阅读说明：本技术 一种超高温熔化工质密度在线测量装置及方法 (Online measuring device and method for density of ultra-high temperature melting working medium ) 是由 顾培文 曹克美 张梦威 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超高温熔化工质密度在线测量装置及方法,所述装置包括石墨坩埚(6)、保温系统、温度测量及观测系统、密度测量系统、辅助系统和耐高温石英外罩(1)；利用本发明提出的方法和设计的试验装置,能够将熔化工质最高加热到3000K,并且在线测量其密度值。本发明能够有效弥补当前核电厂严重事故分析所存在的熔化工质密度数据不精确的问题,提高严重事故分析的整体准确性,为建立有效的严重事故缓解措施提供支撑和保障作用。(The invention discloses an ultra-high temperature melting working medium density on-line measuring device and a method, wherein the device comprises a graphite crucible (6), a heat preservation system, a temperature measuring and observing system, a density measuring system, an auxiliary system and a high temperature resistant quartz outer cover (1); by utilizing the method and the designed test device, the melting working medium can be heated to 3000K at most, and the density value of the melting working medium can be measured on line. The method can effectively solve the problem that the density data of the molten working medium is inaccurate in the current serious accident analysis of the nuclear power plant, improve the overall accuracy of the serious accident analysis, and provide support and guarantee for establishing effective serious accident relieving measures.)

一种超高温熔化工质密度在线测量装置及方法

技术领域

本发明属于压水堆核电厂的严重事故缓解措施技术领域，特别是涉及堆芯熔化进程分析、堆内熔化工质滞留措施设计、堆外熔化工质缓解策略研究领域。

背景技术

核电厂严重事故的缓解是核电研发和设计阶段必须要考虑的重点内容之一。由于堆芯衰变热的存在，堆芯内的燃料(二氧化铀)、包壳材料(锆金属)、堆内构件(不锈钢)、压力容器壁面(碳钢)在事故情况下都可能发生熔化，形成堆内熔化工质对压力容器的完整性造成挑战。如果压力容器在事故下发生失效，堆内熔化工质会进入到安全壳内，熔化混凝土底板，可能导致放射性物质对外释放的严重后果。

严重事故分析的主要任务是研究事故进程、研发合理可行的严重事故缓解措施，为核电的安全性提供保障。由于核电厂严重事故的复杂性，一般难以采用试验的方法来模拟严重事故进程，也很难采用真实材料对严重事故缓解策略的有效性进行验证，因此开展数值模拟计算是当前严重事故分析的最主要手段。

严重事故的数值模拟分析依赖于堆芯熔化后的熔化工质物性基础数据库。熔化工质的成份以二氧化铀和二氧化锆为主，熔点在2500℃以上，其在高温条件下的物性基础数据很难获得。采用固态常温下的物性数据库对于计算结果的准确性和有效性有一定的影响，通常需要采用较大的设计保守裕量来涵盖物性数据库偏差所导致的分析不确定性。

根据现有的严重事故分析，熔化工质在超高温下的密度是影响严重事故现象和分析评价严重事故缓解措施的重要参数。如果计算分析所采用的熔化工质密度值与超高温条件下的真实密度值存在一定的偏差，则有可能导致完全不同的分析结果，甚至获得严重事故缓解策略失效的结论。

本发明针对核电厂熔化工质的成份特点，研发了能够将熔化工质熔化，保持其液化状态，并且在线测量其密度的试验方法。该方法相比与原先的密度预测法，获得了熔化工质在超高温条件下的密度，不需要开展计算外推，因此，结果更加准确，对于严重事故分析的结论也更加可靠。

发明内容

本发明的目的是提出一种超高温熔化工质密度在线测量装置，将其保持在液化状态下，并且进行在线密度测量的试验方法。所述装置包括石墨坩埚(6)、保温系统、温度测量及观测系统、密度测量系统、辅助系统和耐高温石英外罩(1)；

所述保温系统设置在所述耐高温石英外罩(1)内，所述保温系统包括包围所述石墨坩埚(6)的隔热反射层(5)，以及连接交变电源(18)并缠绕在所述隔热反射层(5)外的交变电流线圈组(3)；

所述温度测量及观测系统包括设置在所述耐高温石英外罩(1)外的红外测温仪(7)和摄像仪(8)，以及设置在所述耐高温石英外罩(1)内的反射三棱镜(9)，所述反射三棱镜(9)设置在所述石墨坩埚(6)上方，所述红外测温仪(7)和所述摄像仪(8)利用所述反射三棱镜(9)通过在所述耐高温石英外罩(1)上孔洞进行测量和观测所述石墨坩埚(6)内熔化工质(4)；

所述辅助系统包括真空泵(17)和氩气注入系统(13)，通过所述氩气注入系统(13)对所述耐高温石英外罩(1)注入氩气，所述耐高温石英外罩(1)上设置有压力表(15)，所述真空泵(17)对所述耐高温石英外罩(1)抽气，降低所述耐高温石英外罩(1)内的氧气分压，防止所述石墨坩埚(6)内所述熔化工质(4)中的金属燃烧；

