[发明专利]核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置及方法

权利要求书

1.一种核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置，其特征在于，包括加热炉(1)，加热炉(1)壳体从内向外依次由内部加热层(2)、中间保温层(3)和外壳(4)组成，加热炉(1)壳体两侧开有耐高温石英玻璃视窗(5)；加热炉(1)内部存在温度稳定的恒温区(6)；支撑座(7)和板型燃料模拟件(8)放置于恒温区(6)；恒温区(6)内安装有K型热电偶(9)；支撑座(7)由底座(10)以及通过螺栓(11)连接在底座(10)上的可旋转固定架(12)组成；板型燃料模拟件(8)放置于支撑座(7)内，由下包壳(13)、存在开孔(14)的上包壳(15)、位于下包壳(13)和上包壳(15)端部间的中间格架(16)以及位于下包壳(13)、上包壳(15)和中间格架(16)间的芯体(17)组成，上包壳(15)表面贴有K型热电偶丝(18)，板型燃料模拟件(8)熔化后熔融物(19)从开孔(14)流出；激光装置分为激光发射装置(20)和激光接收装置(21)，激光发射装置(20)和激光接收装置(21)分别放置于加热炉(1)两侧，由激光发射装置(20)射出的激光束(22)透过耐高温石英玻璃视窗(5)穿过熔融物迁移路径到达激光接收装置(21)；熔融物(19)溪状流动过程中会阻断激光，也会流出激光束流道，激光接收装置(21)能够探测得到被阻断的激光束(22)的位置及阻断时间点；真空泵(23)通过第一排气管道(24)将加热炉(1)内的气体抽向储气罐(25)；排气管道(24)上安装有球阀(26)；加热炉(1)通过安全阀(27)与储气罐(25)相连；使用氩气瓶(28)通过充气管道(29)向加热炉(1)充氩气，氩气瓶出口有减压阀(30)，充气管道(29)上安装有球阀(26)；充气管道中间设置缓冲罐(31)；K型热电偶(9)、K型热电偶丝(18)、激光接收装置(21)、加热炉(1)与控制系统(32)相连；控制系统(32)能根据K型热电偶(9)测得的加热炉(1)内温度上升速率调整加热炉(1)功率，还能记录板型燃料模拟件(8)的温度，还能通过熔融物(19)阻断激光束(22)的时间点、流出激光束(22)光道的时间点、被阻断激光束(22)的位置、重新到达激光接收装置(21)的激光束的位置计算熔融物(19)溪状流迁移形态、速度以及厚度；加热炉(1)装有压力表(33)，检测加热炉(1)内压力；储气罐(25)通过安装有球阀(26)的第二排气管道(34)和安装有安全阀(27)的泄压管道(35)与外界环境相连通；实验装置能够研究不同倾角的核反应堆板型燃料模拟件的芯体(17)的熔化特性以及不同开孔(14)尺寸、形状下的熔融物(19)溪状流厚度、流速迁移特性。

2.根据权利要求1所述的一种核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置，其特征在于，所述板型燃料模拟件(8)整体外观为长方形，高度为200mm；下包壳(13)、上包壳(15)的厚度为0.5mm，宽度为100mm；芯体(17)的厚度为1mm，宽度为8mm，高度为96mm，放置于下包壳(13)和上包壳(15)的中心位置，芯体(17)外部由中间格架(16)包围；开孔(14)的形状、尺寸根据需要设定。

3.根据权利要求1所述的一种核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置，其特征在于，支撑座(7)的底座(10)、可旋转固定架(12)材料为不锈钢；底座(10)与加热炉(1)通过螺栓连接；板型燃料模拟件(8)的下包壳(13)、上包壳(15)、中间格架(16)为不锈钢材料，芯体(17)为锌金属。

4.根据权利要求1所述的一种核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置，其特征在于，所述激光发射装置(20)发射激光穿透耐高温石英玻璃视窗(5)，单束激光直径为0.05mm，水平方向激光间距为0.05mm，高度方向激光间距为10mm，最上层激光距最下层激光200mm，最内侧激光距最外侧激光1mm；按照最内侧激光紧贴板型燃料模拟件(8)，且按照激光束(22)与板型燃料模拟件(8)平面平行的位置要求布置激光发射装置(20)和激光接收装置(21)。

5.权利要求1至4任一项所述的核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置的实验方法，其特征在于，在实验开始前，调整支撑座(7)的可旋转固定架(12)至指定倾角，拧紧螺栓(11)，将板型燃料模拟件(8)放置于可旋转固定架(12)内，并将支撑座(7)放置于加热炉(1)的恒温区(6)内，并拧紧可旋转固定架(12)与底座(10)的连接螺栓；在实验预热阶段，加热炉(1)的恒温区(6)在10-20min内升温至200℃，之后将加热炉(1)内气体通过真空泵(23)抽真空，以防止后期高温阶段中空气氧化熔融物，氩气瓶(28)向加热炉(1)内充氩气，直至压力达到0.095MPa；经过3-5轮重复抽气、充氩气后，将恒温区(6)快速加热至450℃，之后调整加热速率，以1℃/min的速度缓慢加热恒温区(6)，直至芯体(17)发生熔化，熔融物(19)通过开孔(14)流出上包壳(15)，阻断激光束(22)，第一束激光被阻断的时间点为芯体(17)熔化时间点，记录下K型热电偶丝(18)所测得的温度；芯体(17)熔化后，控制系统(32)不断调整加热炉功率，使恒温区(6)温度稳定；熔融物(19)以溪状流向下迁移的过程中会阻断激光束(22)，也会流出激光束(22)光道；激光接收装置(21)记录熔融物(19)阻断激光束(22)的时间点、流出激光束(22)光道的时间点、被阻断激光束(22)的位置、重新到达激光接收装置(21)的激光束(22)的位置，并传给控制系统(32)，控制系统(32)记录熔融物(19)溪状流迁移形态、计算其迁移速度以及溪状流厚度；当被阻断的激光束(22)在20min内不发生变化时，认为熔融物(19)流动达到稳定状态，调整加热炉(1)为零功率，使其缓慢冷却；实验结束后，通过分析实验结果，揭示不同倾角的核反应堆板型燃料的熔化行为机理以及不同开孔(14)尺寸、形状下的熔融物(19)溪状流厚度、流速迁移行为机理。