阅读说明：本技术 一种核反应堆环形燃料损毁实验装置及实验方法 (A kind of nuclear reactor annular fuel damage experimental provision and experimental method ) 是由 张亚培 吴世浩 王栋 苏光辉 田文喜 秋穗正 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种核反应堆环形燃料损毁实验装置及实验方法,该装置包括顶/底部冷却腔室、气体出口段、中部保温段和底部注水/气腔室。顶/底部冷却腔室均由上、下端盖围成,内置铜电极；气体出口段为不锈钢水冷套筒；中部保温段从内到外由氧化锆陶瓷筒、氧化锆纤维隔热层和不锈钢冷却套筒组成；底部注水/气腔室连通进水、进气管道。装置内置由支撑管座、密封环、螺旋型钼电极、钨铼合金管和内/外包壳管组成的环形燃料模拟棒或棒束；通过铜电极对模拟棒进行电加热以模拟燃料衰变热,加热最高温度可达2500℃,能够真实营造堆芯损毁时的氛围。实验装置能够研究无氧、蒸汽氧化和注水情况下环形燃料包壳的高温氧化、破裂和熔化特性。(It include top/bottom coohng chamber, gas vent section, middle part soaking zone and bottom water injection/gas chamber the invention discloses a kind of nuclear reactor annular fuel damage experimental provision and experimental method, the device.Top/bottom coohng chamber is surrounded by upper and lower end caps, built-in copper electrode；Gas vent section is stainless steel water cooling sleeve；Middle part soaking zone is made of zirconia ceramics cylinder, Zirconium oxide fibre thermal insulation layer and stainless steel cooling cover from inside to outside；Bottom water injection/gas chamber's connection water inlet, admission line.The built-in annular fuel simulation stick or cluster being made of support tube socket, sealing ring, screw type molybdenum electrode, tungsten-rhenium alloy pipe and inside/outside cladding tubes of device；Simulation stick is electrically heated with analog fuel decay heat by copper electrode, maximum temperature is heated up to 2500 DEG C, can really build atmosphere when reactor core damage.Experimental provision can study high-temperature oxydation, rupture and the pre-arcing characterisitics of annular fuel involucrum in the case of anaerobic, steam oxidation and water filling.)

一种核反应堆环形燃料损毁实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于核反应堆环形燃料损毁实验技术领域，具体涉及一种核反应堆环形燃料损毁实验装置及实验方法。

背景技术

反应堆严重事故是一个多相态、多组分的复杂的物理和化学过程。严重事故下堆芯的破坏过程分为早期和晚期两个阶段。早期破坏过程是指破坏的开始阶段，包括燃料组件包壳氧化、破裂以及部分材料的熔化和再定位。晚期破坏过程是指堆芯材料的移位阶段，包括大量堆芯材料的熔化、再定位、形成碎片床并且熔化物质向压力容器下封头和安全壳转移。堆芯早期破坏的破坏进程对于之后严重事故的发展具有重要的影响，研究早期破坏进程中燃料棒、燃料组件的损毁过程对反应堆严重事故缓解策略的制定具有重要意义。

棒形燃料作为传统的反应堆燃料，国内外对其损毁进程已开展了大量的实验研究，如德国KIT开展的CORA系列和QUENCH系列实验、美国INEL开展的PBF-SFD系列实验、匈牙利KFKI开展的CODEX系列实验、韩国KAERI开展的ATLAS系列实验和西安交通大学开展的FORMA系列实验等。基于此，国内外学者开发完善了棒形燃料的氧化、破裂、熔化和再定位模型。

为了更好的利用核能，提高核电厂的经济性和安全性，很多新型的燃料开始被提出，环形燃料也属于新型燃料的一种。并且由于环形燃料可在保持或增进现有反应堆安全性能的前提下提升堆芯功率密度20％～50％，使其成为了国际上新型燃料元件研发的重要方向之一。在我国，环形燃料已经进入堆内测试阶段。

