一种燃料棒裂变产物释放模拟装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种燃料棒裂变产物释放模拟装置及其使用方法，本发明专利技术的模拟装置包括加热炉、坩埚和燃料棒模拟体；其中，所述燃料棒模拟体用于模拟原型燃料元件的包壳与芯块；所述坩埚用于支撑燃料棒模拟体，同时提供气体循环流道，在燃料棒模拟体熔化时能够包容液态熔融物，防止熔融物损伤加热炉；所述加热炉用于对燃料棒模拟体加热。本发明专利技术为裂变产物释放特性实验提供了一种不带放射性同位素，并且结构与物理化学过程与真实燃料棒相近的裂变产物释放特性实验装置，可用于研究不同堆型和不同燃耗严重事故各种裂变产物释放特性。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料棒裂变产物释放模拟装置及其使用方法
本专利技术属于严重事故实验设备
，具体涉及一种应用于严重事故条件下燃料棒裂变产物释放模拟装置及其使用方法。
技术介绍
核反应堆在正常运行条件下，经过中子的辐照，燃料棒中二氧化铀晶粒中会逐渐积累裂变产物，其中的裂变气体持续向晶界扩散，并逐渐累积在燃料芯块与包壳之间的气隙中。当核反应堆发生严重事故后，燃料棒包壳破裂，部分裂变气体通过破口释放到燃料棒外部，大部分裂变产物仍然被包容在燃料芯块中。随着燃料棒温度持续升高，溶解于基体的易挥发性裂变产物通过热扩散释放，其他裂变产物在燃料基体中溶解度达到极限而析出至晶界。随着温度继续上升，燃料棒开始熔化，晶内气泡捕获的裂变气体及其他裂变产物进一步释放。裂变产物释放过程中还涉及到裂变产物间、裂变产物与包壳和蒸汽间的化学反应等物理化学过程。裂变产物的释放特性是堆芯严重事故缓解措施的基础，需要设计精密的实验进行分析。经调研，目前国际上针对严重事故裂变产物释放特性研究的实验装置主要采用了辐照后的真实材料或模拟材料进行研究，但由于辐照后的燃料元件带有强放射性，实验只能在热室中开展，使得实验过程及测量存在很大难度，同时导致实验成本较高。而采用同位素模拟裂变产物开展释放特性实验，又难以准确模拟裂变产物的释放过程中复杂的物理化学现象。因此亟需针对燃料棒裂变产物释放过程，通过合适的设计，开发一种采用同位素模拟裂变产物的模拟实验装置，以降低实验的不确定性，同时减少实验研究的成本。
技术实现思路
本专利技术提供了一种燃料棒裂变产物释放模拟装置，本专利技术为裂变产物释放特性实验提供了一种不带放射性同位素，并且结构与物理化学过程与真实燃料棒相近的裂变产物释放特性实验装置，可用于研究不同堆型和不同燃耗严重事故各种裂变产物释放特性。本专利技术通过下述技术方案实现：一种燃料棒裂变产物释放模拟装置，该模拟装置包括加热炉、坩埚和燃料棒模拟体；其中，所述燃料棒模拟体用于模拟原型燃料元件的包壳与芯块；所述坩埚用于支撑燃料棒模拟体，同时提供气体循环流道，在燃料棒模拟体熔化时能够包容液态熔融物，防止熔融物损伤加热炉；所述加热炉用于对燃料棒模拟体加热。优选的，本专利技术的加热炉由加热炉体和加热炉盖构成，所述加热炉盖与加热炉体顶部密封连接，所述加热炉体内侧壁布置有加热器，所述加热炉盖顶部设置有加热器接口，所述加热炉体底部设置有气体入口，所述加热炉体侧壁面不同高度布置有气体采样接口。本专利技术通过在水平方向的辐射以及顶部激光加热，可以准确模拟反应堆内燃料棒周围辐射换热边界条件，同时可以模拟真实燃料棒芯块与包壳间的温度梯度，从而获得更加准确的实验结果。优选的，本专利技术的加热炉体外壁为由硬毡、软毡共同组成的复合保温层。优选的，本专利技术的加热器采用石墨加热器，所述加热器接口用于连接激光加热器。优选的，本专利技术的燃料棒模拟体由模拟包壳和模拟芯块构成；所述模拟包壳由包壳管、顶部端盖和底部端盖构成；所述包壳管顶端与顶部端盖密封连接；所述包壳管顶端与底部端盖密封连接，以实现模拟包壳内部空间的密封，从而构建模拟芯块与模拟包壳间的气隙；所述顶部端盖的盖体至少部分设置为用于顶部加热激光通过的视窗；所述模拟芯块承托于模拟包壳底部。优选的，本专利技术的顶部端盖采用氧化锆材料；所述包壳管材料与原型燃料元件包壳材料一致，所述包壳管材料采用Zr-4锆合金、ZIRLO锆合金、M5锆合金或N36锆合金；所述底部端盖采用烧结UO2，用于模拟底部芯块对上部芯块的承托作用，同时包容高温模拟芯块。