CN211741178U - 一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，试验系统包括高温反应炉、为高温反应炉提供氦气的氦气供应单元、检测高温反应炉出口处气体成分的检测单元，试验系统还包括为高温反应炉提供氧气的氧气供应单元，氦气供应单元、氧气供应单元通过供应管道与高温反应炉连通，试验系统还包括设于供应管道上且用于将氦气供应单元、氧气供应单元供应的氦气和氧气混合后供应至高温反应炉中的混合单元；该试验系统能够模拟高温气冷堆运行工况条件，在冷却剂氦气中混入一定量杂质（H₂O、O₂），控制反应温度、反应时间，使气体与陶瓷堆内构件（石墨、碳砖）发生化学反应，检测反应前后气体含量变化，从而为建立氧化腐蚀模型提供基础。

Description

一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台

技术领域

本实用新型涉及高温气冷堆热老化研究领域，具体涉及一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台。

背景技术

高温气冷堆中的陶瓷堆内构件（石墨和碳砖）是由上万个石墨和碳堆内构件组成的有堆芯腔圆柱体，是高温气冷堆重要部件之一，运行中同时受温度、辐照、应力和腐蚀等因素影响。为研究高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化规律，需搭建试验平台模拟实际工况条件，需具备温度、气体分压和流速的精确控制，满足高温堆冷却剂气氛杂质含量要求，并可在线原位测量反应炉出口气体中反应气体和生成气体的含量，另外还需具备气体循环净化功能，实现长周期热老化研究。目前国内尚无此类功能的试验平台。

发明专利201210564158.2公开了一种高温气冷堆温度及碳还原环境模拟装置，其特征在于，该装置包括：加热体、均温套筒、保温层和炉体，所述加热体套装于所述均温套筒内，所述加热体与所述均温套筒间存在缝隙，所述保温层包括上保温层、下保温层、侧保温层，所述均温套筒的顶端和底端分别与上保温层和下保温层接触，所述下保温层和侧保温层沿炉体的内壁设置，所述均温套筒侧壁与所述保温层之间形成密闭空腔。该高温气冷堆温度及碳还原环境模拟装置，能够模拟反应堆内部的高温碳还原环境，使测试区内能够覆盖高温气冷堆从正常运行到极限事故条件下的全部温度范围。该发明专利提供了一种针对高温气冷堆的材料测试平台，提供真空和氦气保护两种高温气冷堆工况。但是，未涉及H₂O、O₂等杂质混入高温堆冷却剂氦气的工况条件，且该专利所述加热体和均温套筒为石墨材料，不能承压，无法模拟蒸汽发生器换热管破裂进水事故工况条件。

发明内容

本实用新型目的是为了克服现有技术的不足而提供一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，试验系统包括高温反应炉、为高温反应炉提供氦气的氦气供应单元、检测高温反应炉出口处气体成分的检测单元，试验系统还包括为高温反应炉提供氧气的氧气供应单元，氦气供应单元、氧气供应单元通过供应管道与高温反应炉连通，试验系统还包括设于供应管道上且用于将氦气供应单元、氧气供应单元供应的氦气和氧气混合后供应至高温反应炉中的混合单元。

优选地，试验系统还包括设于供应管道上的气体预热器，气体预热器位于混合单元的下游。

优选地，混合单元包括依次设于供应管道上的储气罐和反应气流量控制器，储气罐位于供应管道的远离高温反应炉的一侧，反应气流量控制器位于供应管道的靠近高温反应炉的一侧。

优选地，试验系统还包括与高温反应炉和气体预热器均连通的纯水供应单元，纯水供应单元包括纯水罐、泵动纯水罐中的纯水至高温反应炉或气体预热器的蠕动泵。

优选地，试验系统还包括用于对高温反应炉反应后气体中的氦气进行回收再利用的回收利用单元，回收利用单元包括连接在供应管道与高温反应炉之间的回收管道、设于回收管道上的循环泵和氦气纯化器，回收管道与供应管道的连接处位于储气罐上游，循环泵位于回收管道的靠近高温反应炉的一侧，氦气纯化器位于回收管道的远离高温反应炉的一侧。

