本發(fā)明屬于核安全控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

反應(yīng)堆包殼是核燃料的第一道屏障，是保障反應(yīng)堆核安全的重要部件，除了應(yīng)具備正常運(yùn)行工況下的各項(xiàng)物理、化學(xué)、力學(xué)、腐蝕及輻照性能外，還應(yīng)在像失水事故(loca)這樣的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故條件下，具備足夠的抵抗能力。尤其在2011年日本福島核電站發(fā)生核燃料泄漏事故后，各國(guó)重新審視核電廠的安全問(wèn)題，對(duì)評(píng)估反應(yīng)堆包殼材料的抗事故能力更為關(guān)注。

失水事故是核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，該事故下的反應(yīng)堆包殼材料性能必須進(jìn)行評(píng)估。失水事故發(fā)生時(shí)，反應(yīng)堆包殼溫度由正常運(yùn)行時(shí)的300多度急劇上升至1000℃以上；持續(xù)一段時(shí)間后，應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)(eccs)開(kāi)啟，包殼溫度下降至800℃左右后被水淹沒(méi)，即淬火。在此過(guò)程中，反應(yīng)堆包殼材料承受了高溫蒸汽氧化和劇烈的熱沖擊，有可能破損失效，導(dǎo)致核燃料泄漏。

要評(píng)估失水事故下反應(yīng)堆包殼材料的性能，就要模擬上述過(guò)程，對(duì)反應(yīng)堆包殼材料進(jìn)行高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)，然后測(cè)試其微觀組織、結(jié)構(gòu)與力學(xué)等性能。這樣模擬失水事故條件下包殼材料歷程的試驗(yàn)裝置，主要要求對(duì)樣品有急高的升溫速率，并在峰值溫度穩(wěn)定保持，并按規(guī)定的速率降溫，然后淬火。

按照現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)[1]y.yan，t.a.burtseva，m.c.billone.high-temperaturesteam-oxidationbehaviorofzr-1nbcladdingalloye110-breakawayoxidation.j.nucl.mater.393(2009)433-448；[2]馬樹春，孫源珍，陳望春，等.pwr失水事故工況下燃料包殼與水蒸汽反應(yīng)研究.原子能科學(xué)技術(shù)，1993,27(4)；[3]junhwankim，myoungholee，byoungkwonchoi，etal.embrittlementbehaviorofzircaloy-4claddingduringoxidationandwaterquench.nuclearengineeringanddesign235(2005)67-75的報(bào)道，現(xiàn)有的高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置主要采用輻射、感應(yīng)或電流短路這樣的快速加熱方式對(duì)樣品進(jìn)行升溫，由于加熱功率大，升溫快，速率不易控制，容易超溫，必須小心的調(diào)節(jié)溫控器；降溫受爐體傳熱性能影響，不容易任意調(diào)節(jié)。

按照現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)[4]brachetj.c.，pelchatj.，hamond.，etal.mechanicalbehaviouratroomtemperatureandmetallurgicalstudyoflow-tinzy-4andm5^tm(zr-nbo)alloysafteroxidationat1100℃andquenching.proceedingonfuelbehaviourandlocaconditions，10-14sept.2001，iaea，vienna，iaea-tecdoc-1320報(bào)道，也有將樣品垂直懸掛，通過(guò)快速降入爐膛獲得急劇升溫效果，然后剪斷懸掛，讓樣品墜入淬火池中的，但這樣缺少了降溫過(guò)程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的首要目的是提供反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置，以能夠準(zhǔn)確控制溫度、易操作、高效率、低成本的評(píng)估反應(yīng)堆包殼材料是否滿足反應(yīng)堆失水事故工況下的安全準(zhǔn)則，為反應(yīng)堆包殼制造者、反應(yīng)堆設(shè)計(jì)者提供必不可少的試驗(yàn)。

為實(shí)現(xiàn)此目的，在基礎(chǔ)的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置，所述的試驗(yàn)裝置包括蒸汽發(fā)生器、普通電阻爐、反應(yīng)腔、淬火池、熱偶、氫分析儀、連接管路，

所述的蒸汽發(fā)生器提供的高溫蒸汽經(jīng)所述的連接管路進(jìn)入所述的反應(yīng)腔；

所述的反應(yīng)腔用于放入樣品進(jìn)行所述的高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)；

