一种反应堆包壳爆破实验系统及实验方法与流程

1.本发明涉及反应堆安全领域，具体涉及一种反应堆包壳爆破实验系统及实验方法。


背景技术：

2.燃料元件包壳是反应堆放射性物质的第一道屏障，它能包容90％以上的裂变产物。燃料包壳的完整性对于避免正常运行和事故工况下放射性物质的泄漏有重要意义。在冷却剂失水事故中，燃料包壳温度不断升高和裂变气体释放导致包壳内部压力升高，引起包壳变形。包壳膨胀伴随着包壳轴向伸缩，同时，由于燃料包壳厚度较薄，包壳膨胀使得包壳承受过大的应力而导致包壳爆破。
3.脉冲堆采用的不锈钢包壳，在失水事故中，不同破口位置会导致燃料棒包壳处在不同的外部环境。当破口位置处于堆芯中部时，包壳会处于水蒸汽环境；而当破口位置位于堆芯下栅板时，包壳处于空气环境。因此目前需要建立一套脉冲堆包壳所处的不同环境下破裂实验系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种反应堆包壳爆破实验系统及实验方法，通过本发明能够研究脉冲堆不锈钢包壳在蒸气、惰性气体、空气、真空环境下的膨胀和爆破规律，在给定不同初始内部压力和加热速率条件下，获得膨胀和爆破随温度、压力变化的关系，为脉冲堆不锈钢包壳爆破准则的建立提供实验数据。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种反应堆包壳爆破实验系统，包括顶部气体腔室、加热炉、底部气体腔室、惰性气体增压单元、水冷单元、加热单元、真空单元以及气氛供应单元；
7.顶部气体腔室、加热炉、底部气体腔室自上而下依次设置，且三者相互隔离；待测试包壳管竖直安装于加热炉内，待测试包壳管上端与顶部气体腔室连通，待测试包壳管下端与底部气体腔室连通；
8.加热炉的侧壁采用双层水冷夹套结构；
9.加热炉的侧壁中部对称设置有两个采用石英玻璃制作的透明视窗，正对两个透明视窗外部的区域设置有红外测温仪及激光变形测量仪，用于在加热过程中的实时测量加热管的温度和形变；
10.加热炉内设有保温层；
11.惰性气体增压单元分别与顶部气体腔室和底部气体腔室连通，用于向待测试包壳内充入惰性气体，以改变待测试包壳内的压力；
12.水冷单元与所述双层水冷夹套连通，用于向双层水冷夹套内提供冷却水；
13.加热单元包括直流电源，正电极和负电极；正电极和负电极的一端均伸入加热炉内与待测试包壳连接，另一端分别与所述直流电源连接，用于对待测试包壳进行加热；
14.真空单元分别与加热炉、顶部气体腔室、底部气体腔室连通，用于对加热炉内部、顶部气体腔室、底部气体腔室抽真空；
15.气氛供应单元与加热炉内部连通，用于向加热炉内提供惰性气体或者水蒸汽。
16.进一步地，该系统还包括顶部水冷腔室以及底部水冷腔室；
17.顶部水冷腔室安装在顶部气体腔室和加热炉之间，以及底部水冷腔室安装在加热炉与底部气体腔室之间。
18.进一步地，上述水冷单元包括水冷机，水冷机的出水口通过三根出水管分别与顶部水冷腔室、水冷夹套结构以及底部水冷腔室连通，水冷机的回水口通过三根回水管分别与顶部水冷腔室、水冷夹套结构以及底部水冷腔室连通。
19.进一步地，上述惰性气体增压单元包括第一惰性气体气源、减压阀、第一管道和第二管道；第一惰性气体气源通过减压阀分别与第一管道入口和第二管道入口连通，第一管道出口与顶部气体腔室连通，第二管道出口与底部气体腔室连通，且第一管道和第二管道上均安装有调节阀以及压力监测传感器。
20.进一步地，上述气氛供应单元包括第二惰性气体气源、蒸汽发生器、第三管道、第四管道、第五管道、冷凝器以及水箱；
21.第二惰性气体气源、蒸汽发生器均通过第三管道与所述加热炉内部连通，第四管道一端与加热炉内连通，另一端通过第五管道与水箱连通，且第五管道上安装有冷凝器。