优选地，检测单元包括能够对高温反应炉出口处气体成分进行实时在线监测的监测机构，监测机构包括在线气相色谱仪和在线露点仪。

优选地，监测机构与混合单元连通，且监测机构能够检测混合单元中混合后的气体成分。

优选地，氦气供应单元包括氦气瓶、连接氦气瓶与供应管道之间的氦气管道、设于氦气管道上的氦气流量控制器。

优选地，氧气供应单元包括氧气瓶、连接氧气瓶与供应管道之间的氧气管道、设于氧气管道上的氧气流量控制器。

优选地，高温反应炉中的炉管及样品支架由GH747镍基合金管构成。

由于以上技术方案的实施，本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

本实用新型的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，能够模拟高温气冷堆运行工况条件，在冷却剂氦气中混入一定量杂质（H₂O、O₂），控制反应温度、反应时间，使气体与陶瓷堆内构件（石墨、碳砖）发生化学反应，检测反应前后气体含量变化，从而为建立氧化腐蚀模型提供基础，并通过检测反应前后陶瓷堆内构件试样物理和机械性能变化，掌握构件热老化规律。

附图说明

图1为本实用新型的试验系统整体结构示意图；

其中：1、氧气瓶；2、氦气瓶；3、氧气流量控制器；4、氦气流量控制器；5、储气罐；6、反应气流量控制器；7、气体预热器；8、高温反应炉；9、气体循环泵；10、氦气纯化器；11、纯水罐；12、蠕动泵；13、真空泵；14、排气冷肼；15、在线气相色谱仪；16、在线露点仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1所示，一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，试验系统包括高温反应炉8、为高温反应炉8提供氦气的氦气供应单元、检测高温反应炉8出口处气体成分的检测单元、与高温反应炉8的出口连通排气冷肼、为高温反应炉8提供氧气的氧气供应单元、用于将氦气供应单元与氧气供应单元供应的氦气和氧气混合后供应至高温反应炉8中的混合单元、气体预热器7、对试验系统中各设备及各管道进行抽真空的真空泵13，氦气供应单元、氧气供应单元通过供应管道与高温反应炉8连通，混合单元设于供应管道上，气体预热器7设于供应管道上且位于混合单元的下游，气体预热器7可以对气体预先加热，即采用分级加热方式，反应气体先经过气体预热器7升温至试验温度，再通入高温反应炉8与陶瓷堆内构件试样反应，从而确保没有极性的氦气的温度达到试验要求，同时有利于高温反应炉8中温度场分布均匀。

高温反应炉8中的炉管及样品支架由GH747镍基合金管构成，镍基合金能够承压，能够为模拟蒸汽发生器换热管破裂进水事故工况提供前提条件。

本例中，混合单元包括依次设于供应管道上的储气罐5和反应气流量控制器6，储气罐5位于供应管道的远离高温反应炉8的一侧，反应气流量控制器6位于供应管道的靠近高温反应炉8的一侧。

检测单元包括能够对高温反应炉8出口处气体成分进行实时在线监测的监测机构，监测机构包括在线气相色谱仪15和在线露点仪16。在线气相色谱仪15和在线露点仪16分别与供应管道连接，且在线气相色谱仪15和在线露点仪16也分别与高温反应炉8出口处连接，即监测机构不仅能够对高温反应炉8出口处气体成分进行实时在线监测，还能够对混合单元中混合后的气体成分进行在线检测，以判断混合单元混合后的气体成分是否达到要求。

进一步地，试验系统还包括与高温反应炉8和气体预热器7均连通的纯水供应单元、用于对高温反应炉8反应后气体中的氦气进行回收再利用的回收利用单元；本例中，纯水供应单元包括纯水罐11、泵动纯水罐11中的纯水至高温反应炉8或气体预热器7的蠕动泵12；回收利用单元包括连接在供应管道与高温反应炉8之间的回收管道、设于回收管道上的循环泵和氦气纯化器10，回收管道与供应管道的连接处位于储气罐5上游，循环泵位于回收管道的靠近高温反应炉8的一侧，氦气纯化器10位于回收管道的远离高温反应炉8的一侧。

此外，氦气供应单元包括氦气瓶2、连接氦气瓶2与供应管道之间的氦气管道、设于氦气管道上的氦气流量控制器4。氧气供应单元包括氧气瓶1、连接氧气瓶1与供应管道之间的氧气管道、设于氧气管道上的氧气流量控制器3。

各流量控制器选用高精度5 L/min、0.1 L/min范围的流量控制器，分别控制氦气和氧气按比例在储气罐5中充分混合，使得氧气分压在1～25 kPa范围内连续可调。

