一种测量材料在反应堆内释热率的方法及量热计技术

本发明专利技术公开了一种测量材料在反应堆内释热率的技术。采用热量补偿法，基于温差相等热量等效原理来测量材料的释热率。该技术设计的量热计主要由两根形状及材质相同的测量桥和对比桥构成，样品材料固定在测量桥上，在对比桥上输入可控电功率，使得对比桥上测点间产生的温差与测量桥相对应测点间的温差相等，输入可控的电功率除以样品质量即为待测样品的释热率。为使得量热计可置于静止冷却剂中，并提高其安全性，量热计设有加强换热能力的冷端。为减弱气体导热以及辐射换热对测量结果的影响，量热计采用双包壳设计，两层包壳间留有间隙，该技术有效克服材料特性随环境参数变化对测量结果的影响，减少对实验结果的修正，实现对材料释热率的直接测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及反应堆用材料辐照装置，属于反应堆材料辐照

技术介绍
在反应堆中，随着堆内结构材料的增多以及某些辐照装置中结构材料所占份额增大，结构材料释热已经是堆内热量的重要来源之一。堆内材源的释热一方面来源于中子的输运过程在材料中产生的能量沉积，而另一方面，裂变反应、(n, γ)反应以及核素衰变产生的γ射线和β射线在堆内输运时亦会同材料相互作用而释放出热量。确定结构材料的释热率对确保反应堆安全运行以及研究型反应堆中的辐照实验开展具有重要意义。堆内结构材料的增多会导致反应堆内释热量随之增加，可能造成堆芯内局部温度偏高，对材料的辐照以及反应堆的安全造成影响，研究堆内结构材料的释热，可以指导合理布置辐照靶件以及降低反应堆的运行风险。同时，在研究型反应堆中，辐照装置中会设计一定的气隙，并通过改变气隙宽度以及调节气体成分来实现对材料内部温度的有效控制，以实现材料的中高温辐照实验。不过由于材料释热率相关数据的缺失，气隙中气体的物性参数以及材料的热膨胀量难以确定。在现有的材料辐照试验中，为保证辐照试验顺利实施，在多数情况下须开展条件试验以验证辐照装置在设计上的合理性，此时，辐照试验的成本将无疑增加。因此，知晓材料的释热情况可以指导辐照装置的合理设计以及进一步保证辐照试验的顺利安全实施，并降低辐照试验成本。另外，特别对小功率燃料元件的辐照考验，由于材料释热在总释热中所占比例不可忽略，准确衡量材料的释热对确定小功率燃料元件核功率非常关键。总得说来，结构材料的释热与堆芯的安全运行、辐照试验的顺利开展以及确定小功率燃料元件的核功率等密切相关。确定材料的释热可以通过模型计算或者试验测量。模型计算一般通过MCNP程序完成，该程序基于蒙特卡罗方法，可用于解析反应堆中的中子、光子以及中子-光子-电子耦合输运问题，不过该程序中忽略了裂变缓发光子、核素衰变过程产生的光子以及电子的产生和输运，因此对材料释热的计算具有一定局限性。实验方法主要依赖于某一测量装置并多数通过量热手段进行测量，现有通过量热手段测量材料释热率的主要方法有：装入活性区时样品绝热加热法、阶梯绝热加热法、静态等温法、实验测量传热系数法等。不过，在现有的测量技术中，材料的释热率多是通过其他测量参数换算而得，并且需要复杂的计算方法来补偿样品在测量过程中的散热，因此，实验测量结果的精准度较差，并且受实验环境影响较大。鉴于此，需要提出一种可以直接测量材料释热率的方法，该方法要求测量值即为材料释热率，并能够大幅减少计算方法对测量结果的修正过程，且对测量环境具有一定的抗干扰能力。
技术实现思路
本专利技术的目的是获得一种能够直接测量材料释热率的方法，并且设计有相应的测量装置以确保材料释热率的准确有效测量。通过相应的技术手段，可以减少通过计算方法对测量结果的修正过程，并且使装置具备一定的抵御测量环境扰动的能力，实现对材料释热率的直接测量。具体的技术方案如下：本专利技术主要提供一种可以直接测量材料释热率的方法，该方法基于热量补偿原理，主要原理是通过可控热量，以温差等效来完成对材料释热率的测量。即利用两根形状及材质相同的高导热性能材料作为测量桥和对比桥，待测样品材料固定在测量桥上，在对比桥上输入可控的电功率，使得对比桥上测点间产生的温差与测量桥相对应测点间的温差相等，输入可控的电功率除以样品的质量即为待测样品材料的释热率。进一步地，所述方法利用两根形状及材质相同的高导热性能材料作为测量桥和对比桥，待测样品材料固定在测量桥上，同时，两桥上都缠有等量的电加热丝，固定样品材料所在测量桥的电加热丝不通电，对比桥上的电加热丝通电以使得两桥在测点间产生的温差相等，输入的电功率除以样品的质量即为样品的释热率。优选地，本申请中所述高导热性能材料为金属铝、镁等，该类型材料具有低密度、高导热系数以及低中子吸收截面等共同特点。由于气体导热以及辐射换热会降低直接测量材料释热率的精度，在本专利技术的方法中还采用了双层包壳的结构，以提高内壁的温度。所述双层包壳结构由外包壳和内包壳组成，外包壳和内包壳间留有间隙；所述测量桥和对比桥置于双层包壳结构的内部。这样可以大幅降低待测样品通过气体的导热量以及向壁面的辐射换热量，从而减少对实验结果的修正，基本实现材料释热率的直接测量，并提高实验的测量精度。具体来讲，采有单层包壳时，由于包壳外壁面有冷却水直接冷却，整个包壳的温度仅略高于冷却水温度，而大幅低于样品表面温度，此时，待测样品释热将不可避免通过气体导热以及辐射换热方式向包壳散失，降低了直接测量释热率的精度。采用内外包壳，并在两层包壳间留有一定宽度的间隙，该间隙中可以充以氩气等低导性性能气体或直接抽成真空。该间隙的存在可以有效提高内壁面的温度，从而减小样品表面与内壁面间的温差而相应降低样品通过气体导热量以及向壁面的辐射换热量。因此，该双层包壳结构的加入，可以大幅提高测量桥以及对比桥上释热向轴向上的传递量，而减少气体导热以及辐照换热对实验结果的修正，基本实现材料释热率的直接测量，并提高实验的测量精度。本申请中所述测量桥和对比桥的一端伸出到双层包壳结构外，形成冷端。优选地，本申请所述双层包壳间隙充有低导性性能气体或直接抽成真空。本申请还提供了实现上述方法的量热计，所述量热计包括测量桥、对比桥、热电偶、电加热丝、双层包壳结构、上端盖、下端盖以及冷端；所述双层包壳结构由内包壳、外包壳组成；所述测量桥、对比桥、热电偶以及电加热丝置于上端盖、内包壳以及下端盖所围成的空间内；所述测量桥和对比桥并排摆放且其上缠有等量的电加热丝；在所述测量桥的不同轴向位置上分别装有热电偶，相应地，在对比桥的相同位置上亦分别各有一支热电偶，各热电偶分别置入测量桥和对比桥相应位置的径向中心处；所述测量桥和对比桥的一端伸出到双层包壳结构外，形成冷端；所述热电偶以及电加热丝穿过上端盖与外部机构连接。优选地，所述量热计包括测量桥、对比桥、热电偶、电加热丝、内包壳、外包壳、连接杆、上端盖、下端盖、气体填充腔、待测样品、冷端以及热电偶固定环；所述测量桥、对比桥、热电偶、电加热丝以及气体填充腔置于上端盖、内包壳以及下端盖所围成的空间内；所述测量桥和对比桥并排摆放且其上缠有等量的电加热丝；在所述测量桥的不同轴向位置上分别装有热电偶，相应地，在对比桥的相同位置上亦分别各有一支热电偶，各热电偶分别置入测量桥和对比桥相应位置的径向中心处；待测样品固定在测量桥的顶端，在待测样品中心所在平面的内包壳内壁面上还装有一支热电偶，该热电偶通过热电偶固定环安装在内包壳的内壁面上；测量桥上，所述电加热丝位于待测样品与热电偶布置点之间；所述测量桥和对比桥的一端伸出到双层包壳结构外，形成冷端；所述热电偶以及电加热丝穿过上端盖直接进入连接杆与外部机构连接；所述量热计通过连接杆与外部机构相连。优选地，量热计中所述连接杆为空心结构。优选地，所述量热计的气体填充腔内充有惰性气体。优选地，所述待测样品表面做抛光处理。在实际应用中，所述量热计的测量桥与对比桥置入堆内时并排指向堆芯轴向。本申请所述量热计置入反应堆时，测量桥、对比桥、待测样品以及电加热丝会与堆中的中子等粒子以及伽马等射线发生相互作用而释热，释热沿测量桥或对比桥通过冷端导出量热计。在测量桥上，电加热丝不通电，此时无电功率输入，样品、电加热丝以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量材料在反应堆中释热率的方法，其特征在于，所述方法基于热量补偿原理，利用两根形状及材质相同的高导热性能材料作为测量桥和对比桥，待测样品材料固定在测量桥上，在对比桥上输入可控的电功率，使得对比桥上测点间产生的温差与测量桥相对应测点间的温差相等，输入可控的电功率除以样品的质量即为待测样品的释热率。

