复合材料加热块和临界热流密度测量或评估装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种复合材料加热块，其可在核能工程、热能工程和工程热物理等领域中用于临界热流密度（CHF）的精确测量或评估，尤其是用于热导率较低的材料的表面CHF的精确测量或评估。本实用新型专利技术还涉及包括该复合材料加热块的临界热流密度测量或评估装置。该复合材料加热块的特点是，制造方法简单，特别适合用于由热导率较低的材料（比如低合金钢）制成的表面CHF的精确测量或评估，热流密度耐受力高，可靠性好，并且容易操作和控制。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种复合材料加热块，其可在核能工程、热能工程和工程热物理等领域中用于临界热流密度(CHF)的精确测量或评估，尤其是用于热导率较低的材料的壁面CHF的精确测量或评估。本技术还涉及包括该复合材料加热块的临界热流密度测量或评估装置。
技术介绍
在核电站设计中，核安全是需考虑的首要问题。尤其是1979年美国三哩岛核电厂事故、1986年前苏联切尔诺贝利核电厂事故和2011年日本福岛核电厂事故发生后，严重事故的预防和缓解成为核电站设计必须考虑的因素。严重事故通常指的是堆芯熔化事故。如 何降低这种严重事故的发生频率，缓解严重事故的后果，提高核电站的安全水平，已成为各国核工业界和核安全监管当局关注的重点之一。核电站发生严重事故时，堆芯由于失去冷却水将导致堆芯裸露并开始升温、过热，燃料元件由于冷却不足而发生熔化，最终堆芯熔融物落入压力容器下腔室，对压力容器的完整性构成威胁。一旦压力容器熔穿，熔融物流入堆腔室后，将可能发生堆外蒸汽爆炸、熔融物与混凝土反应等现象，致使安全壳内升温升压，对安全壳的完整性构成威胁。因此，如何对熔融物进行有效的冷却是严重事故缓解的关键。为此，通过从压力容器外部对熔融物进行充分有效的冷却，将堆芯熔融物滞留在压力容器内的技术手段是保证压力容器完整性，进而防止多数可能威胁安全壳完整性的堆外现象发生的重要措施。作为缓解该严重事故的关键措施之一，熔融物堆内滞留(IVR)技术近年来在核工业界获得了实际应用，也逐步成为近年来标志性的严重事故缓解措施之一。IVR是通过用水或者水溶液冷却压力容器外壁面而实现的。其中，压力容器外部冷却(ERVC)是实现IVR的重要内容之一。其原理是，利用重力引起的自然循环将水或水溶液等冷却工质注入到压力容器外壁面和压力容器保温层形成的流道，对压力容器下封头进行冷却。当压力容器下封头的热流密度小于压力容器外壁面对应位置的临界热流密度(CHF)时，就可保证压力容器得到充分冷却，达到保证压力容器完整性的目的。合适的ERVC方案设计，能够确保压力容器外壁面得到足够的冷却，以保证容器内熔融物热负荷以合理可靠的方式排出，防止压力容器发生热熔穿。可以说，压力容器外壁面的CHF大小决定了 ERVC的冷却能力限值，同时也决定了 IVR的有效性，是IVR成功的关键之一 O但是，实际获得严重事故时压力容器外壁面的CHF是不可能的，因此必须引入模拟试验。为了设计合适的ERVC方案或研发合适的IVR技术，很多研究者不得不为此搭建试验台架，以试图模拟严重事故时压力容器外壁面的真实冷却工况，并测量或评估压力容器外壁面不同角度位置处的表面CHF，以试图获得严重事故时压力容器外壁面的真实表面CHF数据。这类试验台架主要有两类。一类是二维切片全高度试验，其特点是全尺寸模拟决定自然循环能力的反应堆设计和堆腔淹没工况的高度，典型代表是服务于西屋AP600及APlOOO的美国加州大学圣巴巴拉分校的ULPU系列试验台架。另一类是三维缩比试验，其特点是通过比例分析，对整个压力容器进行三维缩比，典型代表是服务于韩国APR1400的美国宾夕法尼亚州立大学的SBLB试验台架。这类试验台架的基本原理如图I所示。