核反应堆严重事故下熔融结构材料氧化实验系统及方法技术方案

核反应堆严重事故下熔融结构材料氧化实验系统及方法，实验系统包括气体供应系统

【技术实现步骤摘要】
核反应堆严重事故下熔融结构材料氧化实验系统及方法


[0001]本专利技术涉及熔融材料氧化性能测试
，具体涉及核反应堆严重事故下熔融结构材料氧化实验系统及方法
。

技术介绍

[0002]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缺乏冷却，结构材料在衰变热的作用下发生熔化，熔融结构材料暴露在高温水蒸气环境当中
。
此时，堆芯中熔融结构材料的氧化行为会对堆芯熔融物重定位过程造成极大影响，进而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
(Accident Tolerant Fuel
，
ATF)
概念的提出，新型结构材料在熔融状态下的氧化行为愈发值得关注
。
目前研究熔融材料氧化行为主要采用熔融金属材料与氧化物陶瓷进行烧蚀熔解的实验方法，研究氧化物陶瓷中的氧向熔融结构材料中的扩散氧化行为，这种实验方法结构材料氧化过程与陶瓷坩埚烧蚀过程同时发生，难以进行单一效应分析，而熔融物在充足氧环境中的等温氧化实验能够很好满足对熔融物氧化过程的单一效应的研究
。
截至目前，尚未有合适的实验系统能够应用于高温水蒸气环境中熔融材料等温氧化过程研究，阻碍了对严重事故现象机理的进一步认识
。