22.进一步地，上述真空单元包括真空泵组、第一真空管道以及第二真空管道；真空泵组通过第一真空管道接入所述第一管道或第二管道上，用于对顶部气体腔室和底部气体腔室抽真空，同时通过第二真空管道接入第三管道上，用于对加热炉内部抽真空。
23.进一步地，上述的直流电源电压范围在0-15v连续可调，电流范围在0-1200a连续可调，具有恒压、恒流和恒功率三种加热模式；
24.所述加热炉侧壁上沿轴向并排安装有六个热电偶，相邻两个热电偶的间距为50mm，用于测量待测试包壳外壁面温度；所述保温层为耐高温的氧化锆，采用不同形状堆积而成。
25.上述一种反应堆包壳爆破实验系统的实现方法，可实现空气环境、真空环境、蒸汽环境或惰性气体环境下包壳爆破实验，具体内容如下a、空气环境下的实验方法具体步骤是：
26.步骤a1：向待测试包壳内加压
27.开启惰性气体增压单元，惰性气体通过顶部气体腔室、底部气体腔室进入待测试包壳内，直至包壳达到所设定初始内压；
28.步骤a2：加热测量
29.开启直流电源，采用不同的加热功率，通过激光变形测量仪和红外测温仪实时测量待测试包壳的直径变化，以及温度变化，惰性气体增压单元持续向待测试包壳内加压，记录在空气环境下待测试包壳发生膨胀变形时对应的待测试包壳内压以及温度，以及待测试包壳发生爆破时对应的待测试包壳内压以及温度；
30.步骤a3：实验结束后，关闭惰性气体增压单元、加热单元，待包壳温度降至室温时，取出爆破后的试验件，实验过程结束。
31.b、真空环境下的实验方法具体步骤是：
32.步骤b1：抽真空
33.开启真空单元同时对加热炉内、顶部气体腔室、底部气体腔室抽真空，待真空度达标时关闭真空单元；
34.步骤b2：向待测试包壳内加压
35.开启惰性气体增压单元，惰性气体通过顶部气体腔室、底部气体腔室进入待测试包壳内，直至包壳达到所设定初始内压；
36.步骤b3：加热测量
37.开启直流电源，采用不同的加热功率，通过激光变形测量仪和红外测温仪实时测量待测试包壳的直径变化，以及温度变化，惰性气体增压单元持续向待测试包壳内加压，记录在真空环境下待测试包壳发生膨胀变形时对应的待测试包壳内压以及温度，以及待测试包壳发生爆破时对应的待测试包壳内压以及温度；
38.步骤b4：实验结束后，关闭惰性气体增压单元、加热单元，待包壳温度降至室温时，取出爆破后的试验件，实验过程结束。
39.c、惰性气体环境或者蒸汽环境下的实验方法具体步骤是：
40.步骤c1：抽真空
41.开启真空单元同时对加热炉内、顶部气体腔室、底部气体腔室抽真空，待真空度达标时关闭真空单元；
42.步骤c2：向加热炉内提供实验的气氛环境
43.抽真空结束后，开启气氛供应单元，向加热炉内充入惰性气体或者蒸汽，确保待测试包壳处于惰性气体环境或者蒸汽环境；
44.步骤c3：向待测试包壳内加压
45.开启惰性气体增压单元，惰性气体通过顶部气体腔室、底部气体腔室进入待测试包壳内，直至包壳达到所设定初始内压；
46.步骤c4：加热测量
47.开启直流电源，采用不同的加热功率，通过激光变形测量仪和红外测温仪实时测量待测试包壳的直径变化，以及温度变化，惰性气体增压单元持续向待测试包壳内加压，记录在在惰性气体环境或者蒸汽环境下待测试包壳发生膨胀变形时对应的待测试包壳内压以及温度，以及待测试包壳发生爆破时对应的待测试包壳内压以及温度；
48.步骤c5：实验结束后，关闭惰性气体增压单元、加热单元，待包壳温度降至室温时，取出爆破后的试验件，实验过程结束。
49.本发明具备如下有益效果：
50.1、本发明采用顶部气体腔室、加热炉、底部气体腔室、惰性气体增压单元、水冷单元、加热单元、真空单元以及气氛供应单元构建的实验系统实现了包壳在惰性气体、水蒸气、空气和真空等不同环境下的爆破实验,能够提供包壳在不同环境下的爆破数据，为包壳爆破准则模型建立提供了有力数据支撑。
