本发明专利技术公开了一种利用激光加热模拟棒状燃料反应性引入事故的装置，包括带视窗的炉体，两台正对炉体的掺镱光纤激光器，置于一侧掺镱光纤激光器窗口位置的正锥棱镜与透镜，炉体周围布置热成像仪、数字图像测量装置及信号采集控制装置，还包括氦气罐、氦气入口管及氦气控制阀，碘生成装置与碘蒸气控制阀，置于炉体中心的样品台，支撑样品台的样品台支架，与样品台和气体收集装置连接的气体出口管；利用热成像仪与信号采集控制装置实现实验样品预热；利用碘蒸气控制阀与氦气控制阀实现样品台内部碘浓度的控制；利用数字图像测量装置实现全过程实验样品形变监测；利用另一侧掺镱光纤激光器与正锥棱镜及透镜形成激光环，实现棒状燃料反应性引入事故的模拟。燃料反应性引入事故的模拟。燃料反应性引入事故的模拟。
【技术实现步骤摘要】
一种利用激光加热模拟棒状燃料反应性引入事故的装置
[0001]本专利技术属于核燃料及材料性能测试
，具体涉及一种利用激光加热模拟棒状燃料反应性引入事故的装置。
技术介绍
[0002]燃料元件长期处于高温、高压、高辐照的运行环境中会产生多种失效行为，其中PCI(芯块包壳相互作用)导致的失效行为是燃料元件最具代表性的失效行为之一。RIA(反应性引入事故)工况是导致燃料元件发生PCI失效最常见的工况之一，在RIA工况下，由于空间自屏效应，燃料元件边缘位置温度与核功率急剧飞升，致使燃料元件产生PCI失效，严重情况下会导致大量放射性物质进入一回路冷却剂，使一回路系统无法及时排出热量导致严重事故的发生。基于上述原因，开展RIA工况下燃料PCI行为研究对提高反应堆安全性具有十分重大的意义，然而真实反应堆中燃料元件由于RIA工况导致的PCI失效行为极其复杂，相关的辐照环境和物理场条件十分严苛。
[0003]在RIA工况下，燃料边缘位置的温度在几十毫秒内将达到2000℃以上，燃料芯块由于受热产生剧烈地肿胀。因此，如何在极短时间内实现较大燃料温度的提升及燃料形变导致PCI行为的全过程监测成为亟待解决的难题。
[0004]截至目前，许多国内外研究机构对燃料元件在RIA工况下PCI行为做了大量研究。
[0005]例如在20世纪90年代初，国外开展了堆内功率跃增实验(Power Ramp Tests)。Ramp实验控制实验堆功率阶梯式跃增，不断重复该过程直到燃料棒发生PCI失效，以此来研究RIA工况下燃料PCI失效行为。Ramp实验成为研究RIA工况下燃料PCI失效行为的重要基础，但Ramp实验的复杂性和成本较高，且无法将实验结果外推到其他反应堆堆型和运行工况；同时，我国目前尚不具备实验堆内开展Ramp实验的条件，国际上长期支持开展Ramp实验的Halden堆也已停堆。因此，堆内实验的方法不适合当前RIA工况下棒状燃料PCI失效行为的研究。
[0006]又如近年国内外采用堆外PCI行为实验模拟燃料元件在RIA工况下的PCI失效行为。在SCIP计划(Studsvik Cladding Integrity Project)中，瑞典Studsvik公司建立了芯轴膨胀实验装置，该实验将柱塞的轴向位移转换为虚拟芯块的径向变形，从而模拟燃料芯块在瞬态过程中的开裂以及向外膨胀，以达到模拟PCI现象的效果。堆外PCI行为模拟实验可以大幅减少实验经费和实验复杂性，但并未考虑温度飞升对燃料行为产生的影响，因此，堆外PCI模拟实验所得的结果仅是对棒状燃料PCI失效行为的近似描述。
[0007]又如文献《Vidal T,Gallais L,et al."Simulation of reactivity initiated accident thermal transients on nuclear fuels with laser remote heating."Journal of Nuclear Materials 530(2020):151944.》详细介绍了利用激光加热模拟棒状燃料元件RIA工况的实验方法。该实验借助脉冲激光信号来实现棒状燃料RIA工况温度飞升的模拟。此实验能够精确控制棒状燃料的温度分布，其加热速率与真实反应堆中RIA工况下燃料温度飞升速率近似，但该实验无法实现燃料形变导致PCI行为的全过程监测。
技术实现思路
[0008]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种利用激光加热模拟棒状燃料反应性引入事故的装置，该装置通过利用一侧第一掺镱光纤激光器发射激光束将实验样品加热到正常运行工况，利用热成像仪实时监测实验样品温度，通过信号采集控制装置控制第一掺镱光纤激光器发射功率，实现预加热阶段实验样品温度保持在设定范围；利用碘蒸气控制阀与氦气控制阀，实现样品台内部碘浓度的控制；利用数字图像测量装置，实现全过程实验样品形变监测；利用另一侧第二掺镱光纤激光器发射激光束，经过正锥棱镜与透镜形成激光环，实现棒状燃料反应性引入事故的模拟。
[0009]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现：
