[发明专利]一种熔融物与液态金属相互作用研究的试验系统及方法

权利要求书

1.一种熔融物与液态金属相互作用研究的试验系统，其特征在于：包括储钠罐(1)、回钠罐(2)、氩气缓冲罐(3)、反应容器(4)、电磁感应加热熔炉(5)、油冷回路(6)、真空泵(7)、油冷压缩机(8)、油泵(9)、液态金属钠过滤装置(10)以及管道阀门；所述的反应容器(4)为该试验系统的主要装置，其内上部空间安装有电磁感应加热熔炉(5)，通过电磁感应加热的方式为实验提供熔融物；下部空间充有从储钠罐(1)充入的液态金属钠，根据实验工况要求，将熔融物注入液态金属钠中，从而完成熔融物与液态金属相互作用实验；

反应容器(4)内液态金属钠池中布置有多组热电偶(412)，对液态金属钠的温度变化进行测量，反应容器(4)底部安装有不锈钢托盘(801)对熔融物碎片进行收集，反应容器(4)外壁面缠绕有电加热丝并包裹保温棉，对内部液态金属钠的温度进行控制；

所述的电磁感应加热熔炉(5)由氧化锆坩埚(601)、设置在氧化锆坩埚(601)外部的石墨坩埚(602)、设置在石墨坩埚(602)外部的电磁感应线圈(603)以及烧结电磁感应线圈(603)的镁砂打结体(604)组成，并通过其下部的支撑结构(605)将其固定在反应容器(4)的内壁面上，电磁感应线圈(603)的供电和冷却通过第一电源接线柱(608)和第二电源接线柱(609)以及第一冷却管线(606)和第二冷却管线(607)完成，且电源接线柱和冷却管线镶嵌在法兰盘上，该法兰盘通过与反应容器(4)上的法兰相连接，实现贯穿件的高度密封；反应容器(4)外部的电磁感应线圈油冷回路(6)上分布有油冷压缩机(8)和油泵(9)，驱动低温冷却油对电磁感应线圈(603)进行持续冷却；第一电源接线柱(608)和第二电源接线柱(609)与中频感应电源相连，为电磁感应线圈(603)提供高频的交流电源；

储钠罐(1)、回钠罐(2)和反应容器(4)中均涉及金属钠，初始试验时需通过真空泵(7)和氩气缓冲罐(3)提供的氩气对试验系统去除残留的空气，从而提供惰性环境保护；通过氩气缓冲罐(3)以及不同气阀间的开关配合实现容器内压的不同，储钠罐(1)、回钠罐(2)和反应容器(4)中液态金属钠的流动依靠重力及各容器间的压差驱动；

储钠罐(1)位于反应容器(4)的底部，并通过第一钠阀(101)和第二钠阀(102)相连，为反应容器(4)注入高纯度液态金属钠；回钠罐(2)位于储钠罐(1)的侧位，依次通过第一钠阀(101)、第三钠阀(103)、液态金属钠过滤装置(10)和第五钠阀(105)与反应容器(4)相连，接收由反应容器(4)回流的液态金属钠；经过液态金属钠过滤装置(10)对回流的液态金属钠进行过滤后，最终流入回钠罐(2)中进行沉淀，待回流的金属钠在回钠罐(2)中沉淀充分后，依靠储钠罐(1)和回钠罐(2)之间的压差，将净化后的金属钠注入储钠罐(1)中；

储钠罐(1)和回钠罐(2)分别安装三个储钠罐电加热棒组件和三个回钠罐电加热棒组件，每个储钠罐电加热棒组件和回钠罐电加热棒组件轴向分布三层，每层周向均匀分布3根电加热棒；并在储钠罐(1)和回钠罐(2)外壁面缠绕有电加热丝和包裹保温棉；储钠罐(1)和回钠罐(2)内部金属钠的温度由轴向布置的三根储钠罐热电偶和三根回钠罐热电偶进行测量，储钠罐(1)和回钠罐(2)内金属钠的液位分别由储钠罐液位探针(501)和回钠罐液位探针(502)进行监测，内部氩气压力分别由储钠罐压力表(302)和回钠罐压力表(303)进行测量显示；

