(19)国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202210720578.9
(22)申请日 2022.06.23
(71)申请人 华南理工大学
地址 510640 广东省广州市天河区五山路
381号
(72)发明人 李根 姚沛滔 胡晗
(74)专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限
公司 44102
专利代理师 江裕强
(51)Int.Cl.
G01N 25/04(2006.01)
G01N 25/02(2006.01)
(54)发明名称模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置及方法(57)摘要本发明公开了一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置及方法。所述可视化实验装置，包括可视化实验腔、加热装置、模拟燃料棒、温度测量装置、拍摄装置、储液罐和换热器；模拟燃料棒设置在可视化实验腔内部，每个模拟燃料棒包括由电阻丝串联的多个模拟燃料芯块和包裹在外侧的模拟燃料棒包壳；每个模拟燃料芯块包括多块模拟燃料碎片；冷却剂温度通过加热装置和换热器进行调节；根据与真实物质密度比接近的原则，模拟燃料碎片的材质为有机玻璃，模拟燃料棒包壳的材质为石蜡，冷却剂采用 三醋酸甘油酯。本发明可开展单棒和多棒的包壳熔化和碎片迁移可视化模拟实验，获得用于理论模型验证的可视化图像和数据，为铅铋堆安全
分析提供重要支撑。权利要求书2页 说明书5页 附图1页CN 115112706 A 2022.09.27
C N 115112706
A
1.一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置，其特征在于，包括可视化实验腔(1)、加热装置(9)、至少一根模拟燃料棒(2)、温度测量装置(4)、拍摄装置(13)、储液罐(11)和换热器(12)；
可视化实验腔(1)和储液罐(11)内均能容纳所述冷却剂(10)，且加热装置(9)用于调节储液罐(11)内冷却剂(10)的温度；
每个模拟燃料棒(2)均设置在可视化实验腔(1)内且浸泡在冷却剂(10)中，每个模拟燃料棒(2)均包括由电阻丝(203)串联的多个模拟燃料芯块(3)和包裹在模拟燃料芯块(3)外侧的模拟燃料棒包壳(201)，每个模拟燃料芯块(3)包括多块模拟燃料碎片(101)；
温度测量装置(4)设置在模拟燃料棒(2)上，用于测量模拟燃料芯块(3)和模拟燃料棒包壳(201)的温度；
拍摄装置(13)与可视化实验腔(1)相对设置，用于记录模拟燃料棒包壳(201)的熔化和模拟燃料碎片(101)的迁移过程；
储液罐(11)、可视化实验腔(1)和换热器(12)依次管道连接形成循环环路，其中，换热器(12)用于排出从可视化实验腔(1)流出的冷却剂(10)的热量。
2.根据权利要求1所述的一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置，其特征在于：还包括孔板(5)，孔板(5)设置在可视化实验腔(1)内，且位于模拟燃料棒(2)的下方。
3.根据权利要求1所述的一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置，其特征在于：组成模拟燃料芯块(3)的多块模拟燃料碎片(101)之间粘接固定。
4.根据权利要求3所述的一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置，其特征在于：多块模拟燃料碎片(101)之间通过石蜡粘结剂(102)粘接固定。
5.根据权利要求1所述的一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置，其特征在于：温度测量装置(4)包括多对热电偶，沿模拟燃料棒(2)的高度方向上排布。
