CN115831405B - 一种利用激光加热模拟螺旋燃料反应性引入事故的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用激光加热模拟螺旋燃料反应性引入事故的装置，包括带有视窗的实验台，两台正对实验台两侧视窗的掺镱光纤激光器，布置于实验台周围视窗的热成像仪与光学高温计，与光学高温计和掺镱光纤激光器相连的温度反馈控制装置，两侧带透光板的样品台，支撑样品台的样品台支架；利用一侧掺镱光纤激光器发射激光束透过该侧透光板形成十字形激光束，实现螺旋燃料的预加热；利用光学高温计和温度反馈控制装置实时控制掺镱光纤激光器发射功率，实现实验样品温度保持在设定范围；利用热成像仪实现全过程样品温度的监测；利用另一侧掺镱光纤激光器发射激光束透过该侧透光板形成十字形激光环，实现螺旋燃料反应性引入事故的模拟。

Description

一种利用激光加热模拟螺旋燃料反应性引入事故的装置
技术领域
本发明属于核燃料及材料性能测试技术领域，具体涉及一种利用激光加热模拟螺旋燃料反应性引入事故的装置。
背景技术
螺旋燃料具有比换热面积大、传热路径短、自定位等优势，被视为先进压水堆、先进沸水堆、核热火箭及氟盐冷却高温堆等的重要燃料选型，研究螺旋燃料在不同运行工况下燃料行为对提高反应堆的安全性能具有重要意义。RIA(反应性引入事故)工况是常见的反应堆非正常运行工况之一，在该工况下，燃料元件核功率与温度会发生急剧飞升，致使燃料棒发生变形失效。基于上述原因，进行相应的堆内外实验、开展螺旋燃料在RIA工况下燃料行为的研究具有极大的必要性。
然而在RIA工况下，燃料温度飞升速率极大，在几十毫秒内燃料边缘位置温度将达到2000℃以上，在现实条件中复刻RIA工况成本较高，难度较大；同时，在RIA工况下研究特定的具体参数对燃料行为的影响难度较大，在具体研究中往往难以实现。
截至目前，许多国内外研究机构对燃料元件在RIA工况下的行为做了大量研究。
例如在20世纪90年代初，国外开展了堆内功率跃增实验(Power Ramp Tests)。Ramp实验控制实验堆功率阶梯式跃增，不断重复该过程直到燃料棒发生芯块包壳相互作用(Pellet-Cladding Interaction，PCI)失效，以此来研究RIA工况下燃料行为。Ramp实验成为研究RIA工况下燃料行为的重要基础，但Ramp实验的复杂性和成本较高，且无法将实验结果外推到其他反应堆堆型和运行工况；同时，我国目前尚不具备实验堆内开展Ramp实验的条件，国际上长期支持开展Ramp实验的Halden堆也已停堆。因此，堆内实验的方法不适合当前RIA工况下螺旋燃料行为的研究。
又如近年国内外采用堆外PCI(包壳芯块相互作用)行为实验模拟燃料元件在RIA工况下的行为。在SCIP计划(Studsvik Cladding Integrity Project)中，瑞典Studsvik公司建立了芯轴膨胀实验装置，该实验将柱塞的轴向位移转换为虚拟芯块的径向变形，从而模拟燃料芯块在瞬态过程中的开裂以及向外膨胀，以达到模拟PCI现象的效果。堆外PCI行为模拟实验可以大幅减少实验经费和实验复杂性，但并未考虑温度飞升对燃料行为产生的影响，因此，堆外PCI模拟实验所得的结果仅是对燃料行为的近似描述。
又如文献《Vidal T,Gallais L,et al."Simulation of reactivity initiatedaccident thermal transients on nuclear fuels with laser remote heating."Journal of Nuclear Materials 530(2020):151944.》详细介绍了利用激光加热模拟棒状燃料元件RIA工况的实验方法。该实验使用正锥棱镜与经典透镜形成环形激光信号，并使用激光光束示廓仪来调整环形激光束的几何尺寸，借助脉冲激光信号来实现棒状燃料RIA工况温度飞升的模拟。此实验能够精确控制棒状燃料的温度分布，其加热速率与真实反应堆中RIA工况下燃料温度飞升速率近似，但无法较为容易地获得十字形环形激光束，不能对螺旋燃料进行模拟。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种利用激光加热模拟螺旋燃料反应性引入事故的装置，该装置通过利用一侧掺镱光纤激光器发射激光束透过十字形激光光束透光板形成十字形激光束，将螺旋燃料加热到正常运行工况，随后使用光学高温计实时获取燃料温度，通过温度反馈控制装置实时控制掺镱光纤激光器发射功率，实现预加热阶段实验样品温度保持在设定范围；之后开启热成像仪，实现全过程样品温度的测量与记录，使用一侧掺镱光纤激光器发射激光束透过十字形激光光环透光板形成十字形激光环，实现螺旋燃料RIA工况的模拟。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