在液态金属钠的流动管道和阀门位置上，布置多个热电偶进行温度的测量和监测，避免金属钠凝固堵塞；

氩气缓冲罐(3)为整个试验系统提供氩气，并通过压力表(301)测量显示其内部的压力，出口总阀(201)控制整个氩气回路的开关；氩气主管路和真空泵(7)通过支路与储钠罐(1)、回钠罐(2)和反应容器(4)相连，进行抽真空和充入氩气。

2.权利要求1所述的熔融物与液态金属相互作用研究的试验系统的试验方法，其特征在于：试验时需单独对储钠罐(1)、回钠罐(2)和反应容器(4)进行残留空气的去除；关闭所有阀门后，打开第七气阀(207)和第二气阀(202)，同时启动真空泵(7)对储钠罐(1)抽真空，抽真空环节结束后，减小第二气阀(202)的开度，同时打开出口总阀(201)对储钠罐(1)充入氩气，并重复多次抽真空和充氩气，最终使得储钠罐(1)内部压力维持于大气压；采取同样操作对回钠罐(2)和反应容器(4)抽真空和充氩气；

反应容器(4)的充钠操作依靠压差驱动，打开第二钠阀(102)和第一钠阀(101)，并逐步提高储钠罐(1)内部压力，将液态金属钠缓慢注入反应容器(4)中，充钠完成后，关闭所有阀门进行实验；

反应容器(4)的排钠操作依靠重力驱动，打开第一钠阀(101)、第三钠阀(103)和第五钠阀(105)，并对反应容器(4)加压以及回钠罐(2)泄压，液态金属钠经过液态金属钠过滤装置(10)进行过滤后流入回钠罐(2)中进行沉淀，最终关闭所有阀门；待回钠罐(2)中液态金属钠沉淀充分后，对储钠罐(1)泄压以及对回钠罐(2)加压，打开第二钠阀(102)和第四钠阀(104)，将纯净的金属钠重新排入储钠罐(1)中，关闭所有阀门，为下次实验做准备；

将反应容器(4)法兰打开，取出不锈钢托盘(801)，并向氧化锆坩埚(601)中装入物料，并关闭反应容器(4)的法兰；由于开启过程中空气的进入，需要对反应容器(4)重新抽真空和充氩气，并保压测试；然后启动电磁感应线圈(603)的冷却回路，并对电磁感应线圈(603)通电，电能在石墨坩埚(602)上转化为热能，并通过氧化锆坩埚(601)将热量传递于氧化锆坩埚(601)中待熔化的物料，当物料熔化后并达到所要求的温度时，实现熔炼的目的；

将氧化锆坩埚(601)内部物料进行加热熔化时，对反应容器(4)内部注入的液态金属钠加热至预设温度后进行保温操作，并且氧化锆坩埚(601)内部熔化的物料温度达到预期温度后，将氧化锆坩埚(601)内部熔化的物料倾倒至反应容器(4)底部的液态金属钠池中，熔融物与液态金属钠发生相互作用，在熔融物与液态金属相互作用的过程中，通过试验系统安装的温度及压力测量传感器，借助NI数据采集系统，对相互作用过程中的温度和压力信号进行监测和保存，获得实验数据，判断高温熔融物与热传导性能极佳的液态金属钠相互作用过程时是否产生压力波和强烈震动现象；高温熔融物与液态金属相互作用后，反应容器(4)降温后将其中的液态金属排入回钠罐(2)中进行沉淀净化，其后打开反应容器(4)取出不锈钢托盘(801)，并借助酒精和水对残留凝固金属钠的不锈钢托盘(801)进行清洗，并最终对熔融物碎片进行尺寸及质量的测量；

通过实验过程中温度和压力信号随时间的变化趋势和信号的突变程度，推断熔融物与液态金属相互作用过程中能量释放的剧烈程度以及熔融物与液态金属相互作用过程中能量交换导致钠池温度分布的不均匀性；实验后，通过对熔融物碎片的尺寸和质量进行测量，并对测量数据进行统计分析，绘制熔融物碎片质量与尺寸的函数曲线，并计算得到熔融物碎片在其总质量1/2时的尺寸值，即熔融物碎片的质量中称直径，用以评估熔融物在与液态金属相互作用过程中的碎化程度，结合熔融物与液态金属相互作用过程中温度及压力信号的变化趋势，推断熔融物在液态金属冷却剂中的碎裂行为机理，从而为液态金属反应堆的安全设计和评估提供数据支撑和理论指导。