在图I中，I代表加热块(相应于压力容器下封头)，该加热块I的外壁面与侧壁板2 —起限定了冷却工质3(比如水)的流动通道，4是用于加热加热块的电加热棒，5是热电偶或热电阻，其顶端从加热块块体一侧接近加热块I的外壁面(即与冷却工质3接触的一侧表面，以下有时称为加热壁面)。根据该图I,加热块I被电加热棒4加热(以模拟掉落的堆芯熔融物所产生的热量)，热量被传导至加热块I的外壁面，并不断被冷却工质3带走，而热电偶或热电阻5则用于测量或评估加热块I外壁面此时的温度或热流密度。通过改变电加热棒4的数量或输出功率等，使传导至加热块I外壁面的热流密度不断增加。当该热流密度增加到足够高时，加热块I外壁面的冷却工质3全部汽化，导致该外壁面与水之间被气膜阻隔。由于气膜导热很差，因此该外壁面的温度突然上升，此时测得的热流密度即判定为CHF。当外壁面的热流密度达到CHF (或者称为沸腾危 机)时，冷却工质3就失去了对该外壁面进行有效冷却的功能，此时应立即切断加热棒电源，否则加热块I内部不断蓄积的热量无法有效散失而温度升高较多，后果是，电加热棒4过热烧毁，试验无法继续进行。在实际反应堆的IVR过程中，如果压力容器下封头内熔池向壁面传递的热流密度大于压力容器外壁面对应位置的CHF，压力容器可能发生热熔穿。在现有建成的试验台架中，加热块I是用一整块的紫铜(比如前述的ULPU系列试验台架)或者铝(比如前述的SBLB试验台架)制作的，因此加热壁面是紫铜或者铝，测得的是铜或者铝加热壁面的CHF值。但已知的是，实际的反应堆压力容器都是用低合金钢制作的，加热壁面为低合金钢材料。
技术实现思路
本技术的专利技术人通过研究发现，加热壁面或加热壁的材料种类和表面特性等对CHF的测量或评估有显著影响，当冷却工质为化学溶液，例如磷酸三钠溶液或硼酸溶液时，上述效应会更加明显。据此可以判断，采用紫铜或者铝加热块测得的紫铜或铝加热壁面的CHF值并不能真实地反映比如低合金钢制加热壁的CHF值。因此，对于实际的反应堆压力容器而言，现有建成的试验台架所测得的CHF值数据均无法反映真实情况的CHF值，存在改进的必要。鉴于此，为了满足当今对ERVC方案或IVR技术越来越严格的审查和评价要求，迫切地需要开发一种可以精确地测量或评估实际冷却工况下，钢制压力容器下封头外壁面不同位置处的真实CHF值的技术。另外，在其他的一些领域，如热能工程、工程热物理领域等，有时也希望利用加热块来测量或评估由各种材料制成的容器外壁面的(表面)CHF值。但是，在直接使用低合金钢来制造加热块时，在测量或评估中要求热流密度较高(比如2MW/m2以上，据估算在大功率反应堆中掉落的堆芯熔融物即可产生如此高的热流密度，而加热壁面的CHF值要高于这一数值才能保证压力容器下封头不被熔穿)的情况下，由于低合金钢的热导率较低(约40 ff/(m · K))，而加热壁面的热流密度很大，往往会导致低合金钢加热块内部温度过高，结果会造成电加热棒、与加热块接触的密封材料等烧毁，最终测量或评估或模拟无法进行。另一方面，在直接使用低合金钢制造加热块时，由于低合金钢热导率较低，为了保证加热块内部的温度不至于过高而烧毁电加热棒，低合金钢加热壁面的最大热流密度通常只能达到约I. OMW/m2，而据估算大功率反应堆中压力容器下封头内的热流密度可高达I. 6MW/m2，压力容器下封头外表面的CHF可达2. OWM/m2以上。因此用低合金钢制造加热块无法测得高热流密度条件下的CHF值。因此，现有技术的现状是，在测量加热壁面的CHF时，目前还没有一种以低合金钢做为加热壁，加热壁面热流密度能够长时间地或常时保持较高的数值(比如大于2MW/m2以上)而不产生电加热棒烧毁等故障，且加热壁面热流分布控制方便的加热块。实际上，不仅是低合金钢，在模拟或测量或评估由热导率较低的材料构成的加热壁面的CHF值时，都存在这一需要解决的技术课题。