环形燃料是一种在结构上完全革新的燃料元件。其由内、外两层锆合金包壳和圆环状的二氧化铀芯块组成，冷却剂可同时从内、外两个流道对燃料元件进行冷却。环形燃料结构的改变意味着原有的适用于棒形燃料的严重事故下的模型已不再适用。但是，环形燃料作为一种新型燃料，目前国内外对其严重事故下行为的研究的几乎为空白。因此，有必要开展环形燃料损毁实验去研究环形燃料在严重事故下的行为，为环形燃料相应模型的开发提供数据支撑，填补国内外对环形燃料严重事故方面研究的空白。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种核反应堆环形燃料损毁实验装置及实验方法，用于揭示环形燃料氧化、破裂、熔化及熔融物的迁徙行为机理，利用实验数据开发相应的机理分析模型，为环形燃料严重事故缓解措施的制定提供参考，填补国内外相应研究的空白。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种核反应堆环形燃料损毁实验装置，包括中部保温段，中部保温段为多层套筒结构，从内到外由二氧化锆陶瓷筒1、二氧化锆纤维隔热层2和外层不锈钢冷却套筒3组成；中部保温段上部为不锈钢冷却套筒4构成的气体出口管段，位于气体出口管段上部的顶部上端盖7和顶部下端盖6围成顶部冷却腔室；气体出口管段的竖直段设有顶部注气口5，顶部上端盖7内设有冷却剂进出口；中部保温段下部连通底部注水/气腔室，底部注水/气腔室连通进气管道8和进水管道9，位于连通底部注水/气腔室底部的底部上端盖10和底部下端盖11围成底部冷却腔室；底部下端盖11内设有冷却剂进出口；加热电极12内置于底部冷却腔室和顶部冷却腔室内；二氧化锆陶瓷筒1中设置环形燃料模拟棒13，环形燃料模拟棒13由内到外依次包括内包壳管15、钨铼合金加热管14和外包壳管16，钨铼合金管14的上下端与螺旋型钼电极17相连；环形燃料模拟棒13上下端通过密封环18密封，并通过密封环18外的支撑管座19固定，螺旋型钼电极17用于补偿钨铼合金管14可能发生的轴向变形并防止钨铼合金管刚性断裂，支撑管座19保证注水或注气时，流体从内包壳管15内流过；密封环18和支撑管座19内留孔，用于引出螺旋型钼电极17；螺旋型钼电极17与加热电极12采用卡槽形式相连，便于不同的实验工况下更换模拟棒；实验装置能够分别研究无氧环境、蒸汽氧化和底部淹没情况下环形燃料模拟棒13内外包壳管的高温氧化特性、破裂特性以及熔化特性，能够全面的研究环形燃料包壳在堆芯严重事故下可能发生的所有行为。

所述环形燃料模拟棒13的长度为1.2m；内包壳管15的内半径为4.1mm，厚度为0.57mm；钨铼合金管14的厚度为2.225mm，外包壳管16的厚度为0.74mm。

所述环形燃料模拟棒13内部冲入了预设量的氪气，用于提示包壳的失效温度和失效时间。

所述中部保温段内二氧化锆陶瓷筒1与气体出口管段和底部注水/气腔室采用螺纹连接，便于拆卸，通过更换不同尺寸的二氧化锆陶瓷筒1，能够针对单棒、3×3棒束和5×5棒束开展实验。

所述实验装置采用模块化设计，便于安装拆卸，能在短时间内进行多组实验工况。

多个高温钨铼热电偶在环形燃料模拟棒13内外包壳管和二氧化锆陶瓷筒1不同高度以贴壁布置的方式进行测温，并通过采集卡实时记录到电脑上；环形燃料模拟棒13加热采用低压大电流加热源，防止人体触电；底部和顶部的加热电极12周围通有快速流过的冷却水，对加热电极12进行及时冷却，也能够快速导出螺旋型钼电极17产生的热量，防止电极过热；在中部保温段和气体出口管段外均设有冷却套筒，内通氩气或者水，防止实验装置外表面过热；气体出口管段与质谱仪相连，实时在线测量环形燃料模拟棒13的氢气产生速率，以及检测氪气；在实验装置内通入恒定质量流量的氩气(5g/s)作为环形燃料模拟棒13产生氢气的载气，在底部淹没工况下，氩气改从气体出口管段垂直段内的顶部注气口5注入。