技术实现思路

[0003]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熔融结构材料氧化实验系统及方法，可在水蒸汽环境中对熔融材料进行连续
、
高精度的反应动力学测量，仅考虑熔融材料氧化单一效应
。
[0004]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]核反应堆严重事故下熔融结构材料氧化实验系统，所述实验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；气体供应系统包括氩气供应系统和蒸汽供应系统，氩气供应系统中，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，氩气主管道上安装有第二热电偶
202
和第一流量计
401
；蒸汽供应系统中，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
和第三热电偶
203
；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
；真空系统为真空泵4，真空泵4通过第六阀门
106
及相应管道与气体主管道相连；实验段包括了实验段加热炉
6、
试件坩埚7与电磁感应加热线圈8，实验段加热炉6进口管道通过静态气体混合器
5、
第七阀门
107
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实验段加热炉6前混合均匀，实验段进口管道缠有加热丝对气体进行预热，进口管道上安装有第二压力传感器
302
与第四热电偶
204
；实验段加热炉6由不锈钢顶部端盖
、
碳化硅陶瓷保温套筒与氧
化锆底部端盖组成，顶部端盖开有石英玻璃视窗并放置红外测温仪9；实验段加热炉6内安装有试件坩埚7与电磁感应加热线圈8；实验段加热炉6顶部出口通过第八阀门
108
及相应管道与气液分离器
11
一次侧进口相连，在第八阀门
108
与加热炉6出口之间安装有第五热电偶
205
；电磁感应加热线圈8内部布置有冷却通道，分别通过第十二阀门
112
和第十三阀门
113
及相应管道与冷水机
10
相连，冷却系统核心设备为冷水机
10
，冷水机
10
还通过第十阀门
110
和第十一阀门
111
及相应管道与气液分离器
11
二次侧相连；尾气分析系统则由气液分离器
11
与在线气体分析质谱仪
12
共同组成，气液分离器
11
分离出的冷凝水通过第九阀门
109
及相应管道排放至环境，气体则通过气液分离器
11
和第十四阀门
114
及相应管道与三通阀
601
连接，气液分离器出口管道上安装有第六热电偶
206
；三通阀
601
的水平分支通过相应管道与在线气体分析质谱仪
12
的样品进口相连，三通阀
601
的垂直分支形成气体排放旁路；第十五阀门
115
及相应管道与在线气体分析质谱仪
12
的样品出口相连；
[0006]该实验系统还包括配套的配电系统
13、
数控系统
14
和数据采集系统
15。
[0007]所述的试件坩埚7采用碳化硅陶瓷材料，坩埚内部采用圆角工艺；实验段加热炉6顶部采用
310S
不锈钢材料
、
保温套筒采用碳化硅陶瓷管外包气凝胶保温棉
、
底部端盖采用高纯氧化锆陶瓷材料制成
。
[0008]所述的电磁感应加热线圈8缠绕于试件坩埚7外部，试件坩埚7位于电磁感应加热线圈8中心磁场均匀位置，能够对结构材料进行均匀加热至熔点以上；电磁感应加热线圈8采用
PLC
控制系统，配合实验系统中的数据采集系统
15
进行功率调节，能够实现对熔融物温度的控制，实现等温条件下的氧化实验
。
[0009]所述的电磁感应加热线圈8内部通冷却水对其进行冷却，电磁感应加热线圈8表面涂有陶瓷绝缘疏水涂层，电磁感应加热线圈8与试件坩埚7间填充有玻璃纤维保温棉
。
[0010]所述的在线气体分析质谱仪
12
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探测器和二次电子倍增器；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
。
[0011]所述的配电系统
13
包括依次连接的配电柜
、
输电线和用电设备，用电设备为蒸汽发生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
核反应堆严重事故下熔融结构材料氧化实验系统，其特征在于：所述实验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；气体供应系统包括氩气供应系统和蒸汽供应系统，氩气供应系统中，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，氩气主管道上安装有第二热电偶
(202)
和第一流量计
(401)
；蒸汽供应系统中，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)
和第三热电偶
(203)
；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)
；真空系统为真空泵4，真空泵
(4)
通过第六阀门
(106)
及相应管道与气体主管道相连；实验段包括了实验段加热炉
(6)、
试件坩埚
(7)
与电磁感应加热线圈
(8)
，实验段加热炉
(6)
进口管道通过静态气体混合器
(5)、
第七阀门
(107)
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实验段加热炉
(6)
前混合均匀，实验段进口管道缠有加热丝对气体进行预热，进口管道上安装有第二压力传感器
(302)
与第四热电偶
(204)
；实验段加热炉
(6)
由不锈钢顶部端盖
、
碳化硅陶瓷保温套筒与氧化锆底部端盖组成，顶部端盖开有石英玻璃视窗并放置红外测温仪
(9)
；实验段加热炉
(6)
内安装有试件坩埚
(7)
与电磁感应加热线圈
(8)
；实验段加热炉
(6)
顶部出口通过第八阀门
(108)
及相应管道与气液分离器
(11)
一次侧进口相连，在第八阀门
(108)
与加热炉
(6)
出口之间安装有第五热电偶
(205)
；电磁感应加热线圈
(8)
内部布置有冷却通道，分别通过第十二阀门
(112)
和第十三阀门
(113)
及相应管道与冷水机
(10)
相连，冷却系统核心设备为冷水机
(10)
，冷水机
(10)
还通过第十阀门
(110)
和第十一阀门
(111)
及相应管道与气液分离器
(11)
二次侧相连；尾气分析系统则由气液分离器
(11)
与在线气体分析质谱仪
(12)
共同组成，气液分离器
(11)
分离出的冷凝水通过第九阀门
(109)
及相应管道排放至环境，气体则通过气液分离器
(11)
和第十四阀门
(114)
及相应管道与三通阀
(601)
连接，气液分离器出口管道上安装有第六热电偶
(206)
；三通阀
(601)
的水平分支通过相应管道与在线气体分析质谱仪
(12)
的样品进口相连，三通阀
(601)
的垂直分支形成气体排放旁路；第十五阀门
(115)
及相应管道与在线气体分析质谱仪
(12)
的样品出口相连；该实验系统还包括配套的配电系统
(13)、
数控系统
(14)
和数据采集系统
(15)。2.
根据权利要求1所述的核反应堆严重事故下熔融结构材料氧化实验系统，其特征在于：所述的试件坩埚
(7)
采用碳化硅陶瓷材料，坩埚内部采用圆角工艺；实验段加热炉
(6)
顶部采用
310S
不锈钢材料
、
保温套筒采用碳化硅陶瓷管外包气凝胶保温棉
、
底部端盖采用高纯氧化锆陶瓷材料制成
。3.
根据权利要求1所述的核反应堆严重事故下熔融结构材料氧化实验系统，其特征在于：所述的电磁感应加热线圈
(8)
缠绕于试件坩埚
(7)
外部，试件坩埚
(7)
位于电磁感应加热线圈
(8)
中心磁场均匀位置，能够对结构材料进行均匀加热至熔点以上；电磁感应加热线圈
(8)
采用
PLC
控制系统，配合实验系统中的数据采集系统
(15)
进行功率调节，能够实现对熔融物温度的控制，实现等温条件下的氧化实验
。4.
根据权利要求1所述的核反应堆严重事故下熔融结构材料氧化实验系统，其特征在于：所述的电磁感应加热线圈
(8)
内部通冷却水对其进行冷却，电磁感应加热线圈
(8)
表面
涂有陶瓷绝缘疏水涂层，电磁感应加热线圈
(8)
与试件坩埚
(7)
间填充有玻璃纤维保温棉
。5.
根据权利要求1所述的核反应堆严重事故下熔融结构材料氧化实验系统，其特征在于：所述的在线气体分析质谱仪
(12)
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探测器和二次电子倍增器；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
。6.
根据权利要求1所述的核反应堆严重事故下熔融结构材料氧化实验系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚培，王浩理，蓝毅聪，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：