51.2、本发明实验系统采用的大功率直流电源直接加热包壳的模式可实现对包壳不同速率的电加热，能够模拟反应堆失水事故工况下包壳的升温过程。
52.3、本发明中采用顶部气体腔室和底部气体腔室结构，能够实现待测试包壳内部的任意预设压力，结构简单；
53.加热炉采用水冷夹套结构和保温层相配合，能够减少热量传递到加热炉外侧壁面，从而实现加热炉外侧壁面低温，起到安全保护作用；
54.采用顶部水冷腔室和底部水冷腔室，解决了直接将顶部气体腔室、炉体、底部气体腔室连接时，密封圈高温失效的问题，同时实现不锈钢管顶部和底部的冷却；
55.采用在激光变形测量仪和红外测温仪能够实时测量包壳管的径向膨胀形变和温度，得到包壳在不同压力和温度下变形随时间变化的数据。
附图说明
56.图1为本发明实验系统示意图。
57.图2为加热炉、顶部气体腔室、底部气体腔室、顶部水冷腔室以及底部水冷腔室装配的结构示意图。
58.附图标记如下：
59.1-顶部气体腔室、10-顶部进气通道、11-顶部排气通道、12-底部进气通道、13-底部排气通道、14-顶部水冷腔室、15-底部水冷腔室、16-顶部进水通道、17-顶部出水通道、18-底部进水通道、19-底部出水通道、2-加热炉、20-透明视窗、21-红外测温仪、22-激光变形测量仪、23-保温层、3-底部气体腔室、4-惰性气体增压单元、41-第一惰性气体气源、42-减压阀、43-第一管道、44-第二管道、45-调节阀、46-压力监测传感器、5-水冷单元、51-水冷机、52-出水管、53-回水管、6-加热单元、61-直流电源、62-正电极、63-负电极、64-引线、7-真空单元、71-真空泵组、72-第一真空管道、73-第二真空管道、8-气氛供应单元、81-第二惰性气体气源、82-蒸汽发生器、83-第三管道、84-第四管道、85-第五管道、86-冷凝器、87-水箱、9-待测试包壳。
具体实施方式
60.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
61.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
62.在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“顶、底、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
63.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
64.在本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术
人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
65.本实施例提供了一种反应堆包壳爆破实验系统的具体结构，如图1所示，包括顶部气体腔室1、加热炉2、底部气体腔室3、惰性气体增压单元4、水冷单元5、加热单元6、真空单元7以及气氛供应单元8；
66.如图2所示，在本实施例中顶部气体腔室1、加热炉2以及底部气体腔室3均通过法兰连接，且各部分相互隔离，并保持严格密封；
67.待测试包壳9竖直安装于加热炉2内，待测试包壳9上端与顶部气体腔室1连通，待测试包壳管9下端与底部气体腔室3连通；
68.具体的，顶部气体腔室1侧壁上设有顶部进气通道10和顶部排气通道11，底部气体腔室3侧壁上设有底部进气通道12和底部排气通道13，用于向安装在加热炉2中的待测试包壳9内充入惰性气体。