所述密度测量系统设置在所述耐高温石英外罩(1)外，包括耐高温毛细管(10)、升降机(12)、调节隔离阀(16)和高压氩气箱(19)，所述升降机(12)调节所述耐高温毛细管(10)在所述石墨坩埚(6)内的***深度，所述高压氩气箱(19)通过所述调节隔离阀(16)对所述耐高温毛细管(10)内注入氩气，所述耐高温毛细管(10)上设置有压力表(14)测量所述耐高温毛细管(10)内的压力。

优选的，所述隔热反射层(5)内表面有吸收率极小的反射层膜，用于减少石墨坩埚的热量散发。

优选的，所述耐高温石英外罩(1)外侧开孔安装红外测温仪(11)，用于监测所述石墨坩埚(6)外表面的温度。

本发明还提供了一种超高温熔化工质密度在线测量方法，其方法如下：

试验工质的准备：确定所述熔化工质(4)中的氧化物、金属或者其它物质的质量和成份，将这些物质研磨成粉，利用压机压实成块，块状的外径略小于所述石墨坩埚(6)的内径，块高低于所述石墨坩埚(6)的深度；

气氛控制：所述熔化工质(4)放入所述石墨坩埚(6)中，所述装置密封；打开所述真空泵(17)进行抽气，再打开氩气注入系统(13)充入惰性气体；

加热过程：启动所述交变电源(18)，提升所述石墨坩埚(6)的温度；

熔炼过程：所述石墨坩埚(6)熔化所述熔化工质(4)，利用所述石墨坩埚(6)上方的所述三棱反射镜(9)、所述红外测温仪(7)和所述摄像仪(8)，观察所述熔化工质(4)的熔炼过程并测量所述熔化工质(4)顶部的温度；如果所述熔化工质(4)顶部形成液态，并达到指定的测量温度时，可以适当调节所述交变电源(18)功率，维持所述熔化工质(4)的状态；

密度测量：a利用所述升降系统(12)将所述耐高温的毛细管(10)***所述熔化工质(4)内一定深度处，打开所述调节隔离阀(16)控制所述高压氩气箱(19)的氩气注入流量；b当所述压力表(14)指示能够清晰地显示压力波动时，维持所述调节隔离阀(16)的开度；c对所述压力表(14)和所述压力表(15)的压力数据进行记录；d通过所述升降机(12)改变所述耐高温的毛细管(10)在所述熔化工质(4)中的***深度，重复a、b、c过程；

数据处理及分析：读取所述压力表(14)和所述压力表(15)之间的压力差、对所述升降机(12)的移动距离进行拟合分析，结合所述耐高温的毛细管(10)的几何参数，最终获得所述熔化工质(4)的密度值。

优选的，所述气氛控制步骤可进行多次。

优选的，通过调节所述交变电源(18)功率，改变所述石墨坩埚(6)和所述熔化工质(4)的温度，重复所述密度测量步骤和所述数据处理及分析步骤，获得不同温度条件下的所述熔化工质(4)的密度，最终形成所述熔化工质(4)密度库。

本发明提出了一种熔化核电厂熔化工质、在超高温条件下测量其密度的试验方法，并设计了相应的试验装置。利用本发明提出的方法和设计的试验装置，能够将熔化工质最高加热到3000K，并且在线测量其密度值。本发明能够有效弥补当前核电厂严重事故分析所存在的熔化工质密度数据不精确的问题，提高严重事故分析的整体准确性，为建立有效的严重事故缓解措施提供支撑和保障作用。

附图说明

图1为下封头熔化工质瞬态反应过程试验模拟图；

图2为熔化工质熔化及密度测量方案俯视图；

其中：1—耐高温石英外罩；2—支撑架；3—交变电流线圈；4—熔化工质；5—隔热反射层；6—石墨坩埚；7—红外测温仪；8—摄像机；9—三棱反射镜；10—耐高温毛细管；11—红外测温仪；12—升降机；13—氩气注入系统；14—压力表；15—压力表；16—调节隔离阀；17—真空泵；18—交变电源；19—高压氩气箱。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明所设计的试验装置主体包括石墨坩埚、加热和保温系统、温度测量及观测系统、密度测量系统和辅助系统组成。该方法利用石墨较强的感磁特性，吸收电源所产生的电磁能，实现熔化工质的非接触式加热；利用石墨的高导热率，实现熔化工质温度的准确测量；利用石墨的高熔点，保证熔化工质在试验过程中的纯净度；利用熔化工质上方的三棱镜，来同时实现熔融池顶部表面的温度测量和熔化进程的录像；利用可上下移动的毛细管、调节隔离阀和相关的压力表，来产生气泡，穿过毛细管，并通过测量毛细管内外压差和毛细管移动距离，在线测量熔化工质的密度。具体而言，依据本发明的试验方法和理念，形成了推荐性的试验装置，包括石墨坩埚、交变电流线圈及电源、红外测温仪、摄像仪、耐高温石英外罩、隔热反射层、反射三棱镜、耐高温毛细管、调节隔离阀、升降系统等。通过采用本发明所提出的试验方法和推荐的试验装置，可以在线测量熔化工质在超高温条件下的密度。