所述顶部上端盖7、进气管道8、进水管道9以及底部上端盖10和底部下端盖11的材料为不锈钢；顶部下端盖6的材料为氧化铝陶瓷；密封环18和支撑管座19的材料为二氧化锆陶瓷；内包壳管15和外包壳管16的材料为锆-4合金。

所述加热电极12为铜电极。

所述的核反应堆环形燃料损毁实验装置的实验方法，预热阶段时，外部氩气源经过加热后通过底部的进气管道8以5g/s的速率注入实验装置，以排出实验装置内的空气；经过20min～40min的高温注气后，认为整个实验装置内的空气已全部排空；实验阶段时，电加热装置与加热电极12相连，加热功率从0kW开始以0.1W/s～0.5W/s的速率缓慢上升直至7kW～10kW，此后，根据实验工况的不同，实验进程不同：研究无氧环境工况时，只需持续加热直至环形燃料模拟棒13内外包壳管熔化；研究蒸汽氧化工况时，需要把高温蒸汽从底部的进气管道8注入实验装置内；研究底部淹没工况时，需要把冷却水从底部的进水管道9注入到实验装置内，同时氩气以相同的速率改从顶部注气口5注入，注水开始10s～20s后，加热功率快速降至0.2kW～0.3kW并维持直至冷却水注入到中部保温段上部；实验结束后，通过分析实验结果，揭示环形燃料氧化、破裂、熔化及熔融物的迁徙行为机理。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

1.该实验装置在二氧化锆陶瓷筒中设置环形燃料模拟棒，环形燃料模拟棒采用钨铼合金管进行加热，模拟环形燃料的衰变热，实验加热温度可达2500℃，能够真实营造堆芯在严重事故下的恶劣环境。

2.本发明中设计的环形燃料模拟棒满足环形燃料的结构功能，气体和冷却剂可以沿环形燃料模拟棒内外包壳管同时流过。

3.本发明中可以分别研究无氧环境、蒸汽氧化和底部淹没情况下环形燃料包壳的高温氧化特性、破裂特性以及熔化特性，全面的了解环形燃料包壳在堆芯严重事故下可能发生的所有行为。

4.本发明中环形燃料模拟棒与顶部/底部腔室的加热电极采用卡槽形式相连，便于不同的实验工况下更换模拟棒。

5.本发明中中部保温段内二氧化锆陶瓷筒与气体出口管段和底部注水/气腔室采用螺纹连接，便于拆卸，可以针对单棒、3×3棒束和5×5棒束开展实验。

6.本发明中环形燃料模拟棒内部冲入了一定量的氪气，用于提示包壳的失效温度和失效时间。

7.本发明中实验装置采用模块化设计，便于安装拆卸，可在短时间内进行多组实验工况。

附图说明

图1为核反应堆环形燃料损毁实验装置示意图。

图2为核反应堆环形燃料损毁实验装置中部保温段截面图。

图3为环形燃料模拟棒截面示意图。

图中1为二氧化锆陶瓷筒，2为二氧化锆纤维隔热层，3为外层不锈钢冷却套筒，4为不锈钢冷却套筒，5为顶部注气口，6为顶部下端盖，7为顶部上端盖，8为进气管道，9为进水管道，10为底部上端盖，11为底部下端盖，12为加热电极，13为环形燃料模拟棒，14为钨铼合金管，15为内包壳管，16为外包壳管，17为螺旋型钼电极，18为密封环，19为支撑管座。