[0010]一种利用激光加热模拟棒状燃料反应性引入事故的装置，包括炉体A，正对炉体A两侧视窗布置第一掺镱光纤激光器F与第二掺镱光纤激光器K，置于第二掺镱光纤激光器K窗口位置的正锥棱镜L与透镜M，置于炉体A周围视窗的热成像仪G与数字图像测量装置J,与热成像仪G、数字图像测量装置J及第一掺镱光纤激光器F相连接的信号采集控制装置H；还包括氦气罐D及与氦气罐D相连的氦气控制阀E和氦气入口管Q，还包括外置碘生成装置B，连接碘生成装置B与氦气入口管Q的碘蒸气入口管P与碘蒸气控制阀C，放置于炉体A中心位置的样品台N，支持样品台N的样品台支架O，样品台N一端连接气体出口管R，气体出口管R另一端连接气体收集装置I；样品台N包括：夹持实验样品T的带凹槽的蓝宝石光窗S，实验样品T周围的环形气腔U，样品台紧固件W，固定带凹槽的蓝宝石光窗S的样品支架V，用于密封环形气腔U的密封圈X；所述实验样品T用于模拟棒状燃料；
[0011]当需要模拟棒状燃料反应性引入事故时，实验开始时，将实验样品T置于含碘的辐照环境中预处理，随后调整样品台支架O，使样品台N、第一掺镱光纤激光器F和第二掺镱光纤激光器K三者中心位于同一直线；设定炉体A内部温度，实现实验管路的预热；开启氦气控制阀E与气体收集装置I，使氦气以预设的温度与流量通过氦气入口管Q进入样品台N内部；随后开启碘生成装置B与碘蒸气控制阀C，使碘蒸气通过碘蒸气入口管P进入氦气入口管Q中，并随氦气流进入样品台N内部，实现实验样品T所处碘环境的模拟；之后开启热成像仪G、第一掺镱光纤激光器F与信号采集控制装置H，第一掺镱光纤激光器F产生稳定激光照射，使激光束透过带凹槽的蓝宝石光窗S对实验样品T进行预加热，使实验样品T温度分布与其正常运行工况温度分布一致，热成像仪G监测实验样品T的温度，并通过信号采集控制装置H实时控制第一掺镱光纤激光器F的发射功率，实现预加热阶段后期实验样品T温度保持在设定范围内；完成实验样品T预加热之后，打开数字图像测量装置J，实现实验样品T在反应性引入事故下行为的监测与记录；打开第二掺镱光纤激光器K，第二掺镱光纤激光器K产生脉冲激光照射，透过正锥棱镜L与透镜M，实现实验样品T边缘位置环形脉冲激光信号加热，以此实现棒状燃料反应性引入事故的模拟。
[0012]所述实验样品T的厚度小于实验样品T的热扩散长度。
[0013]所述氦气罐D中入口段氦气温度高于碘凝华温度，氦气入口管Q、碘蒸气入口管P与气体出口管R覆盖保温层。
[0014]所述炉体A中温度不能过低，导致碘蒸气凝华，也不能温度过高，导致密封材料失效。
[0015]所述带凹槽的蓝宝石光窗S所带凹槽数量不小于4条，凹槽深度不大于2mm。
[0016]本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0017]1.本专利技术采用激光加热方式，能够对实验样品实现较高时间与空间精度的加热。
[0018]2.本专利技术集成本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种利用激光加热模拟棒状燃料反应性引入事故的装置，其特征在于：包括炉体(A)，正对炉体(A)两侧视窗布置第一掺镱光纤激光器(F)与第二掺镱光纤激光器(K)，置于第二掺镱光纤激光器(K)窗口位置的正锥棱镜(L)与透镜(M)，置于炉体(A)周围视窗的热成像仪(G)与数字图像测量装置(J),与热成像仪(G)、数字图像测量装置(J)及第一掺镱光纤激光器(F)相连接的信号采集控制装置(H)；还包括氦气罐(D)及与氦气罐(D)相连的氦气控制阀(E)和氦气入口管(Q)，还包括外置碘生成装置(B)，连接碘生成装置(B)与氦气入口管(Q)的碘蒸气入口管(P)与碘蒸气控制阀(C)，放置于炉体(A)中心位置的样品台(N)，支持样品台(N)的样品台支架(O)，样品台(N)一端连接气体出口管(R)，气体出口管(R)另一端连接气体收集装置(I)；样品台(N)包括：夹持实验样品(T)的带凹槽的蓝宝石光窗(S)，实验样品(T)周围的环形气腔(U)，样品台紧固件(W)，固定带凹槽的蓝宝石光窗(S)的样品支架(V)，用于密封环形气腔(U)的密封圈(X)；所述实验样品(T)用于模拟棒状燃料；当需要模拟棒状燃料反应性引入事故时，实验开始时，将实验样品(T)置于含碘的辐照环境中预处理，随后调整样品台支架(O)，使样品台(N)、第一掺镱光纤激光器(F)和第二掺镱光纤激光器(K)三者中心位于同一直线；设定炉体(A)内部温度，实现实验管路的预热；开启氦气控制阀(E)与气体收集装置(I)，使氦气以预设的温度与流量通过氦气入口管(Q)进入样品台(N)内部；随后开启碘生成装置(B)与碘蒸气控制阀(C)，使碘蒸气通过碘蒸气入口管(P)进入氦气入口管(Q)中，并随...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺亚男，刘涛，巫英伟，章静，田文喜，苏光辉，秋穗正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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