一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置及装配工艺制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置及装配工艺，包括模拟包壳、模拟燃料元件芯块，在模拟燃料元件芯块上设置有沿其轴向延伸的16个通孔，在部份所述的通孔内安装有热电偶丝正极、在部份所述的通孔内安装有热电偶丝负极，在其余的所述通孔内存储惰性气体；在模拟燃料元件芯块的内部空腔中安装有电加热棒；在模拟包壳外侧安装有多个外置式壁温热电偶。本发明专利技术用于实验室模拟核反应燃料棒，开展严重事故条件下压水堆用燃料棒高温降质及再淹没行为实验。工作介质为水介质、蒸汽介质或惰性气体介质，工作压力常压～5MPa，长期工作温度为常温～1800℃，短期工作温度为常温～2400℃。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电工工具，具体涉及一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置及装配工艺。
技术介绍
提高反应堆运行的安全性是核能应用发展过程中始终不变的任务。福岛事故后，国际上核技术发达国家诸如美国、法国等纷纷提出缓解与预防同等重要，尤其对于一些小概率大风险的严重事故现象必须要引起足够重视。严重事故管理中，注水淹没堆芯是很重要的应对策略，它对终止事故发展，缓解事故后果起到重要作用，这种策略的重要性在福岛核事故中得到了体现。但是，在成功冷却燃料组件之前，水的注入可能会导致锆合金与水发生放热的锆水反应，从而引起堆芯温度快速上升以及氢气的产生。这一现象在三里岛事故后分析以及随后开展的多项国际性合作实验中得到验证。为了掌握注水时机、注水流量以及材料类型等的影响，为压水堆失水事故的正确干预提供参考，必须开展压水堆用燃料元件高温降质及再淹没行为实验。因此，需要一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置，以实现电加热功率精确可控，实现严重事故下核反应堆燃料棒发生的锆水反应、表层破裂等现象的模拟，在模拟燃料棒表层破损条件下，仍可继续发热用于模拟衰变热，可耐受2400℃以上高温同时实时测量壁温等。以关键词高温(Hightemperature)、模拟装置(Simulator)、电加热(ElectricHeating)、锆水反应(zirconium-steam/waterreaction)、再淹没(Reflooding)、燃料棒(FuelRod)、骤冷(Quench)在专利网和中英文期刊网上进行了检索，没有检索到涉及该方面技术的记载。实现电加热功率精确可控，实现严重事故下核反应堆燃料棒发生的锆水反应、表层破裂等现象的模拟技术是本领域的技术瓶颈，亟待解决。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置及装配工艺，实现电加热功率精确可控，实现严重事故下核反应堆燃料棒发生的锆水反应、表层破裂等现象的模拟，达到在模拟燃料棒表层破损条件下，仍可继续发热用于模拟衰变热，可耐受2400℃以上高温同时实时测量壁温的目的。本专利技术通过下述技术方案实现：一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置，包括模拟包壳，在模拟包壳内设置有在模拟包壳的轴向上叠放的多个模拟燃料元件芯块，模拟燃料元件芯块的横截面为环状结构，在模拟燃料元件芯块上设置有沿其轴向延伸的16个通孔，在部份所述的通孔内安装有热电偶丝正极、在部份所述的通孔内安装有热电偶丝负极，在其余的所述通孔内存储惰性气体；在模拟燃料元件芯块的内部空腔中安装有电加热棒；在模拟包壳外侧安装有多个外置式壁温热电偶。本专利技术的电加热装置电加热功率精确可控，加热器可耐受3000℃高温，在模拟燃料棒表层包壳破损条件下，仍可继续发热用于模拟衰变热，模拟燃料芯块无放射性且与二氧化铀物理性质相似，可以较好的模拟燃料芯块的热特性，可以模拟严重事故下核反应堆燃料棒发生的锆水反应、表层破裂等现象；在包壳发生破损时会发生特殊惰性气体泄漏，泄漏出的特殊惰性气体可用于表层破损的实时监测。在模拟燃料棒包壳外焊接设置壁温热电偶，同时采用嵌入式热电偶，可设置的测点更多，耐温更高，实时测量0℃～2400℃壁面温度。本专利技术主要用于实验室模拟核反应燃料棒，开展严重事故条件下压水堆用燃料棒高温降质及再淹没行为实验。