所述的反應(yīng)腔通過(guò)其外部的所述的普通電阻爐進(jìn)行加熱；

所述的反應(yīng)腔中安裝所述的熱偶進(jìn)行測(cè)控溫；

所述的淬火池連接于所述的反應(yīng)腔的下部，用于樣品墜入其中裝盛的水進(jìn)行淬火；

所述的氫分析儀通過(guò)所述的連接管路連接所述的反應(yīng)腔，用于對(duì)所述的反應(yīng)腔中產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行含量分析。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置，其中所述的蒸汽發(fā)生器的核心是將水加熱產(chǎn)生蒸汽的鍋爐。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置，其中所述的反應(yīng)腔為耐高溫管。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置，其中所述的試驗(yàn)裝置還包括推桿，用于向所述的反應(yīng)腔中加入樣品并控制樣品在所述的反應(yīng)腔中的位置。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置，其中所述的反應(yīng)腔與所述的氫分析儀之間的連接管路上設(shè)置有冷凝器、積水缸、冷井、儲(chǔ)氫罐和/或過(guò)濾器，分別用于冷凝水蒸汽、收集冷凝的水蒸汽、降溫以進(jìn)行水蒸汽冷凝、儲(chǔ)存產(chǎn)生氫氣、過(guò)濾雜質(zhì)。

在一種更加優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置，其中所述的試驗(yàn)裝置還包括位于所述的連接管路上的真空泵，用于對(duì)所述的反應(yīng)腔，以及所述的冷凝器、積水缸、冷井、儲(chǔ)氫罐和/或過(guò)濾器進(jìn)行抽真空。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置，其中所述的試驗(yàn)裝置還包括設(shè)置在所述的連接管路上的流量計(jì)和壓力表。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置，其中所述的試驗(yàn)裝置還包括惰性氣體源，用于在試驗(yàn)前提供惰性氣體對(duì)整套試驗(yàn)裝置進(jìn)行清洗。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置，其中所述的試驗(yàn)裝置還包括閥門，其選擇性的設(shè)置在所述的試驗(yàn)裝置各組成部件之間所述的連接管路上。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供前述試驗(yàn)裝置進(jìn)行反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)的方法，以能夠準(zhǔn)確控制溫度、易操作、高效率、低成本的評(píng)估反應(yīng)堆包殼材料是否滿足反應(yīng)堆失水事故工況下的安全準(zhǔn)則，為反應(yīng)堆包殼制造者、反應(yīng)堆設(shè)計(jì)者提供必不可少的試驗(yàn)。

為實(shí)現(xiàn)此目的，在基礎(chǔ)的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供前述試驗(yàn)裝置進(jìn)行反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)的方法，包括如下步驟：

(1)用所述的普通電阻爐加熱，將所述的反應(yīng)腔中心區(qū)升至目標(biāo)溫度；

(2)開(kāi)啟所述的蒸汽發(fā)生器，將高溫蒸汽導(dǎo)入所述的反應(yīng)腔，待蒸汽流穩(wěn)定后用推桿快速將樣品推至中心均溫區(qū)即氧化反應(yīng)位置，進(jìn)行樣品的高溫氧化；

(3)保持所需的高溫氧化時(shí)間后，將樣品快速移動(dòng)至反應(yīng)腔中心均溫區(qū)外的一位置停留，以獲得所需的降溫速率進(jìn)行降溫；

(4)使樣品進(jìn)入所述的淬火池進(jìn)行淬火；

(5)試驗(yàn)過(guò)程中樣品與高溫蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣進(jìn)入所述的氫分析儀，進(jìn)行氫氣含量的分析。

本發(fā)明的有益效果在于，利用本發(fā)明的反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法，能夠準(zhǔn)確控制溫度、易操作、高效率、低成本的評(píng)估反應(yīng)堆包殼材料是否滿足反應(yīng)堆失水事故工況下的安全準(zhǔn)則，為反應(yīng)堆包殼制造者、反應(yīng)堆設(shè)計(jì)者提供必不可少的試驗(yàn)。

本發(fā)明采用水平推拉樣品進(jìn)出爐膛獲得急劇升溫與可控的降溫過(guò)程，能淬火，并附有反應(yīng)產(chǎn)氫的測(cè)量裝置，與前述已有裝置不同，具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)采用普通電阻爐加熱，升溫至目標(biāo)試驗(yàn)溫度并保持穩(wěn)定，通過(guò)將低溫樣品快速推入爐膛獲得滿足要求的快速升溫速率，這樣樣品溫度容易準(zhǔn)確控制，不會(huì)超溫，保溫穩(wěn)定，溫度均勻性好，成本也低；(2)降溫時(shí)將樣品拉出爐膛中心，通過(guò)放置在不同位置，準(zhǔn)確獲得不同的降溫速率。

附圖說(shuō)明

圖1為示例性的本發(fā)明的反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置的組成圖。

圖2為利用圖1的試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)得到的典型的升降溫曲線，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間(s)，縱坐標(biāo)為溫度(℃)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作出進(jìn)一步的說(shuō)明。

示例性的本發(fā)明的反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置如圖1所示，包括蒸汽發(fā)生器1、普通電阻爐2、反應(yīng)腔3、淬火池4、熱偶5、氫分析儀6、連接管路7、推桿8、冷凝器9、積水缸10、冷井11、儲(chǔ)氫缸12、過(guò)濾器13、真空泵14、惰性氣體源15、流量計(jì)16、壓力表17、閥門18、載帶氮?dú)庠?9。

