金属工质底部加热装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提出一种金属工质底部加热装置，包括：石墨加热器，根据感应线圈通电后产生的电磁感应对金属工质加热；感应线圈，将电源产生的高频交变电流转变为高频交流电磁场，以对石墨加热器提供电磁感应；保温套筒，为金属工质提供承装空间，并提供保温和隔热作用；底部保温层，与石墨加热器底部之间存在间隙，用于进行保温绝热；线圈保温层，用于支撑石墨加热器，并对石墨加热器进行保温；高温测温孔，监测石墨加热器的温度，并根据温度控制感应线圈的功率。本实用新型专利技术可快速将金属工质加热至熔融状态，并确保金属层传热边界条件与反应堆严重事故条件相似性，使得开展高温液态金属传热及材料相关试验的试验数据更具有工程指导价值。

【技术实现步骤摘要】
金属工质底部加热装置
本技术涉及反应堆热工水力试验
，特别涉及一种金属工质底部加热装置。
技术介绍
压水堆核电厂发生堆芯融化事故后，燃料元件及堆内构件由于冷却不足而发生熔化并在压力容器底部形成分层熔池结构。熔池的上层为密度较小金属层，主要成分为熔化的不锈钢和未被氧化的锆，其温度约为1600K。金属层的主要传热过程为：下部由温度更高的氧化物层内衰变热通过对上方金属层的底部进行加热，顶部通过辐射对外面进行换热，侧部则通过对流对压力容器侧壁进行换热。由于金属层厚度较薄且与容器壁的接触面积小，热传递更加集中，热流密度很大，会对压力容器的完整性造成巨大的威胁。以降低金属层的侧壁热流密度为目标而开展的压力容器堆内滞留及缓解措施相关研究中，有必要开展原型材料的高温液态金属的传热特性试验，为反应堆安全分析程序提供直接的数据支撑。高温熔融金属层传热试验最关键基础条件是可靠的熔融物底部加热装置，用以提供金属工质达到液相温度所需热量并由维持稳定的底部向上热流。以往高温熔融金属层的试验装置中根据加热方式的不同，可分为两类：感应加热、电加热棒直接加热(ELIAS装置)。采用感应加热技术的ANAIS装置和HITEC装置可实现1700K的工作温度，但加热器的形式及材料有所不同。其中，ANAIS由法国CEA设计，使用氧化锆陶瓷坩埚做为液态金属承装容器，实现了约20kg不锈钢加热至熔融状态。美国加州大学HITEC台架使用感应加热石墨坩埚并内衬钢坩埚的方式，将约13g锆铁金属的混合物快速加热至1410℃。然而上述两种加热方式均为底部和侧壁同时加热，且由于采有感应加热使得熔融金属内部存在内热源，与真实条件下的单一底部加热条件有所不同，对换热带来的影响也较难评估。因此韩国ELIAS装置，选用模拟低熔点金属开展试验，采用底部加热板直接加热的方式将金属锌加热至700K。但由于金属锌与锆铁混合物热物性上的差异，其结果有待进一步评估。具体的，HITEC试验装置的核心部分为石墨坩埚及其内衬的不锈钢坩埚，石墨坩埚周围由保温材料覆盖。为了避免坩埚及锆铁工质在高温条件下在空气内氧化，采用玻璃围桶进行封闭，并充氩气保护。感应线圈位于玻璃围桶侧壁的外部，通过感应加热石墨坩埚，并将热量传导至不锈钢及锆铁工质，可将13g锆铁金属粉末的混合物加热至1410℃，加热时间约为3～4小时。此方案钢坩埚的尺寸内径为12.7mm，内高25.4mm，可用于开展试验的工质质量较小，约13g。此外试验工质成分为4.8～8.8％锆(摩尔分数)对应的混合物熔点约为1335℃，此温度在钢坩埚的熔点以下，因此采用厚度为6.35mm的钢坩埚可以在试验过程中保持完整，试验结束后钢坩埚发生一定的厚度的侵蚀，对熔池工质成分配比有所改变。与此同时，当试验工质成分发生改变后，熔点有所提高后，钢坩埚将会完全融化，比如当锆的摩尔分数提高至33％时对应的工质熔点变为1675℃，因此限制了此技术方案的温度使用范围。ANAIS由法国CEA设计，使用冷坩埚感应加热技术，将直径为200mm的氧化锆坩埚液态金属承装容器，由此向外依次为氧化铝套筒、水冷铜坩埚、玻璃纤维及感应线圈。试验装置整体位于安全防护室内，由惰性气体保护。感应线圈直接将氧化锆坩埚内约20kg的304不锈钢感应加热至1650℃，达到熔融状态。采用感应线线圈直接对金属工质电磁加热，使金属工质内部在内热源的同时还存在电磁搅拌力，与原型条件下金属层内部流动为典型的Rayleigh-Bénard热对流(由底部及上部的温差驱动，无其它外力)的情况有明显差别，因此，试验装置采用电磁感应方案导致对熔池内流动及传热产生影响难以评估。
技术实现思路