6.根据权利要求1所述的一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置，其特征在于：储液罐(11)和可视化实验腔(1)之间的管路上还设置有调节阀(7)和流量计(6)。
7.根据权利要求1所述的一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置，其特征在于：储液罐(11)和可视化实验腔(1)之间的管路上还设置有驱动泵(8)。
8.根据权利要求1所述的一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置，其特征在于：加热装置(9)为电加热棒，所述电加热棒设置在储液罐(11)内。
9.根据权利要求1‑9任一所述的一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置，其特征在于：模拟燃料碎片(101)的材质为有机玻璃，模拟燃料棒包壳(201)的材质为石蜡，冷却剂(10)采用三醋酸甘油酯。
变压器防盗锁
10.一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验方法，其特征在于：采用权利要求1‑9任一所述的装置，所述方法包括：
往可视化实验腔(1)和储液罐(11)内均注入冷却剂(10)，使模拟燃料棒(2)浸泡在冷却剂(10)内，启动驱动泵(8)进行循环，通过加热装置(9)对储液罐(11)内的冷却剂(10)进行加热；
通过温度测量装置(4)记录模拟燃料芯块(3)和模拟燃料棒包壳(201)的温度，当石蜡温度接近熔点时，开启拍摄装置(13)，观察模拟燃料棒包壳(201)熔化及模拟燃料碎片
(101)的迁移过程；
其中，冷却剂(10)的热量通过布置在管路上的换热器(12)排出；通过调节阀(7)调整冷却剂(10)流量，开展不同流动状态下的实验；通过调节电阻丝(203)两端的电压，开展不同加热速率下的实验。
模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置及方法
技术领域
[0001]本发明属于先进核反应堆事故分析领域，具体涉及一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置及方法。
背景技术
[0002]铅铋快堆作为第四代先进反应堆的堆型之一，具有功率密度大、自然循环能力强、冷却剂化学性质稳定、沸点高、不会出现传热恶化等优点，可有效提高反应堆运行范围和安全限值。在反应堆运行过程中，燃料组件堵流事故、反应性引入事故等可能引起燃料棒局部超温、失效熔化的安全问题；燃料棒失效熔化后的破损碎片、裂变产物和包壳熔融物进入铅铋冷却剂，并在下游低温区域凝固聚集成新堵块，进而形成二次堵流，严重影响组件内热量的正常传递。对于燃料棒熔化和碎片迁移的研究，采用真实材料的实验难以开展，且花费高昂，因而采用性质与反应堆材料相似的替代物质开展模拟实验是一种有效的方案。[0003]中国发明公开专利CN108492897A公开了一种研究核反应堆燃料棒
熔化特性的可视化实验装置。该装置采用模拟燃料棒的替代物质间接研究了堆芯燃料棒的熔化机理。主体实验件放置在透明的石英玻璃管内，然后通过注水装置往石英玻璃容器内注满去离子水，并通过电力系统对模拟燃料棒进行加热，待加热至外层包裹材料发生熔化时，对燃料棒不同高度位置进行温度测量，并通过高速摄像机对实验过程进行记录。该发明旨在为轻水核反应堆事故下燃料棒的高温熔化行为开展模拟实验，但无法模拟铅铋堆的包壳熔化和碎片迁移行为。
复合挤塑聚苯板[0004]铅铋冷却剂具有大密度、高沸点和不透明特征，核反应堆事故下铅铋冷却剂不会沸腾蒸发，因而包壳熔化、熔融物和固体碎片的迁移都是浸没在铅铋冷却剂中进行的，该现象与轻水堆的燃料棒熔化行为存在显著不同。对于铅铋堆的包壳熔化及碎片迁移模拟实验，替代材料的选择是主要难点。为了模拟主要事故现象，并兼顾实验结果的可拓展性，替代物质的选取应满足：1)与真实材料具有相似的密度比；2)铅铋冷却剂的替代物质为透明液体；3)包壳替代物质的熔点较低。通过选取合理的替代物质，设计一套低温、可操作性强、可视化的实验装置，是开展铅铋堆包壳熔化和碎片迁移研究的关键。