本技术的专利技术人在现有技术的基础上经过刻苦的研究发现，通过使用一种特定的制造方法来制造加热块，就可以解决前述问题本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料加热块，其特征是，包括经由复合界面结合的由第一金属材料块A构成的层A和由第二金属材料块B构成的层B，其中第一金属材料块A的热导率大于200W/(m·K)，第二金属材料块B的热导率小于100W/(m·K)，所述第一金属材料块A具有规定了该第一金属材料块A的厚度H1的第一主表面和第二主表面，所述第二金属材料块B具有规定了该第二金属材料块B的厚度H2的第三主表面和第四主表面，所述第一主表面和所述第二主表面中的一方与所述第三主表面和所述第四主表面中的一方被利用爆炸焊接法冶金结合为一体，由此获得的金属复合材料块具有由所述第一金属材料块A与所述第二金属材料块B形成的复合界面，其中，具有按照以下方式（1）和/或（1“）与方式（2）和/或（2“）的组合钻取的至少一个孔A和至少一个孔B，其中所述孔A与所述孔B彼此完全独立，所述孔A的直径大于所述孔B的直径，并且所述孔A仅位于所述第一金属材料块A中，（1）沿着与所述复合界面平行的方向，向所述第一金属材料块A的块体中钻取的至少一个孔A，（1“）沿着与所述复合界面成夹角θ的方向，向所述第一金属材料块A的块体中钻取的至少一个孔A，其中0o＜θ≤90o，并且所述孔A的深度不及所述复合界面；（2）沿着与所述复合界面平行的方向，向所述第一金属材料块A的块体和/或所述第二金属材料块B的块体中钻取的至少一个孔B，（2“）沿着与所述复合界面成夹角θ“的方向，仅从所述第一金属材料块A一侧开始，向所述第一金属材料块A的块体中钻取的至少一个孔B，其中0o＜θ“≤90o，所述孔B为盲孔，并且所述孔B的深度选自：i）不及所述复合界面；ii）到达所述复合界面；和/或iii）穿越所述复合界面并进入所述第二金属材料块B的块体中。...

【技术特征摘要】
书来确定。本领域技术人员可在不脱离本实用新型的技术思想和主旨的范围内对这些实施方式进行适当的变更，而这些变更后的实施方式显然也包括在本实用新型的保护范围之内。权利要求1.一种复合材料加热块，其特征是，包括经由复合界面结合的由第一金属材料块A构成的层A和由第二金属材料块B构成的层B， 其中第一金属材料块A的热导率大于200W/ (m · K),第二金属材料块B的热导率小于IOOW/(m · K)，所述第一金属材料块A具有规定了该第一金属材料块A的厚度Hl的第一主表面和第二主表面，所述第二金属材料块B具有规定了该第二金属材料块B的厚度H2的第三主表面和第四主表面，所述第一主表面和所述第二主表面中的一方与所述第三主表面和所述第四主表面中的一方被利用爆炸焊接法冶金结合为一体，由此获得的金属复合材料块具有由所述第一金属材料块A与所述第二金属材料块B形成的复合界面， 其中，具有按照以下方式(I)和/或(I’)与方式(2)和/或(2’)的组合钻取的至少一个孔A和至少一个孔B，其中所述孔A与所述孔B彼此完全独立，所述孔A的直径大于所述 孔B的直径，并且所述孔A仅位于所述第一金属材料块A中， (O沿着与所述复合界面平行的方向，向所述第一金属材料块A的块体中钻取的至少一个孔A， (I’)沿着与所述复合界面成夹角Θ的方向，向所述第一金属材料块A的块体中钻取的至少一个孔A，其中0° < Θ <90°，并且所述孔A的深度不及所述复合界面； (2 )沿着与所述复合界面平行的方向，向所述第一金属材料块A的块体和/或所述第二金属材料块B的块体中钻取的至少一个孔B， (2’)沿着与所述复合界面成夹角Θ’的方向，仅从所述第一金属材料块A—侧开始，向所述第一金属材料块A的块体中钻取的至少一个孔B，其中0° < Θ’ <90°，所述孔B为盲孔，并且所述孔B的深度选自i...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨培勇，王军荣，胡腾，马莉，李震东，
申请(专利权)人：国核华清北京核电技术研发中心有限公司，国家核电技术有限公司，
类型：实用新型
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