意图。

附图标记说明：

1-外包壳，2-内包壳，3-陶瓷芯，4-电热丝，5-铠装热电偶，6-顶部陶瓷盖，7-内通道贯穿管，8-非发热段导线，9-顶端固定螺纹，10-底部陶瓷盖，11-底部封板。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，以内置8个铠装热电偶的环形电加热棒为基础，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，图1为本发明实例提供的环形电加热棒的结构示意图，用于描述发明装置的主要构成与连接方式。主要包括外包壳1、内包壳2、陶瓷芯3、电热丝4、铠装热电偶5、顶部陶瓷盖6、内通道贯穿管7、非发热段导线8、顶端固定螺纹9、底部陶瓷盖10和底部封板11。

可选地，外包壳1和内包壳2分别用于模拟环形燃料内外包壳，所述外包壳1和内包壳2材质为310S耐高温不锈钢、因铬镍等金属，外包壳1的外径和内包壳2的内径分别与实际环形燃料相同。

可选地，所述的外包壳1和内包壳2也可根据实际情况选取其他金属材质。

将多个陶瓷芯3依次紧密的套装在内包壳2上，并将陶瓷芯3上的贯穿孔道对齐，陶瓷芯3的材质可选择氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷或氮化硼陶瓷，结构为中心带多个圆形贯穿孔道且边壁带多个半圆形贯穿孔道的短环形柱，可根据电加热棒长度确定陶瓷芯3的数量，根据电加热棒长度和所需加热功率确定圆形孔道数量和尺寸，根据铠装热电偶5数量及尺寸确定边壁处半圆形贯穿孔道数量及尺寸；电热丝4采用直布式结构布置于陶瓷芯3的圆形贯穿孔道中，将电热丝4从顶端的第一个陶瓷芯3中心的某个圆形孔道中穿入，依次穿过全部陶瓷芯3，从底端的最后一个陶瓷芯3中穿出，再从相邻的另一个圆形孔道中穿入并从顶端的陶瓷芯3穿出，采用蛇形布置依次穿过所有陶瓷芯3的圆形孔道，最终穿出顶端陶瓷芯3的电热丝4两端作为供电电极。电热丝4可在陶瓷芯3中自由膨胀，壁面了传统电加热管中电热丝高温膨胀断裂的情况；铠装热电偶5布置于陶瓷芯3边壁处的半圆形贯穿孔道中，通过陶瓷芯3的挤压作用实现与外包壳1和内包壳2的紧密接触，测量外包壳1和内包壳2的内壁面温度，通过调节铠装热电偶5的长度测量不同轴向位置的壁温。

顶部陶瓷盖6采用与陶瓷芯3相同的材料加工而成，总体呈环形结构，底部开有半圆状槽，将电热丝4露出陶瓷芯体的转弯处遮盖，以起到绝缘和导热的作用，内外边壁处带与陶瓷芯3相同的半圆形贯穿孔道，将顶部陶瓷盖6套装在内包壳2顶端，并将贯穿孔道与顶端的陶瓷芯3对齐，盖住从顶端的陶瓷芯3孔道中穿出的裸露电热丝4，将顶端陶瓷芯3的电热丝4两级从顶部陶瓷盖6预留的孔道中穿出，并与非发热段导线8进行压接或焊接。

内通道贯穿管7为与内包壳2内径和材质相同的金属直管或弯管，将内通道贯穿管7的底部与内包壳2的顶端焊接，其顶端位置预留。非发热段导线8材质选用铜或铂电阻小的金属，外部包覆刚玉管绝缘层，数量为两根，分别与电热丝4穿出陶瓷芯3的两电极相连，作用是在绝缘且不发热的条件下将电热丝4与外接电源接通，防止陶瓷芯以外的区域因短路或过热而烧毁；顶端固定螺纹9为带外螺纹的金属环形结构，底端与外包壳1顶端焊接，顶部的外螺纹用于电加热棒与上封头的连接固定，中心带贯穿孔道，铠装热电偶5和非发热段导线8均从孔道内部穿出，并分别与温度采集系统和外接供电电源连接，孔道中涂有高温密封胶，将电加热棒内部与外界隔绝。

底部陶瓷盖10采用与陶瓷芯3相同的材料加工而成，总体呈环形结构，顶部开有半圆状槽，将电热丝4露出陶瓷芯体的转弯处遮盖，以起到绝缘和导热的作用；底部封板11为金属环形板，分别与外包壳1和内包壳2底部焊接，将加热棒内部与外界隔绝。

将底部陶瓷盖10套装在内包壳2的底部，并将半圆状槽与底部陶瓷芯3孔道中穿出的电热丝4转弯处对齐，并将其遮盖。

将定制的铠装热电偶5依次穿入陶瓷芯3边壁处的半圆形贯穿孔道，铠装热电偶5数量与陶瓷芯3孔道数量一致，根据要测量温度的轴向位置确定穿入铠装热电偶5的长度，并在顶端做好标记。

将外包壳1套装在内包壳2和陶瓷芯3的外表面，与内包壳2共同形成环型结构，对内部的发热芯体进行限位，待外包壳套装至指定位置后，根据铠装热电偶5的顶端标记对其位置进行校核与调整，确保套装过程铠装热电偶5位置不发生变化。