发明内容
[0005]本发明提出一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置及方法，为低温条件下可视化地开展包壳熔化及碎片迁移规律的研究提供了可能性，也为数值模拟的理论模型验证提供了对比实验数据。
车联网天线
[0006]为了实现上述目的，本发明提供的一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验装置及方法，包括可视化实验腔、加热装置、至少一根模拟燃料棒、温度测量装置、拍摄装置、储液罐和换热器；
[0007]可视化实验腔和储液罐内均能容纳所述冷却剂，且加热装置用于调节储液罐内冷却剂的温度；
[0008]每个模拟燃料棒均设置在可视化实验腔内且能浸泡在冷却剂中，每个模拟燃料棒均包括由电阻丝串联的多个模拟燃料芯块和包裹在模拟燃料芯块外侧的模拟燃料棒包壳，每个模拟燃料芯块包括多块模拟燃料碎片；
机床数据采集[0009]温度测量装置设置在模拟燃料棒上，用于测量模拟燃料芯块和模拟燃料棒包壳的温度；
蒸汽减压减温装置[0010]拍摄装置与可视化实验腔相对设置，所述可视化实验腔为可视化容器，通过拍摄装置记录模拟燃料棒包壳熔化和模拟燃料碎片的迁移过程；
[0011]储液罐、可视化实验腔和换热器依次管道连接形成循环环路，其中，换热器用于排出从可视化实验腔流出的冷却剂的热量，冷却剂温度可通过换热器和加热装置进行调节。[0012]进一步地，还包括孔板，孔板设置在可视化实验腔内，且位于模拟燃料棒的下方。冷却剂由可视化实验腔下部进入，经由孔板进行流量分配，再与模拟燃料棒进行换热之后返回储液罐。
[0013]进一步地，多块模拟燃料碎片通过石蜡粘结剂粘结组合成独立的模拟燃料芯块，且模拟燃料芯块与反应堆真实的燃料芯块尺寸保持一致。
[0014]进一步地，温度测量装置包括多对热电偶，并在模拟燃料棒不同高度位置上布置多组热电偶，用于测量模拟燃料芯块和模拟燃料棒包壳的温度。
玻璃夹胶机[0015]进一步地，储液罐和可视化实验腔之间的管路上还设置有调节阀和流量计。[0016]进一步地，储液罐和可视化实验腔之间的管路上还设置有驱动泵。
[0017]进一步地，加热装置为电加热棒，所述电加热棒设置在储液罐内。
[0018]进一步地，模拟燃料碎片的材料为有机玻璃，模拟燃料棒包壳的材质为石蜡，冷却剂采用三醋酸甘油酯。
[0019]更进一步地，所述替代物质有机玻璃、石蜡、三醋酸甘油酯的密度比为1:0.75: 0.96，与真实的混合氧化物核燃料、不锈钢包壳、铅铋冷却剂的密度比1:0.72:0.97，极为接近；所选取的三醋酸甘油酯为透明液体，且沸点高于石蜡的熔点。
[0020]其中，模拟燃料棒制作方法为：根据反应堆燃料芯块尺寸，制作扇形柱状结构的模拟燃料碎片，采用石蜡粘结剂将多个模拟燃料碎片粘结组合成独立的模拟燃料芯块；然后采用电阻丝穿过多个
模拟燃料芯块的中心孔，并将电阻丝的上下端连接于固定支架，并在模拟燃料芯块的外部涂抹包壳替代物质石蜡，制作单根模拟燃料棒；将制作好的模拟燃料棒和固定支架一体放置于可视化实验腔1内，并连接固定支架和实验腔体的衔接处。[0021]一种模拟铅铋堆包壳熔化和碎片迁移的可视化实验方法包括以下步骤：往可视化实验腔和储液罐内均注入冷却剂，并使模拟燃料棒浸泡在冷却剂内，然后启动驱动泵进行循环，通过加热装置对储液罐内的冷却剂进行加热；通过温度测量装置记录模拟燃料芯块和模拟燃料棒包壳的温度，当石蜡温度接近熔点时，开启拍摄装置，观察模拟燃料棒包壳熔化和模拟燃料碎片的迁移过程；其中，冷却剂的热量通过布置在循环管路上的换热器排出；通过调节阀调整冷却剂流量，开展不同流动状态下的实验；通过调节电阻丝两端的电压，开展不同加热速率下的实验。
[0022]和现有技术相比，本发明至少具备以下优势：
[0023]1)本实验装置可开展单棒和多棒的模拟燃料棒在不同加热升温速率、冷却剂温度和流动状态下的包壳熔化和碎片迁移可视化模拟实验，获得图像资料和温度数据。
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