优选的，本专利技术的模拟芯块采用裂变产物元素单质与UO2烧结而成；所述模拟芯体顶部设置有同心槽，用以增加激光加热功率，同时保证加热功率的均匀分布。本专利技术的燃料棒模拟体使用宝石级氧化锆晶体，可以保证在高温高加热功率条件下，燃料棒的边界完好，不出现使用高温玻璃视窗在加热条件下熔化的现象。同时本专利技术的模拟芯块顶部设置有同心圆状的沟道，可以提高激光吸收率，同时保证加热功率的均匀分布。优选的，本专利技术的坩埚侧壁面不同高度布置有气体循环流道；所述坩埚采用氧化锆材料。另一方面，本专利技术还提出了一种如上所述的燃料棒裂变产物释放模拟装置的使用方法，该方法包括以下步骤：实验前：模拟芯块的制备以及模拟装置的装配；进行实验：通过外部气体循环系统通过加热炉体1-4缓底部的气体入口构建炉内气氛；之后慢提高石墨加热器的加热功率，使燃料棒模拟体按照预定工况升温；当炉体内温度达到1700℃以后，启动顶部激光加热器对模拟芯块进行直接加热；随着模拟芯块的温度上升，模拟包壳逐渐融化，当达到模拟芯块熔点后，模拟芯块融化；在融化过程中，高温条件下裂变产物、模拟芯块和模拟包壳之间不断相互作用，裂变产物逐渐释放，并随着循环气体经气体采样接口进入在线分析仪，即可实时获得不同种类裂变产物分布。优选的，本专利技术的模拟芯块的制备以及模拟装置的装配具体过程包括：根据研究裂变产物对象，在保护气体氛围中使用高温烧结的方式将各元素单质与UO2相互结合，以模拟燃料棒中辐照条件下裂变产物在燃料芯块中积累过程；完成烧结后，对烧结而成的芯块模拟体进行测量，以获得模拟芯块中各元素单质的份额；烧结完成后，在芯块顶部加工同心槽，从而获得如权利要求1-8任一项所述的模拟装置中的模拟芯块；在手套箱中，将底部端盖密封安装在包壳管底端，再将加工完成的模拟芯块竖直放置于底部端盖上，在包壳管顶端密封安装顶部端盖，完成燃料棒模拟体的装配；姜装配完成的燃料棒模拟体竖直放置于坩埚的中心，然后将坩埚以及燃料棒模拟体整体竖直放置于加热炉内。本专利技术具有如下的优点和有益效果：1、本专利技术的燃料棒模拟体采用研究对象相同包壳材料，模拟芯块采用添加裂变产物元素的烧结UO2，可近似模拟辐照燃料中裂变产物的累积和裂变产物在严重事故后发生的相互反应和释放过程。2、本专利技术的加热炉设置为水平方向的辐射及顶部激光加热，可以准确模拟反应堆内燃料棒周围辐射换热边界条件，同时可以模拟真实燃料棒芯块与包壳间的温度梯度，从而获得更加准确的实验结果；本专利技术通过辐射和激光的加热方法，可以实现2800℃以下的燃料元件裂变产物释放特性模拟。3、本专利技术的燃料棒模拟体使用宝石级氧化锆晶体，可以保证在高温高加热功率条件下，燃料棒的边界完好，不出现使用高温玻璃视窗在加热条件下熔化的现象。本专利技术的燃料棒模拟体不含管制核材料，加工方便，易于安装操作，非常适合裂变产物释放特性研究。4、本专利技术的燃料棒模拟体中上端盖和棒体可拆装，可根据研究堆型和燃耗，选择燃料和裂变产物的比例，实现不同堆型和不同燃耗的各种裂变产物释放特性研究。5、本专利技术的模拟芯块使用贫化UO2，通过高温烧结方式使裂变产物单质与基体材料结合，裂变产物释放特性与辐照后的燃料芯块相近；且模拟芯块顶部设置有同心圆状的沟道，可以提高激光吸收率，同时保证加热功率的均匀分布。6、本专利技术装置结构简单，加工拆装方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料棒裂变产物释放模拟装置，其特征在于，该模拟装置包括加热炉(1)、坩埚(2)和燃料棒模拟体(3)；/n其中，所述燃料棒模拟体(3)用于模拟原型燃料元件的包壳与芯块；/n所述坩埚(2)用于支撑燃料棒模拟体(3)，同时提供气体循环流道，在燃料棒模拟体(3)熔化时能够包容液态熔融物，防止熔融物损伤加热炉(1)；/n所述加热炉(1)用于对燃料棒模拟体(3)加热。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃料棒裂变产物释放模拟装置，其特征在于，该模拟装置包括加热炉(1)、坩埚(2)和燃料棒模拟体(3)；
其中，所述燃料棒模拟体(3)用于模拟原型燃料元件的包壳与芯块；
所述坩埚(2)用于支撑燃料棒模拟体(3)，同时提供气体循环流道，在燃料棒模拟体(3)熔化时能够包容液态熔融物，防止熔融物损伤加热炉(1)；
所述加热炉(1)用于对燃料棒模拟体(3)加热。