将底部封板11放入外包壳1和内包壳2底部的缝隙中进行焊接，对环形加热管底部进行密封。

将内通道贯穿管7的顶部与外包壳1上预留的贯穿孔焊接，形成环形管内通道中工质向外通道汇合的流道。

将顶端固定螺纹9底部与外包壳顶部焊接，并将铠装热电偶5的接线端和非发热段导线8从顶端固定螺纹9的中心孔内引出，在实验时分别外接温度采集系统和加热电源。

对环形电加热管进行一次预热，温度控制在200℃以内，通过预热排出管内间隙里空气中包含的微量水蒸气，并采用高温密封胶对顶端固定螺纹9的中心孔进行密封。

对环形电加热棒进行二次预热，预热温度需高于实验需求的最高温度，待检验环形电加热棒在此预热温度下并未出现损坏，即制作完成。

以上为本发明实施例提供的一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒的主要实施过程。

本发明克服了模拟环形燃料的间接电加热棒尺寸精度要求高、温度参数要求高、内部空间局促、绝缘难度大、壁温测量难度大等技术难题，在满足多位置壁温测量需求的前提下实现了耐高温、尺寸可控、绝缘性能良好的环形电加热棒制造，为开展环形燃料热工水力实验研究提供了新的技术支持。

以上所述，仅为本发明的一个具体实例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，其特征在于，包括环形金属包壳、内部发热芯体、贯穿式上端塞和封闭式下端塞；

环形金属包壳包括由外至内套装的外包壳(1)和内包壳(2)；

内部发热芯体包括陶瓷芯(3)、电热丝(4)和铠装热电偶(5)；陶瓷芯(3)固定于外包壳(1)和内包壳(2)之间，电热丝(4)采用直布式结构布置于陶瓷芯(3)的圆形贯穿孔道中，采用蛇形结构依次穿过不同的圆形贯穿孔道进行限位，铠装热电偶(5)布置于陶瓷芯(3)边壁处的半圆形贯穿孔道中，通过陶瓷芯(3)的挤压作用实现与外包壳(1)和内包壳(2)的紧密接触；

贯穿式上端塞和封闭式下端塞分别设置在环形金属包壳的顶部和底部。

2.根据权利要求1所述的一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，其特征在于，贯穿式上端塞包括顶部陶瓷盖(6)、内通道贯穿管(7)、非发热段导线(8)和顶端固定螺纹(9)；顶部陶瓷盖(6)用于将电热丝(4)露出陶瓷芯体的转弯处遮盖，内外边壁处带与陶瓷芯(4)相同的半圆形贯穿孔道，将铠装热电偶(5)从孔道中引出；内通道贯穿管(7)的底端与内包壳(2)顶部焊接，顶端与外包壳(1)侧面的开孔焊接，形成将内通道工质引出环形加热棒外的流道；非发热段导线(8)的数量为两根，分别与电热丝(4)穿出陶瓷芯(3)的两电极相连；顶端固定螺纹(9)的底端与外包壳(1)顶端焊接，顶部的外螺纹用于电加热棒与上封头的连接固定，中心带贯穿孔道，铠装热电偶(5)和非发热段导线(8)均从孔道内部穿出，并分别与温度采集系统和外接供电电源连接，孔道中涂有高温密封胶，用于将电加热棒内部与外界隔绝。

3.根据权利要求2所述的一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，其特征在于，顶部陶瓷盖(6)总体呈环形结构，底部开有半圆状槽，采用与陶瓷芯(3)相同的材料加工而成；内通道贯穿管(7)为与内包壳(2)内径和材质相同的金属直管或弯管。

4.根据权利要求2所述的一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，其特征在于，非发热段导线(8)材质选用铜或铂电阻小的金属，外部包覆刚玉管绝缘层，其作用是在绝缘且不发热的条件下将电热丝(4)与外接电源接通，防止陶瓷芯以外的区域因短路或过热而烧毁；顶端固定螺纹(9)为带外螺纹的金属环形结构。

5.根据权利要求2所述的一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，其特征在于，封闭式下端塞底部陶瓷盖(10)和底部封板(11)，底部陶瓷盖(10)用于将电热丝(4)露出陶瓷芯体的转弯处遮盖，底部封板(11)分别与外包壳(1)和内包壳(2)底部焊接，将加热棒内部与外界隔绝。

6.根据权利要求5所述的一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，其特征在于，底部陶瓷盖(10)采用与陶瓷芯(3)相同的材料加工而成，总体呈环形结构，顶部开有半圆状槽，底部封板(11)为金属环形板。

7.根据权利要求1所述的一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，其特征在于，外包壳(1)和内包壳(2)分别用于模拟环形燃料内外包壳，几何尺寸与实际环形燃料相等，内外包壳共同构成发热芯体的支撑结构，并形成环形燃料的内外通道。

8.根据权利要求1所述的一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，其特征在于，陶瓷芯(3)的材质选择氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷或氮化硼陶瓷，结构为中心带多个圆形贯穿孔道且边壁带多个半圆形贯穿孔道的短环形柱。

9.根据权利要求1所述的一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，其特征在于，电热丝(4)通过陶瓷芯(3)将热量导出，并实现与外包壳(1)、内包壳(2)和铠装热电偶(5)的绝缘，电热丝(4)能够在陶瓷芯(3)中自由膨胀。

10.根据权利要求1所述的一种可测量壁面温度场的耐高温环形电加热棒，其特征在于，铠装热电偶(5)用于测量外包壳(1)和内包壳(2)的内壁面温度，并通过调节铠装热电偶(5)的长度测量不同轴向位置的壁温。

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