本技术旨在至少解决上述技术问题之一。为此，本技术的目的在于提出一种金属工质底部加热装置，可快速将金属工质加热至熔融状态，并确保金属层传热边界条件为底部向上传热。为了实现上述目的，本技术提出了一种金属工质底部加热装置，包括：石墨加热器，用于根据感应线圈通电后产生的电磁感应对所述金属工质加热；所述感应线圈，位于所述石墨加热器的外围，用于将电源产生的高频交变电流转变为高频交流电磁场，以对所述石墨加热器提供电磁感应；保温套筒，用于为所述金属工质提供承装空间，并提供保温和隔热作用；底部保温层，位于所述石墨加热器底部，且与所述石墨加热器底部之间存在间隙，用于进行保温绝热；线圈保温层，用于支撑石墨加热器，并对所述石墨加热器进行保温；高温测温孔，用于监测所述石墨加热器的温度，并根据所述温度控制所述感应线圈的功率。另外，根据本技术上述的金属工质底部加热装置还可以具有如下附加的技术特征：在一些示例中，所述石墨加热器由感应加热区、平板导热区和侧部密封区三部分组成，其中，所述平板导热区的厚度大于在所选情况的集肤层厚度，用于屏蔽电磁场对所述金属工质的影响，并向所述金属工质提供稳定的热流；所述侧部密封区选择性采用向上翻沿结构；所述感应线圈位于所述感应加热区的外围，且位于所述平板导热区的下部。在一些示例中，所述感应加热区被配置为柱状、桶状、方形或内空方形结构，电流通过所述感应线圈在所述感应加热区产生涡流，以对所述感应加热区加热。在一些示例中，所述感应加热区被配置为柱状、桶状、方形或内空方形结构，电流通过所述感应线圈在所述感应加热区产生涡流，以对所述感应加热区加热。在一些示例中，所述感应线圈为螺旋状水冷铜管，内通冷却水。在一些示例中，所述保温套筒包括保温内套筒和保温外套筒。在一些示例中，所述线圈保温层包括：铺设于所述感应线圈内部的内部线圈保温层和铺设于所述感应线圈外部的外部线圈保温层，所述内部线圈保温层用于屏蔽电磁感应，所述外部线圈保温层用于提供支撑和保温作用。在一些示例中，所述高温测温孔采用高温热电偶或红外测温的方式监测所述石墨加热器的温度。在一些示例中，所述高温热电偶采用侧壁插入方式安装在所述石墨加热器上。在一些示例中，所述石墨加热器由高纯度静压石墨材料构成。根据本技术的金属工质底部加热装置，可实现速将金属工质加热至熔融状态，并由熔融金属底部提供稳定的向上热流，用于开展高温液态金属传热及材料相关试验，确保金属层传热边界条件与反应堆严重事故条件相似，获得的试验数据更具有工程指导价值；此外，还可以保证熔融金属内部均匀的温度梯度。本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。附图说明本技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本技术一个实施例的金属工质底部加热装置的结构示意图；图2是根据本技术一个实施例的石墨加热器的结构示意图。具体实施方式下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属工质底部加热装置，其特征在于，包括：/n石墨加热器，用于根据感应线圈通电后产生的电磁感应对所述金属工质加热；/n所述感应线圈，位于所述石墨加热器的外围，用于将电源产生的高频交变电流转变为高频交流电磁场，以对所述石墨加热器提供电磁感应；/n保温套筒，用于为所述金属工质提供承装空间，并提供保温和隔热作用；/n底部保温层，位于所述石墨加热器底部，且与所述石墨加热器底部之间存在间隙，用于进行保温绝热；/n线圈保温层，用于支撑石墨加热器，并对所述石墨加热器进行保温；/n高温测温孔，用于监测所述石墨加热器的温度，并根据所述温度控制所述感应线圈的功率。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属工质底部加热装置，其特征在于，包括：
石墨加热器，用于根据感应线圈通电后产生的电磁感应对所述金属工质加热；
所述感应线圈，位于所述石墨加热器的外围，用于将电源产生的高频交变电流转变为高频交流电磁场，以对所述石墨加热器提供电磁感应；
保温套筒，用于为所述金属工质提供承装空间，并提供保温和隔热作用；
底部保温层，位于所述石墨加热器底部，且与所述石墨加热器底部之间存在间隙，用于进行保温绝热；
线圈保温层，用于支撑石墨加热器，并对所述石墨加热器进行保温；
高温测温孔，用于监测所述石墨加热器的温度，并根据所述温度控制所述感应线圈的功率。


2.根据权利要求1所述的金属工质底部加热装置，其特征在于，所述石墨加热器由感应加热区、平板导热区和侧部密封区三部分组成，其中，
所述平板导热区的厚度大于在所选情况的集肤层厚度，用于屏蔽电磁场对所述金属工质的影响，并向所述金属工质提供稳定的热流；
所述侧部密封区选择性采用向上翻沿结构；
所述感应线圈位于所述感应加热区的外围，且位于所述平板导热区的下部。

【专利技术属性】
技术研发人员：裴杰，韩昆，陈炼，房芳芳，
申请(专利权)人：国核华清北京核电技术研发中心有限公司，国家电投集团科学技术研究院有限公司，
类型：新型
国别省市：北京;11