一种利用激光加热模拟螺旋燃料反应性引入事故的装置，包括实验台A，正对实验台A两侧视窗布置第一掺镱光纤激光器B与第二掺镱光纤激光器H，布置于实验台周围视窗的光学高温计D与热成像仪G，与光学高温计D、热成像仪G和第一掺镱光纤激光器B相连接的温度反馈控制装置C，放置于实验台A中心的样品台F，支撑样品台F的样品台支架E；样品台F包括：样品支撑块N，固定样品支撑块N的样品支架K，置于样品支架K中间的平整蓝宝石光窗L与带定位凹点的蓝宝石光窗P，用于带定位凹点的蓝宝石光窗P和十字形激光光环透光板M定位的球形定位销Q，平整蓝宝石光窗L与实验样品I之间的十字形激光光束透光板O，平整蓝宝石光窗L与带定位凹点的蓝宝石光窗P之间的十字形激光光环透光板M，置于两片平整蓝宝石光窗L之间的实验样品I及围绕实验样品I布置的隔热环J；所述实验样品I用于模拟螺旋燃料；
当需要模拟螺旋燃料反应性引入事故时，实验开始时，调整样品台支架E，使样品台F、第一掺镱光纤激光器B和第二掺镱光纤激光器H三者中心位于同一直线上，之后依次打开第一掺镱光纤激光器B、光学高温计D与温度反馈控制装置C，第一掺镱光纤激光器B产生稳定激光照射，使激光束依次透过平整蓝宝石光窗L与十字形激光光束透光板O，对实验样品I进行预加热，使实验样品I温度分布与其正常运行工况温度分布一致，光学高温计D监测实验样品I的温度，并通过温度反馈控制装置C实时控制第一掺镱光纤激光器B的发射功率，实现预加热阶段后期实验样品I温度保持在设定范围内；完成实验样品I预加热之后，打开热成像仪G，实现模拟反应性引入事故过程温度的监测与记录；打开第二掺镱光纤激光器H，第二掺镱光纤激光器H产生脉冲激光照射，脉冲激光信号依次通过带定位凹点的蓝宝石光窗P、十字形激光光环透光板M与平整蓝宝石光窗L，实现实验样品I边缘位置十字环形脉冲激光信号加热，以此实现螺旋燃料RIA工况的模拟。
所述实验样品I的厚度小于实验样品I的材料热扩散长度。
所述隔热环J、样品支撑块N、样品支架K、十字形激光光束透光板O和十字形激光光环透光板M由二氧化锆耐高温隔热材料制作。
所述带定位凹点的蓝宝石光窗P与十字形激光光环透光板M的定位凹点数目能使二者实现相互固定，以产生规定精度的十字形激光环。
所述平整蓝宝石光窗L、十字形激光光束透光板O、实验样品I及围绕实验样品I布置的隔热环J、带定位凹点的蓝宝石光窗P与十字形激光光环透光板M依次摆放，相邻部件之间实现紧密贴合。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明成本较低，操作难度较小且可靠性好。
2.本发明采用非接触测量方式，可同时采集多个采集点的参数数据，并且使用计算机识别，采集速率较快。
3.本发明采用激光加热方式，可按实际需求对实验样品实现较高时间与空间精度的加热。
4.本发明可较为容易地产生不同形状的环形激光脉冲信号，可适应不同类型燃料的模拟实验。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明样品台结构示意图。
图3为本发明十字形激光光束透光板结构示意图。
图4为本发明十字形激光光环透光板结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种利用激光加热模拟螺旋燃料反应性引入事故的装置，包括实验台A，正对实验台A两侧视窗布置第一掺镱光纤激光器B与第二掺镱光纤激光器H，布置于实验台周围视窗的光学高温计D与热成像仪G，与光学高温计D、热成像仪G和第一掺镱光纤激光器B相连接的温度反馈控制装置C，放置于实验台A中心的样品台F，支撑样品台F的样品台支架E；样品台F包括：样品支撑块N，固定样品支撑块N的样品支架K，置于样品支架K中间的平整蓝宝石光窗L与带定位凹点的蓝宝石光窗P，用于带定位凹点的蓝宝石光窗P和十字形激光光环透光板M定位的球形定位销Q，平整蓝宝石光窗L与实验样品I之间的十字形激光光束透光板O，平整蓝宝石光窗L与带定位凹点的蓝宝石光窗P之间的十字形激光光环透光板M，置于两片平整蓝宝石光窗L之间的实验样品I及围绕实验样品I布置的隔热环J；所述实验样品I用于模拟螺旋燃料。
如图3所示，本发明十字形激光光束透光板O采用二氧化锆材料，并在表面增加黑色涂层，防止激光反射；内部十字形镂空满足设计尺寸，以产生满足设定尺寸的十字形激光光环。
如图4所示，本发明十字形激光光环透光板M采用二氧化锆材料，并在表面增加黑色涂层，防止激光反射；所带定位凹点的数目能满足十字形激光光环透光板M的全自由度固定，以产生设定精度的十字形激光光环。
