Loca工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)，其包括反應(yīng)裝置、工作氣體分配系統(tǒng)、混合氣體供應(yīng)裝置、汽氣分離器、氫氣分析儀、水淬系統(tǒng)、測壓裝置及真空系統(tǒng)，反應(yīng)裝置包括樣品室、用于對包殼進(jìn)行加熱的加熱電極、用于測量包殼內(nèi)壁以及外壁溫度的測溫裝置，樣品室包括石英管、上端蓋和下端蓋、混合氣體進(jìn)氣管、排氣管；工作氣體分配系統(tǒng)包括內(nèi)存儲有氦氣的第一氣體罐、內(nèi)存儲有氬氣的第二氣體罐。本實(shí)用新型既可評價反應(yīng)堆失水，安注系統(tǒng)啟動后向反應(yīng)堆內(nèi)注水，對包殼進(jìn)行淬火后包殼完整性，還可以測量鋯合金包殼與高溫蒸汽反應(yīng)過程中釋放的氫氣量，為鋯合金研發(fā)過程中堆外性能評價中提供設(shè)備支持。
【專利說明】
LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于核電站用鋯合金燃料包殼在LOCA(反應(yīng)堆失水事故)工況下完整性的性能評價系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬錯與包殼在高溫下反應(yīng)，包殼材料被氧化，形成黑色無塑性的氧化錯，并放出一定量的氫氣，氫氣在安全殼內(nèi)的大量聚集會對安全殼的安全構(gòu)成重大威脅。在反應(yīng)堆失水事故工況下，包殼材料表面溫度快速升高，甚至達(dá)到燃料芯塊的熔點(diǎn)，由于鋯合金的抗高溫氧化能力很弱，導(dǎo)致包殼快速腐蝕，導(dǎo)致塑性快速降低，嚴(yán)重威脅安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采取如下技術(shù)方案:
[0005]LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)，其包括反應(yīng)裝置、工作氣體分配系統(tǒng)、混合氣體供應(yīng)裝置、汽氣分離器、氫氣分析儀、水淬系統(tǒng)、測壓裝置以及真空系統(tǒng)，其中，所述反應(yīng)裝置用于評價包殼在高溫蒸汽中腐蝕性能，該反應(yīng)裝置包括用于提供高溫水蒸汽與包殼反應(yīng)的空間的樣品室、用于對包殼進(jìn)行加熱的加熱電極、用于測量包殼內(nèi)壁以及外壁溫度的測溫裝置，所述樣品室包括石英管、分別密封設(shè)置在所述石英管上端部和下端部的上端蓋和下端蓋、連接在所述下端蓋上且與所述石英管相連通的混合氣體進(jìn)氣管、連接在所述上端蓋上且與所述石英管相連通的排氣管；
[0006]所述的工作氣體分配系統(tǒng)包括內(nèi)存儲有氦氣的第一氣體罐、內(nèi)存儲有高純氬氣的第二氣體罐以及用于將所述第一氣體罐、第二氣體罐分別與所述的包殼的內(nèi)部相連通的管道；
[0007]所述混合氣體供應(yīng)裝置用于向所述石英管內(nèi)提供高溫水蒸汽，所述混合氣體包括在高溫下與包殼反應(yīng)而釋放氫氣的水蒸汽和載氣氬氣；
[0008]所述汽氣分離器與排氣管相連通，用于將從排氣管中排出的混合氣體中的水蒸氣與其它氣體相分尚；
[0009]所述氫氣分析儀與所述汽氣分離器相連通用于檢測氫氣含量；
[0010]所述水淬系統(tǒng)用于對包殼進(jìn)行淬火;所述測壓裝置用于實(shí)時測量包殼內(nèi)壓力變化。
[0011]進(jìn)一步地，所述加熱電極包括分別密封固定在所述上端蓋和所述下端蓋上且加熱端部位于所述包殼內(nèi)部的第一鎢電極和第二鎢電極，在所述第一鎢電極、所述第二鎢電極與所述包殼之間設(shè)有分別使第一鎢電極、第二鎢電極與包殼的內(nèi)壁之間絕緣的上、下絕緣套。
[0012]進(jìn)一步地，所述測溫裝置包括用于測量所述包殼內(nèi)壁溫度的第一熱電偶、用于測量所述包殼外壁及所述樣品室內(nèi)蒸汽溫度的第二熱電偶以及接收并存儲所述第一熱電偶和第二熱電偶發(fā)送的測量結(jié)果的記錄儀器。優(yōu)選地，所述的測溫裝置還包括用于測量所述樣品室內(nèi)蒸汽溫度、包殼外壁溫度的紅外高溫計(jì)。如此，可將該紅外高溫計(jì)測得的包殼外壁溫度與第二熱電偶測得的溫度進(jìn)行相互校驗(yàn)。具體地，保溫層上開設(shè)有用于安裝紅外高溫計(jì)的安裝孔。紅外高溫計(jì)安裝在樣品室的側(cè)壁上。