2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述加热炉(1)由加热炉体(1-4)和加热炉盖(1-2)构成，所述加热炉盖(1-2)与加热炉体(1-4)顶部密封连接，所述加热炉体(1-4)内侧壁布置有加热器(1-5)，所述加热炉盖(1-2)顶部设置有加热器接口(1-1)，所述加热炉体(1-4)底部设置有气体入口(1-6)，所述加热炉体(1-4)侧壁面不同高度布置有气体采样接口(1-3)。


3.根据权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，所述加热炉体(1-4)外壁为由硬毡、软毡共同组成的复合保温层。


4.根据权利要求2所述的一种燃料棒裂变产物释放模拟装置，其特征在于，所述加热器(1-5)采用石墨加热器，所述加热器接口(1-1)用于连接激光加热器。


5.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述燃料棒模拟体(3)由模拟包壳和模拟芯块(3-4)构成；
所述模拟包壳由包壳管(3-3)、顶部端盖(3-2)和底部端盖构成(3-6)；
所述包壳管(3-3)顶端与顶部端盖(3-2)密封连接；所述包壳管(3-3)顶端与底部端盖(3-6)密封连接，以实现模拟包壳内部空间的密封，从而构建模拟芯块与模拟包壳间的气隙；
所述顶部端盖(3-2)的盖体至少部分设置为用于顶部加热激光通过的视窗；
所述模拟芯块(3-4)承托于模拟包壳底部。


6.根据权利要求5所述的模拟装置，其特征在于，所述顶部端盖(3-2)采用氧化锆材料；
所述包壳管(3-3)材料与原型燃料元件包壳材料一致，所述包壳管材料采用Zr-4锆合金、ZIRLO锆合金、M5锆合金或N36锆合金；
所述底部端盖(3-6)采用烧结UO2，用于模拟底部芯块对上部芯块的承托作用，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡钰文，宫厚军，杨祖毛，李朋洲，卓文彬，昝元锋，李勇，黎阳，
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