选用0.001 mL/min～10 mL/min范围蠕动泵12控制注水量，进入气体预热器7中瞬时汽化并与氦气混合，使得水分压在1 kPa～365 kPa范围内连续可调。

储气罐5选用316L不锈钢材质，设置压力传感器及安全阀，控制压力为0.16 MPa。

气体预热器7采用模糊PID控制的管式加热器，管体及加热管均选用310S材质，气体预热温度在100 ℃~750 ℃范围内连续可调。

高温反应炉8采用模糊PID控制，具有自整定调节功能。炉管及样品支架选用GH747镍基合金管，具有良好的耐高温氧化性能，加热温度可达1200℃，精度±0.5℃，恒温区Φ250*700 mm，配备2个石英炉堵，保证恒温区温度稳定及防止密封圈高温老化。炉体结构采用双层壳体机构，带有风冷系统，使表面温度低于70℃。炉膛材料选用高纯氧化铝纤维，加热效率高、使用寿命长。高温反应炉8具有设备安防、连锁保护、干扰信号屏蔽和漏电保护装置。

气体循环泵9选用无油泵，避免对高纯氦气造成污染。

氦气纯化器10采用纳米复合催化纯化剂与贵金属合金纯化剂联合纯化工艺，处理后氦气纯度可达99.999%。结合复式结构设计，即一塔工作吸附杂质气体、另一塔反应抽真空脱附，并选用超净级不锈钢管道和316L不锈钢电解抛光高纯阀门，确保氦气纯化器10长期可靠运行。

纯水罐11选用316L不锈钢材质，防止腐蚀造成水质变化。

在线气相色谱仪15，采用双通道设计，配置1个PDD检测器用于检测H2、CO、CO2、CH4、N2含量，1个TCD检测器用于检测O2含量，检测限分别为：H2(4ppmv)、CO(4ppmv)、CO2(4ppmv)、CH4(4ppmv)、N2(1.5ppmv)、O2(1.5ppmv)。

在线露点仪16，采用陶瓷湿度传感器，响应时间：1min，检测范围：-100~﹢20℃露点（0~3000ppmv），精度：±2℃露点。

以下对本实用新型高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台进行氧化腐蚀试验及模拟运行工况热老化试验的具体实验情况进行描述；

氧化腐蚀试验：

（一）考察氧气掺杂影响：启动真空泵13对整个试验系统进行抽真空，氧气瓶1和氦气瓶2中的气体经氧气流量控制器3和氦气流量控制器4按一定比例输出后在储气罐5中混合。混合气体成分经在线气相色谱仪15、在线露点仪16检测合格后，通过反应气流量控制器6控制一定的流速进入气体预热器7，升温至设定试验温度后进入高温反应炉8与陶瓷堆内构件试样发生反应。反应过程中，采用在线气相色谱仪15、在线露点仪16实时监测高温反应炉8出口处气体成分。反应后气体通过排气冷肼14排放。

（二）考察水掺杂影响：启动真空泵13对整个试验系统进行抽真空，纯水罐11中的水通过蠕动泵12按一定流量注入气体预热器7中汽化与氦气流量控制器4控制的一定流量的氦气混合并升温至设定试验温度后进入高温反应炉8与陶瓷堆内构件试样发生反应。反应过程中，采用在线气相色谱仪15、在线露点仪16实时监测高温反应炉8出口处气体成分，反应后气体通过排气冷肼14排放。

根据上述两项氧化腐蚀试验反应后气体含量监测结果可获得陶瓷堆内构件氧化腐蚀模型。

模拟运行工况热老化试验：

（一）正常工况：启动真空泵13对整个试验系统进行抽真空，氦气瓶2经减压阀后存储于储气罐5中，然后通过反应气流量控制器6控制一定流量进入气体预热器7，升温至设定试验温度后进入高温反应炉8与陶瓷堆内构件试样发生反应。反应过程中，采用在线气相色谱仪15、在线露点仪16实时监测高温反应炉8出口处气体成分。反应后气体经过气体循环泵9通入氦气纯化器10回收利用。正常工况条件下，热老化一定时间后（最长可达5000 h），采用在线气相色谱仪15、在线露点仪16实时检测高温反应炉8出口处气体成分，然后取出陶瓷堆内构件试样进行物理和机械性能检测，从而掌握其氧化腐蚀和热老化规律。

