核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统及方法技术方案

核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统及方法，该系统包括气体供应系统、真空系统、实验段、冷却系统和尾气分析系统；气体供应系统可制备不同水蒸汽含量的腐蚀性气体；实验段由高温辐射炉、低温辐射炉、陶瓷反应管、加热丝、气冷铜管及保温棉组成，高温辐射炉侧壁开设两个石英玻璃视窗，分别放置高速摄像仪和红外测温探头；冷却系统可为关键设备提供必要冷却；尾气分析系统可在线测量腐蚀反应尾气的各个成分的浓度，实现反应动力学的高精度连续测量；实验系统还包括配电系统、数控系统和数据测量与采集系统；本发明专利技术还提供了实验方法；本发明专利技术通过开展核反应堆严重事故环境下结构材料超高温腐蚀实验，为核反应堆安全设计提供关键数据。

Experimental system and method of ultra-high temperature corrosion of structural materials in severe accident of nuclear reactor

The system includes gas supply system, vacuum system, experimental section, cooling system and tail gas analysis system. The gas supply system can prepare corrosive gases with different water vapor content. The experimental section consists of high temperature radiation furnace, low temperature radiation furnace, ceramic reaction tube, heating wire, air-cooled copper tube and insulating cotton It consists of two quartz glass windows on the side wall of the high-temperature radiation furnace, which are respectively equipped with high-speed camera and infrared temperature detector; the cooling system can provide necessary cooling for key equipment; the tail gas analysis system can measure the concentration of various components of the corrosion reaction tail gas on-line to achieve high-precision continuous measurement of reaction kinetics; the experimental system also includes power distribution system, numerical control system and data The invention also provides the experimental method, and provides the key data for the safety design of nuclear reactor by carrying out the ultra-high temperature corrosion test of structural materials in the environment of serious accident of nuclear reactor.