69.但是为了确保顶部气体腔室1与加热炉2，以及底部气体腔室3与加热炉2之间的严格密封，这两处需要安装密封圈，在高温下密封圈容易失效，因此，本实施例还在顶部气体腔室1和加热炉2之间设置顶部水冷腔室14，以及加热炉2与底部气体腔室3之间设置底部水冷腔室15，从而实现了实现待测试包壳9顶部和底部的冷却，同时也实现了对密封圈进行冷却。
70.具体地，顶部水冷腔室14侧壁上设有顶部进水通道16和顶部出水通道17；底部水冷腔室15侧壁上设有底部进水通道18和底部出水通道19。
71.加热炉9整体呈不锈钢的正六边形筒状结构，其侧壁采用双层水冷夹套结构，具体包括内炉胆和外炉壳，内炉胆和外炉壳之间为设置为冷水流通通道；
72.加热炉9的侧壁中部对称设置有两个采用石英玻璃制作的透明视窗20，正对两个透明视窗20外部的区域设置有红外测温仪21及激光变形测量仪22，用于在加热过程中的实时测量加热管的温度和形变；
73.加热炉9内部放置保温层23；本实施例中保温层23为耐高温的氧化锆，采用不同形状堆积而成；
74.加热炉9侧壁上沿待测试包壳长度方向并排安装有六个热电偶，相邻两个热电偶的间距为50mm，用于测量待测试包壳9外壁面温度。
75.惰性气体增压单元4分别与顶部气体腔室1和底部气体腔室3连通，用于向待测试包壳9内充入惰性气体，以改变待测试包壳9内的压力；
76.具体地，本实施例的惰性气体增压单元4包括第一惰性气体气源41、减压阀42、第一管道43和第二管道44；第一惰性气体气源41通过减压阀42分别与第一管道43入口和第二管道44入口连通，第一管道43出口与顶部气体腔室1连通，第二管道44出口与底部气体腔室3连通，且第一管道43和第二管道44上均安装有调节阀45以及压力监测传感器46。
77.水冷单元5与顶部水冷腔室14、水冷夹套结构以及底部水冷腔室15连通，用于向顶部水冷腔室14、双层水冷夹套、底部水冷腔室15内提供冷却水，并且该冷却水可循环；
78.具体地，本实施例的水冷单元5包括水冷机51，水冷机51的出水口通过三根出水管52分别与顶部水冷腔室14、水冷夹套结构以及底部水冷腔室15连通，水冷机52的回水口通过三根回水管53分别与顶部水冷腔室14、水冷夹套结构以及底部水冷腔室15连通。
79.加热单元6包括直流电源61，正电极62以及负电极63；正电极62和负电极63的一端
均伸入加热炉2内与待测试包壳9连接，另一端分别与所述直流电源61连接，用于对待测试包壳9进行加热；
80.具体来说，本实施例的正电极62和负电极63均通过引线64与直流电源61连接，并且引线64采用铜编织结构，方便实验完成后快速更换实验段，并且直流电源61电压范围在0-15v连续可调，电流范围在0-1200a连续可调，具有恒压、恒流和恒功率三种加热模式。
81.气氛供应单元8与加热炉2内部连通，用于向加热炉2内提供惰性气体或者水蒸汽。
82.具体来说，本实施例的气氛供应单元8包括第二惰性气体气源81、蒸汽发生器82、第三管道83、第四管道84、第五管道85、冷凝器86以及水箱87；
83.第二惰性气体气源81、蒸汽发生器82均通过第三管道83与所述加热炉2内部连通，第四管道84一端与加热炉2内连通，另一端通过第五管道85与水箱87连通，且第五管道85上安装有冷凝器86。工作时，第二惰性气体气源81和蒸汽发生器82分开启动，用于向加热炉2内提供不用的气氛环境。
84.真空单元7分别与加热炉2、顶部气体腔室1、底部气体腔室3连通，用于对加热炉2内部、顶部气体腔室1、底部气体腔室3抽真空。
85.具体来说，本实施例的真空单元7包括真空泵组71、第一真空管道72以及第二真空管道73；真空泵组71通过第一真空管道72接入所述第一管道43或第二管道44上，用于对顶部气体腔室1和底部气体腔室3抽真空，同时通过第二真空管道83接入第三管道83上，用于对加热炉2内部抽真空。