如图1所示，本发明采用以下技术方案：

1)试验装置由石墨坩埚、加热系统及保温系统、温度测量及观测系统、密度测量系统、辅助系统等组成。装置的整体结构如图1和图2所示；

2)石墨坩埚是由密实的石墨材料制造而成，内部放置需要熔化的熔化工质。由于石墨的感磁性较好、导热率较高，能够吸收绝大部分交变电流发射的电磁能，使得石墨坩埚自身的温度升高并快速传导给熔化工质，提升熔化工质的温度；

3)保温系统主要由一个交变电源、绕石墨坩埚的线圈组和隔热反射层组成。交变电源产生一定频率的交变电流，穿过绕坩埚的线圈组，并在线圈组周围形成一定频率的磁场。由于线圈周围的惰性气体和隔热反射层几乎不吸收磁场的能量，其能量主要被石墨坩埚吸收，石墨坩埚内部再产生环向感应电流，用于加热坩埚。隔热反射层布置在石墨坩埚的周围，部分位置由于红外测温和密度测量的需要开小孔。隔热反射层的导热率很小，内表面有吸收率极小的反射层膜，用于减少石墨坩埚的热量散发；

4)温度测量及观测系统主要由多个红外测温仪、一个摄像仪和一个反射三棱镜组成。布置在上方的红外测温仪和摄像仪利用三棱镜的反射效果，可以同时测量和观测熔化工质上表面的温度和熔化工质的熔化过程。

5)密度测量系统主要由一根耐高温毛细管、升降机、一个调节隔离阀和多个压力表组成。通过在不同的毛细管***深度下注入氩气，测量毛细管内外的压力差，获得熔化工质的密度。

6)辅助系统主要由一台真空泵和惰性气罐组成。通过对试验装置内的气体进行抽气、惰性气罐排气等一系列操作，来降低装置内的氧气分压，防止熔化工质中的金属燃烧。

本发明的装置的具体试验方法如下：

1)试验工质的准备：根据试验要求，确定熔化工质中的氧化物、金属或者其它物质的质量和成份，将这些物质研磨成粉，利用压机压实成块(4)，块状的外径略小于与石墨坩埚的内径，块高低于坩埚的深度；

2)气氛控制：块状的试验工质放入石墨坩埚(6)中，试验装置完成扣盖，密封。使用真空泵(17)进行抽气，再使用氩气注入系统(13)充入惰性气体。经过多次充排，降低试验装置中的氧气分压，提高惰性气体分压，形成惰性环境，防止金属在试验过程中燃烧。

3)加热过程：启动交变电源(18)，并缓慢提升电源功率。隔热反射层(5)的感磁性较差，交变电源所产生的电磁能主要被石墨坩埚(6)吸收，将逐渐提升石墨坩埚的温度。在石墨坩埚的侧向安装有红外测温仪(11)，用于监测石墨坩埚外表面的温度。根据该温度指示，可以调节电源功率，防止石墨坩埚温度上升过快，导致熔化。

4)熔炼过程：石墨坩埚(6)通过热传导的形式，将自身的热量传递给熔化工质(4)，使得熔化工质发生熔化。利用石墨坩埚上方的三棱镜(9)、红外测温仪(7)和摄像仪(8)，可以观察熔化工质的熔炼过程并测量熔化工质顶部的温度。如果熔化工质顶部形成液态，并达到指定的测量温度时，可以适当调节电源功率，维持熔化工质当前的状态。

5)密度测量：利用升降系统(12)将耐高温的毛细管(10)***熔化工质内一定深度处，打开调节隔离阀(16)，并控制氩气注入流量，对毛细管内的压力(14)和石英外罩内的压力(15)进行观察。当毛细管内(10)的压力(14)指示能够清晰地显示压力波动时，维持调节隔离阀(16)的开度，并对压力表(14)和(15)的压力数据进行记录。通过升降系统改变毛细管在熔化工质中的***深度，重复之前的氩气注入、压力观测、数据记录的过程。

6)数据处理及分析：通过对压力表(14)和(15)压力差、升降系统的移动距离进行拟合分析，结合毛细管的几何参数，最终获得熔化工质在高温下的密度值。

7)不同温度条件下的密度库建立：通过调节交变电源功率，改变石墨坩埚和熔化工质的温度，重复之前的步骤5和6，可以获得不同温度条件下的熔化工质密度，最终形成熔化工质密度库，为核电厂的严重事故分析提供基础数据。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。