[0013]進(jìn)一步地，所述樣品室還包括設(shè)置在所述石英管外周的保溫層、設(shè)置在所述石英管與保溫層之間的銅管。在石英管外周設(shè)的銅管可以模擬反應(yīng)堆內(nèi)周邊燃料元件對所研究包殼的加熱作用和對包殼腐蝕行為的影響。優(yōu)選地，所述的保溫層的材料為石棉或氧化鋯。
[0014]根據(jù)本實(shí)用新型的一個具體方面，所述的混合氣體供應(yīng)裝置包括水箱、與所述水箱通過管道連通的蒸汽發(fā)生器、內(nèi)存儲有氬氣的第三氣體罐、存儲有氬氣與氧氣的混合氣體的第四氣體罐、氣體過熱器，從蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽與來自第三氣體罐或第四氣體罐的氣體混合后，經(jīng)氣體過熱器加熱后，從所述混合氣體進(jìn)氣管進(jìn)入所述石英管內(nèi)。
[0015]根據(jù)一個具體方面，所述的水淬系統(tǒng)包括與所述水箱和所述石英管內(nèi)部連通的淬火管道。
[0016]進(jìn)一步地，所述的樣品室還包括設(shè)置在所述保溫層外周的不銹鋼水冷套。
[0017]優(yōu)選地，所述的反應(yīng)裝置還包括設(shè)置在所述樣品室外的負(fù)壓防護(hù)系統(tǒng)。
[0018]優(yōu)選地，所述的樣品室設(shè)有泄壓閥，當(dāng)樣品室壓力超過安全值后、泄壓閥打開，防止樣品室發(fā)生爆炸。
[0019]根據(jù)本實(shí)用新型，所述汽氣分離器是可以將氣體與水蒸汽分離的裝置。優(yōu)選地，該汽氣分離器是可以將水蒸汽、氫氣和氬氣三者同時分離的裝置，即經(jīng)該裝置后，將直接獲得不含水蒸氣和氬氣的氫氣，從而便于下一步直接對氫氣的含量進(jìn)行檢測分析。在經(jīng)過汽氣分離器分離后的氫氣，經(jīng)過干燥劑的干燥，再進(jìn)入氫氣分析儀是優(yōu)選的。氫氣分析儀可以選用例如Ca I do s分析儀。
[0020]進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)還配置有數(shù)據(jù)采集、記錄計(jì)算機(jī)等以自動記錄不同位置蒸汽溫度、壓力、時間等信息。
[0021]由于以上技術(shù)方案的實(shí)施，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0022]該系統(tǒng)既可評價反應(yīng)堆失水，安注系統(tǒng)啟動后向反應(yīng)堆內(nèi)注水，對包殼進(jìn)行淬火后包殼完整性，還可以測量鋯合金包殼與高溫蒸汽反應(yīng)過程中釋放的氫氣量，為鋯合金研發(fā)過程中堆外性能評價中提供設(shè)備支持。
【附圖說明】
[0023]下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0024]圖1為根據(jù)本實(shí)用新型的性能評價系統(tǒng)的示意圖；
[0025]圖2為圖1中反應(yīng)裝置的剖視示意圖；
[0026]其中:1、工作氣體分配系統(tǒng);2、銅管;3、混合氣體預(yù)熱器;4，5，6、質(zhì)量流量計(jì);7、蒸汽發(fā)生器；9、氣體過熱器；11、氣體管道；12、水箱；13、加熱電極；15、上端蓋；16、下端蓋；17、絕緣套；18、不銹鋼水冷套；19、石英管;20、水淬系統(tǒng);21、汽氣分離器;22、保溫層；23、包殼；26、第一熱電偶;27、負(fù)壓防護(hù)系統(tǒng);28、真空系統(tǒng);29、氣體成分及含量分析系統(tǒng);32、混合氣體進(jìn)氣管；33、排氣管；34、第一氣體罐;35、第二氣體罐;36、第三氣體罐;37、第四氣體罐。
【具體實(shí)施方式】