蒸汽發(fā)生器1的核心是將水加熱產(chǎn)生蒸汽的鍋爐，采用去離子水自動(dòng)補(bǔ)水，出口提供0.1-1mpa的水蒸汽。蒸汽發(fā)生器1提供的高溫蒸汽經(jīng)連接管路7進(jìn)入反應(yīng)腔3。

反應(yīng)腔3為水平插在普通電阻爐2(最高加熱溫度為1600℃)的爐膛的耐高溫管，并通過(guò)普通電阻爐2(最高加熱溫度為1600℃)進(jìn)行加熱，其中放入樣品進(jìn)行高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)。反應(yīng)腔3的一端密封安裝推桿8，中心位置安裝熱偶5測(cè)控溫。推桿8用于向反應(yīng)腔3中加入樣品并控制樣品在反應(yīng)腔3中的位置。

淬火池4連接于反應(yīng)腔3的下部，并在反應(yīng)腔3邊緣與之連接，樣品能從反應(yīng)腔3自由墜入裝滿室溫水的淬火池4進(jìn)行淬火。

反應(yīng)腔3通過(guò)連接管路7上依次設(shè)置的連接冷凝器9、積水缸10、冷井11、儲(chǔ)氫罐12、過(guò)濾器13連接氫分析儀6。氫分析儀6(測(cè)量下限為100ppm)用于對(duì)反應(yīng)腔3中產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行含量分析。冷凝器9、積水缸10、冷井11、儲(chǔ)氫罐12、過(guò)濾器13分別用于冷凝水蒸汽、收集冷凝的水蒸汽、降溫以進(jìn)行水蒸汽冷凝、儲(chǔ)存產(chǎn)生氫氣、過(guò)濾雜質(zhì)。載帶氮?dú)庠?9用于提供氮?dú)庖暂d帶儲(chǔ)氫罐12中的氫氣進(jìn)入氫分析儀6進(jìn)行含量分析。

位于連接管路7上的真空泵14用于對(duì)反應(yīng)腔3、冷凝器9、積水缸10、冷井11、儲(chǔ)氫罐12、過(guò)濾器13進(jìn)行抽真空。

惰性氣體源15用于在試驗(yàn)前提供惰性氣體(例如ar)對(duì)整套試驗(yàn)裝置進(jìn)行清洗。

此外，在連接管路7上還設(shè)置有測(cè)控流量的流量計(jì)16、測(cè)控壓力的壓力表17，以及多處閥門18。

上述示例性的本發(fā)明的反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬失水事故的反應(yīng)堆包殼材料高溫蒸汽氧化淬火試驗(yàn)的方法如下。

(1)試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)前，將包括反應(yīng)腔3在內(nèi)的氣路系統(tǒng)抽真空及用惰氣氣體清洗，通蒸汽至壓力、流速穩(wěn)定，這時(shí)樣品置于爐膛口附近≤300℃位置。

(2)升降溫試驗(yàn)

通過(guò)普通電阻爐2將反應(yīng)腔3的中心均溫區(qū)升至目標(biāo)溫度，如1200℃；待蒸汽流穩(wěn)定后，用推桿8快速將樣品推至中心均溫區(qū)即氧化反應(yīng)位置；保持所需氧化時(shí)間后，再用推桿8將樣品快速拉至中心均溫區(qū)外的某一位置停留，以獲得所需的降溫速率(典型的如30s降溫至800℃，不同位置對(duì)應(yīng)不同的降溫速率，事先通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)獲得)。最后，仍然通過(guò)推桿8將樣品推入淬火池4淬火。

樣品典型的升降溫曲線見(jiàn)圖2。在升溫階段，滿足準(zhǔn)則要求的300℃～1000℃，升溫速率>20℃/s，即用時(shí)少于35s；1000℃～1200℃，升溫速率＞2℃/s，即用時(shí)少于100s。典型的升降溫曲線在這兩個(gè)升溫區(qū)間實(shí)際用時(shí)分別為9s和16s。

(3)氫氣含量分析

試驗(yàn)過(guò)程中，樣品與高溫蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣進(jìn)入氫分析儀6，進(jìn)行氫氣含量分析。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。上述實(shí)施例或?qū)嵤┓绞街皇菍?duì)本發(fā)明的舉例說(shuō)明，本發(fā)明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式實(shí)施，而不偏離本發(fā)明的要旨或本質(zhì)特征。因此，描述的實(shí)施方式從任何方面來(lái)看均應(yīng)視為說(shuō)明性而非限定性的。本發(fā)明的范圍應(yīng)由附加的權(quán)利要求說(shuō)明，任何與權(quán)利要求的意圖和范圍等效的變化也應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。