【技术实现步骤摘要】
核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统及方法
本专利技术涉及材料超高温腐蚀性能测试
，具体涉及核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统及方法。
技术介绍
在核反应堆严重事故下，燃料元件、定位格架、栅格板等结构材料因一回路丧失冷却剂而暴露于高温水蒸汽环境下，温度可达2000℃以上。此时，堆芯中结构材料的腐蚀行为会对严重事故进程造成极大的影响。随着国际上事故容错燃料(AccidentTolerantFuel，ATF)概念的提出，新型结构材料在严重事故下的超高温腐蚀行为愈发值得关注。目前研究材料高温腐蚀行为的方法通常有两种：1)采用同步热分析仪进行连续反应动力学测量，2)采用加热元件为二硅化钼和炉管材质为刚玉的马弗炉进行非连续反应动力学测量。目前在售的同步热分析仪在水蒸汽环境下的长时间工作的最高温度仅能达到1750℃；马弗炉则由于加热元件和炉管性能的限制，难以在1700℃以上长时间运行。截止目前，未有合适的仪器设备能够应用于1750℃以上的水蒸汽环境中对材料进行长时间、连续的反应动力学测量，且目前的仪器设备无法可视化观察材料变形、破裂、氧化层脱落、熔化等现象，阻碍了对严重事故现象机理的进一步认识。
技术实现思路
为克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统及方法，可在水蒸汽环境中对材料进行长时间、连续、高精度的反应动力学测量及可视化观察。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统，第一氩气瓶1通过第一阀门101及相应管道与氩气主管道相连，第二氩气瓶2通过第二阀门102及相应管道与氩气主管道相连，第一流量计401安装在氩气主管道上；蒸汽发生器3通过第五阀门105及相应管道与外部水源相连，向蒸汽发生器3中注入去离子水，通过第三阀门103及相应管道形成蒸汽排放旁路，通过第四阀门104及相应管道形成蒸汽主管道，与氩气主管道汇合形成气体主管道，在第四阀门104下游的蒸汽主管道上安装有第二流量计402；蒸汽发生器3上还安装有第一热电偶201、第一压力传感器301和第一水位计501；真空泵4通过第六阀门106及相应管道与气体主管道相连；陶瓷反应管8进口通过密封法兰、静态气体混合器5及相应管道与气体主管道相连，静态气体混合器5使水蒸汽和氩气在进入陶瓷反应管8前混合均匀；陶瓷反应管8外壁从下到上依次缠绕或包围加热丝17、低温辐射炉6、保温棉602、高温辐射炉7、气冷铜管18；加热丝17和气冷铜管18外分别包围加热丝保温棉601和气冷铜管保温棉603；气冷铜管18通过第八阀门108与氦气瓶19相连，第八阀门108下游安装有第三流量计403；高温辐射炉7侧壁开设两个石英玻璃视窗，分别放置高速摄像仪9和红外测温探头10；陶瓷反应管8出口通过密封法兰、第七阀门107及相应管道与冷凝器12一次侧进口相连，在第七阀门107与陶瓷反应管8出口之间安装有第二热电偶202；高温辐射炉7和低温辐射炉6内部布置有冷却通道，分别通过第九阀门109和第十阀门110及相应管道与冷却机11相连，冷水机11还通过第十一阀门111及相应管道与冷凝器12二次侧相连；冷凝器12一次侧出口通过相应管道与气液分离器13相连，气液分离器13分离出的冷凝水通过第十二阀门112及相应管道进入储水箱14，气体则通过气液分离器13与三通阀15间的管道；三通阀15和气液分离器13间的管道上安装有第二压力传感器302；储水箱14上安装有第二水位计502，底部设置有第十三阀门113及相应管道；三通阀15的水平分支通过相应管道与在线气体分析质谱仪16的样品进口相连，三通阀15与在线气体分析质谱仪16间的管道上安装有第四流量计404，三通阀15的垂直分支形成气体排放旁路；第十四阀门114及相应管道与在线气体分析质谱仪16的样品出口相连；该实验系统还包括配套的配电系统20、数控系统21和数据测量与采集系统22。所述的低温辐射炉6采用MoSi2作为加热元件；所述的高温辐射炉7采用石墨烯作为加热元件，加热腔由多层交替的钨-真空复合层包围。所述的陶瓷反应管8采用高温抗氧化性的细晶ZrB2-SiC复合陶瓷制成。所述的在线气体分析质谱仪16采用四级杆质谱技术，包括闭合离子源、三重质量过滤器和双探测器即法拉第和二次电子倍增器；采用熔融石英毛细管进口，支持自定义温度控制；采用高压涡轮分子泵和隔膜泵的组合泵组抽送，并将真空腔和入口接口组件安装在不锈钢烘箱内。所述的配电系统20主要包括依次连接的配电柜、输电线和用电设备，供电容量满足实验系统的用电要求；所述的数控系统21主要包括气体供应系统启动控制平台、真空系统启动控制平台、实验段启动控制平台、冷却系统启动控制平台和尾气分析系统启动控制平台；所述的数据测量与采集系统22包括通过接线盒与实验回路传感器连接的数据采集卡、测量模块和信号调理器以及驱动数据采集卡、测量模块和信号调理器运行的计算机驱动软件和数据采集软件；数控系统21能够根据实验流程和数据测量与采集系统22的信号反馈，控制阀门开度和仪器设备启停，调节仪器设备功率。所述的核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统的实验方法，该实验系统能够开展等温腐蚀实验和瞬态腐蚀实验；实验开始前，所有阀门保持常闭；采用高精度电子天平获得实验件质量后，打开陶瓷反应管8的密封法兰，将实验件置于陶瓷反应管8内正对高速摄像仪9和红外测温探头10的位置；随后完成陶瓷反应管8的密封及与管道的连接；打开第五阀门105，由外部水源向蒸汽发生器3注入去离子水，去离子水量达实验要求时停止注水，关闭第五阀门105；依次打开第六阀门106、第七阀门107和第十二阀门112，利用真空泵4对实验系统抽真空，当系统压力达规定的真空度要求时，真空泵4停止运行，关闭第六阀门106；打开第一阀门101，利用第一氩气瓶1向系统中通入氩气；若第一氩气瓶1中氩气量不足，则打开第二阀门102，关闭第一阀门101；当系统压力达到大气压或高于大气压时，打开三通阀15，打开第十四阀门114，启动在线气体分析质谱仪16，调节三通阀15使进入在线气体分析质谱仪16的氩气流量满足在线气体分析质谱仪16的进样流量要求；启动加热丝17、低温辐射炉6、高温辐射炉7和冷凝器12，打开第九阀门109、第十阀门110和第十一阀门111，启动冷水机11为高温辐射炉7和低温辐射炉6提供冷却，为冷凝器12提供二次侧水源；打开第八阀门108，通过氦气瓶19向气冷铜管18通氦气；控制加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及第八阀门108开度，使实验件温度维持在400～500℃；开展等温腐蚀实验时，增大加热丝17、低温辐射炉6和高温辐射炉7的功率以及第八阀门108开度，以规定速率将实验件加热至实验工况温度并维持不变；启动蒸汽发生器3，当蒸汽的温度和压力达实验要求时，打开第三阀门103，排放蒸汽和排除杂质气体，一段时间后关闭第三阀门103，打开第四阀门104，向实验系统中通入蒸汽；蒸汽通入后，根据红外测温探头10的信号反馈调节加热丝17、低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统，其特征在于：第一氩气瓶(1)通过第一阀门(101)及相应管道与氩气主管道相连，第二氩气瓶(2)通过第二阀门(102)及相应管道与氩气主管道相连，第一流量计(401)安装在氩气主管道上；蒸汽发生器(3)通过第五阀门(105)及相应管道与外部水源相连，向蒸汽发生器(3)中注入去离子水，通过第三阀门(103)及相应管道形成蒸汽排放旁路，通过第四阀门(104)及相应管道形成蒸汽主管道，与氩气主管道汇合形成气体主管道，在第四阀门(104)下游的蒸汽主管道上安装有第二流量计(402)；蒸汽发生器(3)上还安装有第一热电偶(201)、第一压力传感器(301)和第一水位计(501)；真空泵(4)通过第六阀门(106)及相应管道与气体主管道相连；陶瓷反应管(8)进口通过密封法兰、静态气体混合器(5)及相应管道与气体主管道相连，静态气体混合器(5)使水蒸汽和氩气在进入陶瓷反应管(8)前混合均匀；陶瓷反应管(8)外壁从下到上依次缠绕或包围加热丝(17)、低温辐射炉(6)、保温棉(602)、高温辐射炉(7)、气冷铜管(18)；加热丝(17)和气冷铜管(18)外分别包围加热丝保温棉(601)和气冷铜管保温棉(603)；气冷铜管(18)通过第八阀门(108)与氦气瓶(19)相连，第八阀门(108)下游安装有第三流量计(403)；高温辐射炉(7)侧壁开设两个石英玻璃视窗，分别放置高速摄像仪(9)和红外测温探头(10)；陶瓷反应管(8)出口通过密封法兰、第七阀门(107)及相应管道与冷凝器(12)一次侧进口相连，在第七阀门(107)与陶瓷反应管(8)出口之间安装有第二热电偶(202)；高温辐射炉(7)和低温辐射炉(6)内部布置有冷却通道，分别通过第九阀门(109)和第十阀门(110)及相应管道与冷却机(11)相连，冷水机(11)还通过第十一阀门(111)及相应管道与冷凝器(12)二次侧相连；冷凝器(12)一次侧出口通过相应管道与气液分离器(13)相连，气液分离器(13)分离出的冷凝水通过第十二阀门(112)及相应管道进入储水箱(14)，气体则通过气液分离器(13)与三通阀(15)间的管道；三通阀(15)和气液分离器(13)间的管道上安装有第二压力传感器(302)；储水箱(14)上安装有第二水位计(502)，底部设置有第十三阀门(113)及相应管道；三通阀(15)的水平分支通过相应管道与在线气体分析质谱仪(16)的样品进口相连，三通阀(15)与在线气体分析质谱仪(16)间的管道上安装有第四流量计(404)，三通阀(15)的垂直分支形成气体排放旁路；第十四阀门(114)及相应管道与在线气体分析质谱仪(16)的样品出口相连；/n该实验系统还包括配套的配电系统(20)、数控系统(21)和数据测量与采集系统(22)。/n...