[0027]如圖1和2所示，本例提供LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)，其主要包括反應(yīng)裝置、工作氣體分配系統(tǒng)1、混合氣體供應(yīng)裝置、汽氣分離器21、氣體成分及含量分析系統(tǒng)29(含氫氣分析儀)、水淬系統(tǒng)20、測壓裝置以及真空系統(tǒng)28。
[0028]反應(yīng)裝置用于評價包殼23在高溫蒸汽中腐蝕性能，該反應(yīng)裝置包括用于提供高溫水蒸汽與包殼23反應(yīng)的空間的樣品室、用于對包殼23進(jìn)行加熱的加熱電極13、用于測量包殼23內(nèi)壁以及外壁溫度的測溫裝置，所述樣品室包括石英管19、分別密封設(shè)置在所述石英管19上端部和下端部的上端蓋15和下端蓋16、連接在所述下端蓋16上且與所述石英管19相連通的混合氣體進(jìn)氣管32、連接在所述上端蓋15上且與所述石英管19相連通的排氣管33。進(jìn)一步地，所述加熱電極包括分別密封固定在所述上端蓋15和下端蓋16上且加熱端部位于包殼23內(nèi)部的第一鎢電極和第二鎢電極，在所述第一鎢電極、所述第二鎢電極與所述包殼之間設(shè)有分別使第一鎢電極、第二鎢電極與包殼的內(nèi)壁之間絕緣的上、下絕緣套17。
[0029]進(jìn)一步地，所述測溫裝置包括用于測量所述包殼23內(nèi)壁溫度的第一熱電偶、用于測量所述包殼23外壁及所述樣品室內(nèi)蒸汽溫度的第二熱電偶以及接收并存儲所述第一熱電偶和第二熱電偶發(fā)送的測量結(jié)果的記錄儀器(圖中未顯示)。優(yōu)選地，所述的測溫裝置還包括用于測量所述樣品室內(nèi)蒸汽溫度、包殼外壁溫度的紅外高溫計(jì)(圖中未顯示)。如此，可將該紅外高溫計(jì)測得的包殼外壁溫度與第二熱電偶測得的溫度進(jìn)行相互校驗(yàn)。具體地，保溫層上開設(shè)有用于安裝紅外高溫計(jì)的安裝孔。紅外高溫計(jì)安裝在樣品室的側(cè)壁上。進(jìn)一步地，所述樣品室還包括設(shè)置在所述石英管19外周的保溫層22、設(shè)置在所述石英管19與保溫層22之間的銅管2。在石英管19外周設(shè)的銅管2可以模擬反應(yīng)堆內(nèi)周邊燃料元件對所研究包殼的加熱作用和對包殼腐蝕行為的影響。優(yōu)選地，所述的保溫層22的材料為石棉或氧化鋯。進(jìn)一步地，所述的樣品室還包括設(shè)置在所述保溫層22外周的不銹鋼水冷套18。此外，樣品室設(shè)有泄壓閥，當(dāng)樣品室壓力超過安全值后、泄壓閥打開，防止樣品室發(fā)生爆炸。所述的反應(yīng)裝置還包括設(shè)置在所述樣品室外的負(fù)壓防護(hù)系統(tǒng)27。
[0030]所述的工作氣體分配系統(tǒng)I包括內(nèi)存儲有氦氣的第一氣體罐34、內(nèi)存儲有高純氬氣的第二氣體罐35以及用于將第一氣體罐34、第二氣體罐35分別與所述的包殼23的內(nèi)部相連通的管道；
[0031]所述混合氣體供應(yīng)裝置用于向石英管19內(nèi)提供高溫水蒸汽，所述混合氣體包括在高溫下與包殼反應(yīng)而釋放氫氣的水蒸汽和載氣氬氣;所述的混合氣體供應(yīng)裝置具體包括水箱12、與所述水箱12通過管道連通的蒸汽發(fā)生器7、內(nèi)存儲有氬氣的第三氣體罐36、存儲有氬氣與氧氣的混合氣體的第四氣體罐37、氣體過熱器9，從蒸汽發(fā)生器7產(chǎn)生的蒸汽與來自第三氣體罐36或第四氣體罐37的氣體(氬氣)混合后，經(jīng)氣體過熱器7加熱后，從所述混合氣體進(jìn)氣管32進(jìn)入石英管19內(nèi)。
[0032]所述汽氣分離器21與排氣管33相連通，用于將從排氣管33中排出的混合氣體中的水蒸氣與其它氣體相分離;該汽氣分離器是可以將水蒸汽、氫氣和氬氣三者同時分離的裝置，即經(jīng)該裝置后，將直接獲得不含水蒸氣和氬氣的氫氣，從而便于下一步直接對氫氣的含量進(jìn)行檢測分析。在經(jīng)過汽氣分離器分離后的氫氣，經(jīng)過干燥劑的干燥，再進(jìn)入氫氣分析儀是優(yōu)選的。氫氣分析儀可以選用例如Caldos分析儀。
[0033]所述氣體成分及含量分析系統(tǒng)與所述汽氣分離器23相連通，其中氫氣分析儀用于檢測氫氣含量；