具体实施方式

下面通过结合附图对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明一种核反应堆环形燃料损毁实验装置，包括中部保温段，中部保温段为多层套筒结构，由图2所示，中部保温段从内到外由二氧化锆陶瓷筒1、二氧化锆纤维隔热层2和外层不锈钢冷却套筒3组成。中部保温段上部为不锈钢冷却套筒4构成的气体出口管段、顶部上端盖7和顶部下端盖6围成的顶部冷却腔室。气体出口管段的竖直段设有顶部注气口5，顶部上端盖7内设有冷却剂进出口。中部保温段下部连通底部注水/气腔室，底部注水/气腔室连通进气管道8和进水管道9，位于连通底部注水/气腔室底部的底部上端盖10和底部下端盖11围成的底部冷却腔室。底部下端盖11内设有冷却剂进出口。加热电极12内置于底部冷却腔室和顶部冷却腔室内。各个管段之间采用螺纹连接，并用高温密封胶密封。

二氧化锆陶瓷筒1中设置环形燃料模拟棒13，环形燃料模拟棒结构如图3所示。其有效发热段为中部被内包壳管15和外包壳管16包围的钨铼合金管14，钨铼合金管14的上下端与螺旋型钼电极17相连，用于补偿钨铼合金管14可能发生的轴向变形，防止钨铼合金管刚性断裂。钨铼合金管14及螺旋型钼电极17表面均喷涂有一层绝缘材料。发热段通过密封环18密封，并通过支撑管座19固定，发热段内部冲入了一定量的氪气，用于提示包壳的失效温度和失效时间。支撑管座19的形式为三角架形，用于固定实验段，并能保证注水或注气时，流体可以从内包壳管15内流过。密封环18和支撑管座19的一个管座内留孔，用于引出螺旋型钼电极并与内嵌在底部冷却腔室和顶部冷却腔室内的加热电极12相连接，螺旋型钼电极17与密封环交接处用密封胶密封。

环形燃料模拟棒13的长度为1.2m；内包壳管15内半径为4.1mm，厚度为0.57mm；钨铼合金管厚度为2.225mm，外包壳管16厚度为0.74mm。内外包壳管15和外包壳管16材料均为锆-4合金，密封环18和支撑管座19材料均为二氧化锆陶瓷。

电加热装置可与加热电极12相连，加热电极12与螺旋型钼电极17接触后，电流传递给钨铼合金管14，钨铼合金管14发热用于模拟衰变热。整个电回路为直流电回路，且采用导电性能良好的材料，电阻较小，电流较大，可防止人体触电。

实验进行时，环形燃料模拟棒13和二氧化锆陶瓷筒1不同高度处的温度采用贴壁布置的钨铼热电偶进行测温，并通过采集卡实时记录到电脑上。环形燃料模拟棒产生的氢气通过与气体出口管段相连的质谱仪进行实时在线测量。

下面详细说明本发明的实验方法具体如下：

整个实验在上述实验装置上进行，实验开始前需要对所有的电路、仪表和回路进行检查，保证实验的安全性。

在预热阶段时，外部氩气源经过加热后通过底部的进气管道8以5g/s的速率注入实验装置，以排出实验装置内的空气。经过20min～40min的高温注气后，可认为整个实验装置内的空气已全部排空。

实验阶段时，电加热装置与加热铜电极12相连，加热功率从0kW开始以0.1W/s～0.5W/s的速率缓慢上升直至7kW～10kW。此后，根据实验工况的不同，实验进程不同：研究无氧环境工况时，只需持续加热直至环形燃料模拟棒13内外包壳管熔化；研究蒸汽氧化工况时，需要把高温蒸汽从底部的进气管道8注入实验装置内；研究底部淹没工况时，需要把冷却水从底部的进水管道9注入到实验装置内，同时氩气以相同的速率改从顶部注气口5注入，注水开始10s～20s后，加热功率快速降至0.2kW～0.3kW并维持直至冷却水注入到中部保温段上部。

实验结束后，通过分析一系列的实验结果，揭示环形燃料氧化、破裂、熔化及熔融物的迁徙行为机理，为后续机理分析模型的开发提供数据支撑，填补国内外相应研究的空白。

本发明可用于环形燃料严重事故损毁实验中。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。