【技术特征摘要】
1.核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统，其特征在于：第一氩气瓶(1)通过第一阀门(101)及相应管道与氩气主管道相连，第二氩气瓶(2)通过第二阀门(102)及相应管道与氩气主管道相连，第一流量计(401)安装在氩气主管道上；蒸汽发生器(3)通过第五阀门(105)及相应管道与外部水源相连，向蒸汽发生器(3)中注入去离子水，通过第三阀门(103)及相应管道形成蒸汽排放旁路，通过第四阀门(104)及相应管道形成蒸汽主管道，与氩气主管道汇合形成气体主管道，在第四阀门(104)下游的蒸汽主管道上安装有第二流量计(402)；蒸汽发生器(3)上还安装有第一热电偶(201)、第一压力传感器(301)和第一水位计(501)；真空泵(4)通过第六阀门(106)及相应管道与气体主管道相连；陶瓷反应管(8)进口通过密封法兰、静态气体混合器(5)及相应管道与气体主管道相连，静态气体混合器(5)使水蒸汽和氩气在进入陶瓷反应管(8)前混合均匀；陶瓷反应管(8)外壁从下到上依次缠绕或包围加热丝(17)、低温辐射炉(6)、保温棉(602)、高温辐射炉(7)、气冷铜管(18)；加热丝(17)和气冷铜管(18)外分别包围加热丝保温棉(601)和气冷铜管保温棉(603)；气冷铜管(18)通过第八阀门(108)与氦气瓶(19)相连，第八阀门(108)下游安装有第三流量计(403)；高温辐射炉(7)侧壁开设两个石英玻璃视窗，分别放置高速摄像仪(9)和红外测温探头(10)；陶瓷反应管(8)出口通过密封法兰、第七阀门(107)及相应管道与冷凝器(12)一次侧进口相连，在第七阀门(107)与陶瓷反应管(8)出口之间安装有第二热电偶(202)；高温辐射炉(7)和低温辐射炉(6)内部布置有冷却通道，分别通过第九阀门(109)和第十阀门(110)及相应管道与冷却机(11)相连，冷水机(11)还通过第十一阀门(111)及相应管道与冷凝器(12)二次侧相连；冷凝器(12)一次侧出口通过相应管道与气液分离器(13)相连，气液分离器(13)分离出的冷凝水通过第十二阀门(112)及相应管道进入储水箱(14)，气体则通过气液分离器(13)与三通阀(15)间的管道；三通阀(15)和气液分离器(13)间的管道上安装有第二压力传感器(302)；储水箱(14)上安装有第二水位计(502)，底部设置有第十三阀门(113)及相应管道；三通阀(15)的水平分支通过相应管道与在线气体分析质谱仪(16)的样品进口相连，三通阀(15)与在线气体分析质谱仪(16)间的管道上安装有第四流量计(404)，三通阀(15)的垂直分支形成气体排放旁路；第十四阀门(114)及相应管道与在线气体分析质谱仪(16)的样品出口相连；
该实验系统还包括配套的配电系统(20)、数控系统(21)和数据测量与采集系统(22)。