工作介质为水介质、蒸汽介质或惰性气体介质，工作压力常压～5MPa，长期工作温度为常温～1800℃，短期工作温度为常温～2400℃。所述的电加热棒采用钨、钼、钨钼合金或钼铜合金制成棒状结构，其一端为平面，另一端为球形端面，从棒状结构的平面端进行切割加工形成间隙，在该间隙内安装绝缘层。进一步讲，本专利技术金属棒采用分瓣式结构，受热条件下会增大膨胀量，使得金属棒和模拟燃料芯块接触更为紧密，减小传热热阻，在相同模拟包壳温度条件下降低金属棒温度，延长电加热棒寿命，扩大工作温度范围；本专利技术的金属棒作为电加热器，采用分瓣式中间设置绝缘层的结构，可实现电缆单端进出，降低模拟燃料棒的密封难度。采用ZrO2材料模拟燃料芯块，无放射性且物理性质相似，可以较好的模拟燃料芯块的热特性。表层包壳采用模拟燃料棒包壳同种材料，可以模拟严重事故下核反应堆燃料棒发生的锆水反应、表层破裂等现象；模拟包壳内设置有特殊惰性气体储存空间，在包壳发生破损时会发生特殊惰性气体泄漏，泄漏出的特殊惰性气体可用于表层破损的实时监测；在模拟燃料棒包壳外焊接设置壁温热电偶，同时采用嵌入式热电偶，可设置的测点更多，耐温更高，实时测量0℃～2400℃壁面温度。一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置的装配工艺，包括以下步骤：(a)模拟包壳的加工；(b)模拟燃料元件芯块的加工；(c)电加热棒及绝缘层的加工；(d)模拟燃料元件芯块与高温热电偶丝的装配；(e)电加热棒的装配；(f)惰性气体的填充；(g)外置式壁温热电偶的装配。本专利技术的另一个目的是提供一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置的装配工艺，基于上述的新装置，以及其特定的使用环境和要求，故创造性的提出和优化了该装置的生产工艺，按照上述工艺可以高重复率地再现本专利技术的目的，通过该方法，生产出来的加热装置可重复性高，具有很高的实用价值。所述步骤(a)模拟包壳的加工包括以下步骤：(a1)确定要进行模拟的核反应堆燃料棒，设其包壳外径为D，长度为L，外径公差为TD，外表面粗糙度为Ra；(a2)选取与其包壳相同材质的材料加工制成薄壁管，长度为L，薄壁管外径为Do1，内径为Di1；薄壁管外径Do1与D相等，内径Di1＝Do1-d1，d1为两倍的薄壁管壁厚，取值范围为1.0～1.8mm；(a3)薄壁管外表面采用抛光工艺处理，粗糙度与Ra相同，内表面采用抛光工艺处理，粗糙度不大于1.6μm；薄壁管外径公差与TD相同，内径公差不大于0.04mm，椭圆度不大于0.01mm。所述步骤(b)模拟燃料元件芯块的加工包括以下步骤：(b1)模拟燃料元件芯块的材料选取ZrO2、HfO2或Al2O3或三者混合物，将其加工制成环形芯块，环形芯块的外径为Do2，内径为Di2；环形芯块外径Do2＝Di1-d12，内径Di2＝Do2-d2；d12为安装间隙及热膨胀预留间隙，取值范围为0.1～0.2mm；d2为两倍的环形芯块壁厚，取值范围为2.5～4.5mm；单节环形芯块长度为Lxin，根据模拟燃料棒总长度及所需安装温度测点位置确定Lxin的取值，确保温度测点位置处于两节环形芯块的交界面，Lxin取值范围为50～200mm；环形芯块端部表面采用喷砂处理，粗糙度不大于0.8μm；(b2)每节环形芯块在直径D存储的圆上均匀加工出16个直径D孔的通孔；D存储＝Do2-D孔，D孔为通孔的直径，D孔＝d热偶丝+d间隙，d热偶丝为高温热电偶丝的直径，取值范围为0.1～0.5mm；d间隙为安装间隙，取值范围为0.15～0.3mm；(b3)环形芯块外表面采用喷砂处理，粗糙度不大于3.2μm，内表面也采用喷砂处理，粗糙度不大于3.2μm；环形芯块外径公差不大于0.04mm，内径公差不大于0.04mm，椭圆度不大于0.01mm。所述步骤(c)电加热棒及绝缘层的加工包括以下步骤：(c1)选取钨、钼、钨钼合金或钼铜合金作为电加热棒材料，并加工制成棒状，其一端为平面，另一端为球形端面，金属棒外直径为D3，长度为L+D3\本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置，其特征在于：包括模拟包壳(1)，在模拟包壳(1)内设置有在模拟包壳(1)的轴向上叠放的多个模拟燃料元件芯块(2)，模拟燃料元件芯块(2)的横截面为环状结构，在模拟燃料元件芯块(2)上设置有沿其轴向延伸的16个通孔(8)，在部份所述的通孔(8)内安装有热电偶丝正极(4)、在部份所述的通孔(8)内安装有热电偶丝负极(6)，在其余的所述通孔(8)内存储惰性气体；在模拟燃料元件芯块(2)的内部空腔中安装有电加热棒(3)；在模拟包壳(1)外侧安装有多个外置式壁温热电偶(7)。