本实施例获取实验样品I在反应性引入事故下的行为，实验开始前，实验样品I在含碘的辐照环境下进行预处理，以模拟实验样品I在反应堆内的辐照损伤。
本实施例的大致工作原理如下：当需要模拟螺旋燃料反应性引入事故时，实验开始时，调整样品台支架E，使样品台F、第一掺镱光纤激光器B和第二掺镱光纤激光器H三者中心位于同一直线上，之后依次打开第一掺镱光纤激光器B、光学高温计D与温度反馈控制装置C，第一掺镱光纤激光器B产生稳定激光照射，使激光束依次透过平整蓝宝石光窗L与十字形激光光束透光板O，对实验样品I进行预加热，使实验样品I温度分布与其正常运行工况温度分布一致，光学高温计D监测实验样品I的温度，并通过温度反馈控制装置C实时控制第一掺镱光纤激光器B的发射功率，实现预加热阶段后期实验样品I温度保持在设定范围内；完成实验样品I预加热之后，打开热成像仪G，实现模拟反应性引入事故过程温度的监测与记录；打开第二掺镱光纤激光器H，第二掺镱光纤激光器H产生脉冲激光照射，脉冲激光信号依次通过带定位凹点的蓝宝石光窗P、十字形激光光环透光板M与平整蓝宝石光窗L，实现实验样品I边缘位置十字环形脉冲激光信号加热，以此实现螺旋燃料RIA工况的模拟。
作为本发明的优选实施方式，所述实验台A为密闭性实验台。
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 (5)

1.一种利用激光加热模拟螺旋燃料反应性引入事故的装置，其特征在于：包括实验台(A)，正对实验台(A)两侧视窗布置第一掺镱光纤激光器(B)与第二掺镱光纤激光器(H)，布置于实验台周围视窗的光学高温计(D)与热成像仪(G)，与光学高温计(D)、热成像仪(G)和第一掺镱光纤激光器(B)相连接的温度反馈控制装置(C)，放置于实验台(A)中心的样品台(F)，支撑样品台(F)的样品台支架(E)；样品台(F)包括：样品支撑块(N)，固定样品支撑块(N)的样品支架(K)，置于样品支架(K)中间的平整蓝宝石光窗(L)与带定位凹点的蓝宝石光窗(P)，用于带定位凹点的蓝宝石光窗(P)和十字形激光光环透光板(M)定位的球形定位销(Q)，平整蓝宝石光窗(L)与实验样品(I)之间的十字形激光光束透光板(O)，平整蓝宝石光窗(L)与带定位凹点的蓝宝石光窗(P)之间的十字形激光光环透光板(M)，置于两片平整蓝宝石光窗(L)之间的实验样品(I)及围绕实验样品(I)布置的隔热环(J)；所述实验样品(I)用于模拟螺旋燃料；
当需要模拟螺旋燃料反应性引入事故时，实验开始时，调整样品台支架(E)，使样品台(F)、第一掺镱光纤激光器(B)和第二掺镱光纤激光器(H)三者中心位于同一直线上，之后依次打开第一掺镱光纤激光器(B)、光学高温计(D)与温度反馈控制装置(C)，第一掺镱光纤激光器(B)产生稳定激光照射，使激光束依次透过平整蓝宝石光窗(L)与十字形激光光束透光板(O)，对实验样品(I)进行预加热，使实验样品(I)温度分布与其正常运行工况温度分布一致，光学高温计(D)监测实验样品(I)的温度，并通过温度反馈控制装置(C)实时控制第一掺镱光纤激光器(B)的发射功率，实现预加热阶段后期实验样品(I)温度保持在设定范围内；完成实验样品(I)预加热之后，打开热成像仪(G)，实现模拟反应性引入事故过程温度的监测与记录；打开第二掺镱光纤激光器(H)，第二掺镱光纤激光器(H)产生脉冲激光照射，脉冲激光信号依次通过带定位凹点的蓝宝石光窗(P)、十字形激光光环透光板(M)与平整蓝宝石光窗(L)，实现实验样品(I)边缘位置十字环形脉冲激光信号加热，以此实现螺旋燃料应性引入事故的模拟。
2.如权利要求1所述的一种利用激光加热模拟螺旋燃料反应性引入事故的装置，其特征在于：所述实验样品(I)的厚度小于实验样品(I)的材料热扩散长度。
3.如权利要求1所述的一种利用激光加热模拟螺旋燃料反应性引入事故的装置，其特征在于：所述隔热环(J)、样品支撑块(N)、样品支架(K)、十字形激光光束透光板(O)和十字形激光光环透光板(M)由二氧化锆耐高温隔热材料制作。
4.如权利要求1所述的一种利用激光加热模拟螺旋燃料反应性引入事故的装置，其特征在于：所述带定位凹点的蓝宝石光窗(P)与十字形激光光环透光板(M)的定位凹点数目能使二者实现相互固定，以产生规定精度的十字形激光环。
5.如权利要求1所述的一种利用激光加热模拟螺旋燃料反应性引入事故的装置，其特征在于：所述平整蓝宝石光窗(L)、十字形激光光束透光板(O)、实验样品(I)及围绕实验样品(I)布置的隔热环(J)、带定位凹点的蓝宝石光窗(P)与十字形激光光环透光板(M)依次摆放，相邻部件之间实现紧密贴合。
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