2.根据权利要求1所述的核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统，其特征在于：所述的低温辐射炉(6)采用MoSi2作为加热元件；所述的高温辐射炉(7)采用石墨烯作为加热元件，加热腔由多层交替的钨-真空复合层包围。


3.根据权利要求1所述的核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统，其特征在于：所述的陶瓷反应管(8)采用高温抗氧化性的细晶ZrB2-SiC复合陶瓷制成。


4.根据权利要求1所述的核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统，其特征在于：所述的在线气体分析质谱仪(16)采用四级杆质谱技术，包括闭合离子源、三重质量过滤器和双探测器即法拉第和二次电子倍增器；采用熔融石英毛细管进口，支持自定义温度控制；采用高压涡轮分子泵和隔膜泵的组合泵组抽送，并将真空腔和入口接口组件安装在不锈钢烘箱内。


5.根据权利要求1所述的核反应堆严重事故下结构材料超高温腐蚀实验系统，其特征在于：所述的配电系统(20)主要包括依次连接的配电柜、输电线和用电设备，供电容量满足实验系统的用电要求；所述的数控系统(21)主要包括气体供应系统启动控制平台、真空系统启动控制平台、实验段启动控制平台、冷却系统启动控制平台和尾气分析系统启动控制平台；所述的数据测量与采集系统(22)包括通过接线盒与实验回路传感器连接的数据采集卡、测量模块和信...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚培，王栋，吴世浩，苏光辉，田文喜，秋穗正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61