（二）蒸发器换热管断裂进水事故工况：根据理论计算获得模拟事故工况的注水量，在正常工况运行条件下，通过蠕动泵12向高温反应炉中注入一定量的水，同时关闭所有阀门，并按拟定的温度变化曲线控制反应炉温度，最高温度1027℃。事故工况条件下，热老化一定时间后（最长可达200 h），采用在线气相色谱仪15、在线露点仪16实时检测高温反应炉8出口处气体成分，然后取出陶瓷堆内构件试样进行物理和机械性能检测，从而掌握其氧化腐蚀和热老化规律。

综上所述，本实用新型的试验系统可模拟高温气冷堆运行工况条件，开展陶瓷堆内构件试样热老化研究，连续反应时间可达5000 h以上。利用该试验系统，可在核冷却剂中精准掺杂O2、H2O，考察掺杂气体分压、温度和时间等对陶瓷堆内构件氧化腐蚀速率的影响研究，建立氧化腐蚀模型。利用该试验系统，可在正常工况条件下向高温反应炉注入一定量的水，模拟高温堆蒸汽发生器传热管破裂进水，开展事故工况条件下陶瓷堆内构件热老化研究。

此外，采用在线气相色谱仪与在线露点仪联用，可实时监测高温反应炉出口处H2、CO、CO2、CH4、N2、O2、H2O的含量。采用气体预热器实现分级加热方式，反应气体先经过气体预热器升温至试验温度，再通入高温反应炉与陶瓷堆内构件试样反应，从而确保没有极性的氦气的温度达到试验要求，同时有利于高温反应炉中温度场分布均匀。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，所述试验平台包括高温反应炉、为所述高温反应炉提供氦气的氦气供应单元、检测所述高温反应炉出口处气体成分的检测单元，其特征在于：所述试验平台还包括为所述高温反应炉提供氧气的氧气供应单元，所述氦气供应单元、氧气供应单元通过供应管道与所述高温反应炉连通，所述试验平台还包括设于所述供应管道上且用于将所述氦气供应单元、氧气供应单元供应的氦气和氧气混合后供应至所述高温反应炉中的混合单元。

2.根据权利要求1所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，其特征在于：所述试验平台还包括设于所述供应管道上的气体预热器，所述气体预热器位于所述混合单元的下游。

3.根据权利要求1所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，其特征在于：所述混合单元包括依次设于所述供应管道上的储气罐和反应气流量控制器，所述储气罐位于所述供应管道的远离所述高温反应炉的一侧，所述反应气流量控制器位于所述供应管道的靠近所述高温反应炉的一侧。

4.根据权利要求2所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，其特征在于：所述试验平台还包括与所述高温反应炉和气体预热器均连通的纯水供应单元，所述纯水供应单元包括纯水罐、泵动所述纯水罐中的纯水至所述高温反应炉或所述气体预热器的蠕动泵。

5.根据权利要求3所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，其特征在于：所述试验平台还包括用于对所述高温反应炉反应后气体中的氦气进行回收再利用的回收利用单元，所述回收利用单元包括连接在供应管道与所述高温反应炉之间的回收管道、设于所述回收管道上的循环泵和氦气纯化器，所述回收管道与供应管道的连接处位于所述储气罐上游，所述循环泵位于所述回收管道的靠近所述高温反应炉的一侧，所述氦气纯化器位于所述回收管道的远离所述高温反应炉的一侧。

6.根据权利要求1所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，其特征在于：所述检测单元包括能够对所述高温反应炉出口处气体成分进行实时在线监测的监测机构，所述监测机构包括在线气相色谱仪和在线露点仪。

7.根据权利要求6所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，其特征在于：所述监测机构与所述混合单元连通，且所述监测机构能够检测混合单元中混合后的气体成分。

8.根据权利要求1所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，其特征在于：所述氦气供应单元包括氦气瓶、连接所述氦气瓶与所述供应管道之间的氦气管道、设于所述氦气管道上的氦气流量控制器。

9.根据权利要求1所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，其特征在于：所述氧气供应单元包括氧气瓶、连接所述氧气瓶与所述供应管道之间的氧气管道、设于所述氧气管道上的氧气流量控制器。

10.根据权利要求1所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验平台，其特征在于：所述高温反应炉中的炉管及样品支架由GH747镍基合金管构成。

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