[0034]所述水淬系統(tǒng)用于對包殼進(jìn)行淬火，其包括與水箱和石英管內(nèi)部連通的淬火管道;所述測壓裝置用于實(shí)時測量包殼內(nèi)壓力變化，測壓裝置包括設(shè)置在包殼上用于檢測其內(nèi)壓力的壓力表(圖中未顯示)。
[0035]進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)還配置有數(shù)據(jù)采集、記錄計(jì)算機(jī)等以自動記錄不同位置蒸汽溫度、壓力、時間等信息。
[0036]本實(shí)用新型使用如下:
[0037]用蒸汽發(fā)生器7產(chǎn)生高溫(120°C)水蒸氣，經(jīng)過保溫金屬管道與經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)4、5、6的Ar按照一定比例混合，然后經(jīng)過氣體過熱器9使混合氣體的溫度進(jìn)一步升高(約300°C)，最后通過樣品室下方的氣體管道11進(jìn)入樣品室石英管19內(nèi)，由加熱電極13對包殼23進(jìn)行加熱，高溫水蒸汽與高溫燃料包殼23發(fā)生反應(yīng)，在包殼材料外表面生成氧化鋯，并釋放氫氣。然后水蒸氣、氫氣和氬氣的混合氣體通過樣品室上方的氣體出口從排氣管33排出，經(jīng)保溫管道傳輸，進(jìn)入汽氣分離器21。在汽氣分離器21中，高溫水蒸氣經(jīng)流動冷卻水冷卻凝結(jié)，而Ar和出則通過汽氣分離器21上部排氣管導(dǎo)出，經(jīng)干燥劑干燥后，進(jìn)入Caldos分析儀測量鋯-水反應(yīng)釋放的出量。樣品室采用金屬鎢棒做熱源，設(shè)計(jì)的功率密度與核電站正常運(yùn)行時燃料原件相當(dāng)，約180W/cm。在包殼23內(nèi)填充由工作氣體分配系統(tǒng)I分配的高壓氬氣，并由壓力表27實(shí)時測量包殼內(nèi)壓力變化，如果壓力突然降低，說明包殼發(fā)生破損，腐蝕失效，測試系統(tǒng)將自動停止加熱。包殼材料內(nèi)、外壁都布置的熱電偶，用于測量包殼內(nèi)、外壁溫度。在樣品室保溫層22上，開有觀察孔，實(shí)驗(yàn)過程中可觀察樣品室內(nèi)腐蝕狀況，保溫層22內(nèi)設(shè)的銅管2(銅反射層)，用于發(fā)射包殼堆外輻射的熱量，模擬堆芯周邊包殼對所研究包殼的加熱作用，保溫層上還裝有紅外高溫計(jì)，用于測量樣品室氣體及包殼外壁溫度。該裝置配有真空系統(tǒng)28，在實(shí)驗(yàn)開始前，可關(guān)閉蒸汽管道閥門、氣體過熱器9、樣品室、汽氣分離器21及包殼23內(nèi)等管道與大氣聯(lián)通的閥門，抽出這些管道的空氣，最高真空度可達(dá)5Pa。然后關(guān)閉真空管道，向蒸汽管道、樣品室通入高溫蒸汽；向包殼23內(nèi)填充IMPa的高純Ar。打開低壓加熱電源，開始對樣品進(jìn)行加熱。當(dāng)包殼23內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，開始計(jì)時，到達(dá)氧化時間后，關(guān)閉加熱電源。通過淬火管道向樣品室注入冷卻水，樣品室水位上升的速度在2?5mm/s。對包殼23進(jìn)行淬火。樣品冷卻后，通過包殼23內(nèi)部鏈接壓力計(jì)數(shù)值的變化，可判斷包殼23在淬火過程中是否發(fā)生失效。通過Caldos29測量結(jié)果分析，計(jì)算試驗(yàn)過程中H2的釋放量。
[0038]以上對本實(shí)用新型做了詳盡的描述，其目的在于讓熟悉此領(lǐng)域技術(shù)的人士能夠了解本實(shí)用新型的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)，其特征在于包括反應(yīng)裝置、工作氣體分配系統(tǒng)、混合氣體供應(yīng)裝置、汽氣分離器、氫氣分析儀、水淬系統(tǒng)、測壓裝置以及真空系統(tǒng)，其中，所述反應(yīng)裝置用于評價包殼在高溫蒸汽中腐蝕性能，該反應(yīng)裝置包括用于提供高溫水蒸汽與包殼反應(yīng)的空間的樣品室、用于對包殼進(jìn)行加熱的加熱電極、用于測量包殼內(nèi)壁以及外壁溫度的測溫裝置，所述樣品室包括石英管、分別密封設(shè)置在所述石英管上端部和下端部的上端蓋和下端蓋、連接在所述下端蓋上且與所述石英管相連通的混合氣體進(jìn)氣管、連接在所述上端蓋上且與所述石英管相連通的排氣管； 