86.本实施中，实验系统可用于具有不同内压和不同温度的包壳在空气、真空、惰性气体和水蒸气环境中的包壳爆破实验，其中包壳内压范围：0～15mpa，加热温度范围：25～1400℃；
87.基于以上对实验系统结构的描述，现对采用该系统进行实验的具体过程进行介绍：
88.一、待测试包壳处于空气环境下的爆破实验
89.进行该试验时，真空单元7以及气氛供应单元8均不参加工作；
90.步骤1：向待测试包壳内加压
91.开启惰性气体增压单元4，惰性气体通过顶部气体腔室1、底部气体腔室3进入待测试包壳9内，直至包壳达到所设定初始内压；
92.步骤2：加热测量
93.开启直流电源61，采用不同的加热功率，通过激光变形测量仪22和红外测温仪21实时测量待测试包壳9的直径变化，以及温度变化，惰性气体增压单元4持续向待测试包壳9内加压，记录在空气环境下待测试包壳9发生膨胀变形时对应的待测试包壳内压以及温度，以及待测试包壳9发生爆破时对应的待测试包壳内压以及温度(内压由压力监测传感器46监测，温度由热电偶和红外测温仪共同监测)；
94.步骤3：实验结束后，关闭惰性气体增压单元4、加热单元，待包壳温度降至室温时，取出爆破后的试验件，实验过程结束。
95.二、待测试包壳处于真空环境下的爆破实验
96.进行该试验时，气氛供应单元不参加工作；
97.步骤1：抽真空
98.开启真空单元7同时对加热炉2内、顶部气体腔室1、底部气体腔室3抽真空，待真空度达标时关闭真空单元；
99.步骤2：向待测试包壳内加压
100.开启惰性气体增压单元4，惰性气体通过顶部气体腔室1、底部气体腔室3进入待测试包壳内，直至包壳达到所设定初始内压；
101.步骤3：加热测量
102.开启直流电源61，采用不同的加热功率，通过激光变形测量仪22和红外测温仪21实时测量待测试包壳9的直径变化，以及温度变化，惰性气体增压单元4持续向待测试包壳9内加压，记录在真空环境下待测试包壳9发生膨胀变形时对应的待测试包壳内压以及温度，以及待测试包壳9发生爆破时对应的待测试包壳内压以及温度(内压由压力监测传感器46监测，温度由热电偶和红外测温仪共同监测)；
103.步骤4：实验结束后，关闭惰性气体增压单元、加热单元，待包壳温度降至室温时，取出爆破后的试验件，实验过程结束。
104.三、待测试包壳处于惰性气体环境或蒸汽环境下的爆破实验
105.步骤1：抽真空
106.开启真空单7，同时对加热炉2内、顶部气体腔室1、底部气体腔室3抽真空，待真空度达标时关闭真空单元；
107.步骤2：向加热炉内提供实验的气氛环境
108.抽真空结束后，开启气氛供应单元8，向加热炉2内充入惰性气体或者蒸汽，确保待测试包壳处于惰性气体环境或者蒸汽环境；
109.步骤3：向待测试包壳内加压
110.开启惰性气体增压单元4，惰性气体通过顶部气体腔室1、底部气体腔室3进入待测试包壳9内，直至包壳达到所设定初始内压；
111.步骤4：加热测量
112.开启直流电源，采用不同的加热功率，通过激光变形测量仪和红外测温仪实时测量待测试包壳的直径变化，以及温度变化，惰性气体增压单元持续向待测试包壳内加压，记录在惰性气体环境或者蒸汽环境下待测试包壳发生膨胀变形时对应的待测试包壳内压以及温度，以及待测试包壳发生爆破时对应的待测试包壳内压以及温度(内压由压力监测传感器46监测，温度由热电偶和红外测温仪共同监测)；
113.步骤5：实验结束后，关闭惰性气体增压单元、加热单元，待包壳温度降至室温时，取出爆破后的试验件，实验过程结束。
114.以上内容仅用来说明本发明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。