【技术特征摘要】
1.一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置，其特征在于：包括模拟包壳(1)，在模拟包壳(1)内设置有在模拟包壳(1)的轴向上叠放的多个模拟燃料元件芯块(2)，模拟燃料元件芯块(2)的横截面为环状结构，在模拟燃料元件芯块(2)上设置有沿其轴向延伸的16个通孔(8)，在部份所述的通孔(8)内安装有热电偶丝正极(4)、在部份所述的通孔(8)内安装有热电偶丝负极(6)，在其余的所述通孔(8)内存储惰性气体；在模拟燃料元件芯块(2)的内部空腔中安装有电加热棒(3)；在模拟包壳(1)外侧安装有多个外置式壁温热电偶(7)。2.根据权利要求1所述的一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置及装配工艺，其特征在于：所述的电加热棒(3)采用钨、钼、钨钼合金或钼铜合金制成棒状结构，其一端为平面，另一端为球形端面，从棒状结构的平面端进行切割加工形成间隙，在该间隙内安装绝缘层(5)。3.一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置的装配工艺，其特征在于包括以下步骤：(a)模拟包壳(1)的加工；(b)模拟燃料元件芯块(2)的加工；(c)电加热棒(3)及绝缘层(5)的加工；(d)模拟燃料元件芯块(2)与高温热电偶丝的装配；(e)电加热棒(3)的装配；(f)惰性气体的填充；(g)外置式壁温热电偶(7)的装配。4.根据权利要求3所述的一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置的装配工艺，其特征在于所述步骤(a)模拟包壳(1)的加工包括以下步骤：(a1)确定要进行模拟的核反应堆燃料棒，设其包壳外径为D，长度为L，外径公差为TD，外表面粗糙度为Ra；(a2)选取与其包壳相同材质的材料加工制成薄壁管，长度为L，薄壁管外径为Do1，内径为Di1；薄壁管外径Do1与D相等，内径Di1＝Do1-d1，d1为两倍的薄壁管壁厚，取值范围为1.0～1.8mm；(a3)薄壁管外表面采用抛光工艺处理，粗糙度与Ra相同，内表面采用抛光工艺处理，粗糙度不大于1.6μm；薄壁管外径公差与TD相同，内径公差不大于0.04mm，椭圆度不大于0.01mm。5.根据权利要求3所述的一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置的装配工艺，其特征在于所述步骤(b)模拟燃料元件芯块(2)的加工包括以下步骤：(b1)模拟燃料元件芯块的材料选取ZrO2、HfO2或Al2O3或三者混合物，将其加工制成环形芯块，环形芯块的外径为Do2，内径为Di2；环形芯块外径Do2＝Di1-d12，内径Di2＝Do2-d2；d12为安装间隙及热膨胀预留间隙，取值范围为0.1～0.2mm；d2为两倍的环形芯块壁厚，取值范围为2.5～4.5mm；单节环形芯块长度为Lxin，根据模拟燃料棒总长度及所需安装温度测点位置确定Lxin的取值，确保温度测点位置处于两节环形芯块的交界面，Lxin取值范围为50～200mm；环形芯块端部表面采用喷砂处理，粗糙度不大于0.8μm；(b2)每节环形芯块在直径D存储的圆上均匀加工出16个直径D孔的通孔；D存储＝Do2-D孔，D孔为通孔的直径，D孔＝d热偶丝+d间隙，d热偶丝为高温热电偶丝的直径，取值范围为0.1～0.5mm；d间隙为安装间隙，取值范围为0.15～0.3mm；(b3)环形芯块外表面采用喷砂处理，粗糙度不大于3.2μm，内表面也采用喷砂处理，粗糙度不大于3.2μm；环形芯块外径公差不大于0.04mm，内径公差不大于0.04mm，椭圆度不大于0.01mm。6.根据权利要求3所述的一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置的装配工艺，其特征在于所述步骤(c)电加热棒(3)及绝缘层(5)的加工包括以下步骤：(c1)选取钨、钼、钨钼合金或钼铜合金作为电加热棒材料，并加工制成棒状，其一端为平面，另一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：张震，闫晓，昝元锋，张友佳，
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