【技术特征摘要】
1.一种测量材料在反应堆中释热率的方法，其特征在于，所述方法基于热量补偿原理，利用两根形状及材质相同的高导热性能材料作为测量桥和对比桥，待测样品材料固定在测量桥上，在对比桥上输入可控的电功率，使得对比桥上测点间产生的温差与测量桥相对应测点间的温差相等，输入可控的电功率除以样品的质量即为待测样品的释热率。2.根据权利要求1所述的测量材料在反应堆中释热率的方法，其特征在于，所述方法利用两根形状及材质相同的高导热性能材料作为测量桥和对比桥，待测样品材料固定在测量桥上，同时，两桥上都缠有等量的电加热丝，固定样品所在测量桥的电加热丝不通电，对比桥上的电加热丝通电以使得两桥在测点间产生的温差相等，输入的电功率除以样品的质量即为样品的释热率。3.根据权利要求1所述的测量材料在反应堆中释热率的方法，其特征在于，所述高导热性能材料为具有低密度、高导热系数以及低中子吸收截面性能；所述高导热性材料为铝或镁。4.根据权利要求1所述的测量材料在反应堆中释热率的方法，其特征在于，所述方法还包括一个双层包壳结构，由外包壳和内包壳组成，外包壳和内包壳间留有间隙；所述测量桥和对比桥置于双层包壳结构的内部。5.根据权利要求4所述的测量材料在反应堆中释热率的方法，其特征在于，所述测量桥和对比桥的一端伸出到双层包壳结构外，形成冷端。6.根据权利要求4所述的测量材料在反应堆中释热率的方法，其特征在于，所述双层包壳间隙充有低导性性能气体或直接抽成真空。7.实现上述权利要求所述测量材料在反应堆中释热率方法的量热计，其特征在于，所述量热计包括测量桥、对比桥、热电偶、电加热丝、双层包壳结构、上端盖、下端盖以及冷端；所述双层包壳结构由内包壳、外包壳组成；所述测...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯俊平，杨文华，章航洲，童明炎，聂良兵，张亮，徐斌，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：四川;51