所述的工作氣體分配系統(tǒng)包括內(nèi)存儲有氦氣的第一氣體罐、內(nèi)存儲有高純氬氣的第二氣體罐以及用于將所述第一氣體罐、第二氣體罐分別與所述的包殼的內(nèi)部相連通的管道； 所述混合氣體供應(yīng)裝置用于向所述石英管內(nèi)提供高溫水蒸汽，所述混合氣體包括在高溫下與包殼反應(yīng)而釋放氫氣的水蒸汽和載氣氬氣； 所述汽氣分離器與所述的排氣管相連通，用于將從排氣管中排出的混合氣體中的水蒸氣與其它氣體相分離； 所述氫氣分析儀與所述汽氣分離器相連通用于檢測氫氣含量； 所述水淬系統(tǒng)用于對包殼進(jìn)行淬火;所述測壓裝置用于實(shí)時測量包殼內(nèi)壓力變化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)，其特征在于:所述加熱電極包括分別密封固定在所述上端蓋和所述下端蓋上且加熱端部位于所述包殼內(nèi)部的第一鎢電極和第二鎢電極，在所述第一鎢電極、所述第二鎢電極與所述包殼之間設(shè)有分別使第一鎢電極、第二鎢電極與包殼的內(nèi)壁之間絕緣的上、下絕緣套。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)，其特征在于:所述測溫裝置包括用于測量所述包殼內(nèi)壁溫度的第一熱電偶、用于測量所述包殼外壁及所述樣品室內(nèi)蒸汽溫度的第二熱電偶以及接收并存儲所述第一熱電偶和第二熱電偶發(fā)送的測量結(jié)果的記錄儀器。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)，其特征在于:所述的測溫裝置還包括用于測量所述樣品室內(nèi)蒸汽溫度、包殼外壁溫度的紅外高溫計(jì)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)，其特征在于:所述樣品室還包括設(shè)置在所述石英管外周的保溫層、設(shè)置在所述石英管與保溫層之間的銅管。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)，其特征在于:所述的混合氣體供應(yīng)裝置包括水箱、與所述水箱通過管道連通的蒸汽發(fā)生器、內(nèi)存儲有氬氣的第三氣體罐、存儲有氬氣與氧氣的混合氣體的第四氣體罐、氣體過熱器，從蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽與來自第三氣體罐或第四氣體罐的氣體混合后，經(jīng)氣體過熱器加熱后，從所述混合氣體進(jìn)氣管進(jìn)入所述石英管內(nèi)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)，其特征在于:所述的水淬系統(tǒng)包括與所述水箱和所述石英管內(nèi)部連通的淬火管道。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)，其特征在于:所述的樣品室還包括設(shè)置在所述保溫層外周的不銹鋼水冷套。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)，其特征在于:所述的反應(yīng)裝置還包括設(shè)置在所述樣品室外的負(fù)壓防護(hù)系統(tǒng)。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統(tǒng)，其特征在于:所述的樣品室設(shè)有泄壓閥。
【文檔編號】G21C17/10GK205541972SQ201620301587
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】耿建橋, 王榮山, 張晏瑋
【申請人】蘇州熱工研究院有限公司, 中國廣核集團(tuán)有限公司, 中國廣核電力股份有限公司