实验用品以及制作实验用品的方法与流程

1.本发明的实施例涉及反应堆安全领域，具体涉及一种实验用品以及制作实验用品的方法。


背景技术：

2.反应堆燃料棒的包壳管中容纳有芯块，芯块中的铀235裂变会产生碘，碘能够腐蚀包壳管；同时，芯块在辐照作用下发生辐照肿胀，体积增大，进而导致芯块与包壳管的内壁接触，芯块从包壳管内部沿包壳管的径向方向对包壳管施加环向应力，碘的腐蚀和环向应力共同作用导致包壳管开裂，即产生碘致应力腐蚀现象。
3.相关技术中，往往采用轴向拉伸实验模拟碘致应力腐蚀现象，轴向拉伸实验中，应力的施加方向与反应堆燃料棒的包壳管受到的真实应力情况不一致，难以准确模拟反应堆燃料棒的包壳管的实际工况。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，提出了本发明。
5.本发明的实施例提供了一种实验用品，包括：锆合金管；密封件，密封件设置成密封锆合金管两端的开口；高压气体，高压气体填充于锆合金管内；碘，碘设置于锆合金管内。
6.本发明的实施例还提供了一种制作实验用品的方法，包括：获取锆合金管和密封件；使用密封件密封锆合金管两端的开口；将碘加入至锆合金管内；将高压气体填充至锆合金管内，制作完成实验用品。
附图说明
7.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
8.图1为本发明实施例的实验用品的示意图；
9.图2为本发明实施例的实验用品的示意图；
10.图3为本发明实施例的实验用品的示意图；
11.图4为本发明实施例的实验用品的示意图；
12.图5为本发明实施例的制作实验用品的流程示意图。
13.需要说明的是，附图不一定按比例绘制，其仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
具体实施方式
14.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
15.需要说明的是，除非另外定义，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。若全文中涉及“第一”、“第二”等描述，则该“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。若全文中出现“和/或”，其含义为包括三个并列方案，以“a和/或b”为例，包括a方案，或b方案，或a和b同时满足的方案。此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等，仅用来描述如图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解为也包含除了图中所示的方位之外的在使用或操作中的不同方位。
16.参见图1，本发明的实施例提供了一种实验用品，包括：锆合金管10；密封件20，密封件20设置成密封锆合金管10两端的开口；高压气体40，高压气体40填充于锆合金管10内；碘30，碘30设置于锆合金管10内。
17.本发明的实施例提供的实验用品用于模拟反应堆燃料棒的包壳管发生的碘30致应力腐蚀现象，具体地，在锆合金管10内部含有碘30和高压气体40的情况下，通过将锆合金管10加热至预设温度来模拟反应堆燃料棒的包壳管发生的碘30致应力腐蚀现象，预设温度可以是反应堆燃料棒的包壳管在反应堆工作时的所处温度。本发明实施例提供的实验用品在实验过程中用作被测试的试样，具体地，通过加热实验用品，使实验用品在锆合金管10内的高压气体40和碘30共同作用下发生环向开裂，以模拟碘30致应力腐蚀现象。
18.可以理解地，本发明的实施例提供的实验用品，在锆合金管10内填充有高压气体40，加热高压气体40后，高压气体40从锆合金管10内部产生沿锆合金管10径向的压力，通过该压力模拟反应堆燃料棒的包壳管受到的芯块产生的环向应力；锆合金管10内还设置有碘30，碘30和高压气体40共同模拟碘30致应力腐蚀现象，更加接近反应堆燃料棒的包壳管的实际工况。
19.锆合金管10用于模拟反应堆燃料棒的包壳管，锆合金管10具有中空的管腔，锆合金管10的两端具有开口，开口能够将管腔与锆合金管10的外部连通，锆合金管10的具体形状可以根据反应堆燃料棒的包壳管的形状确定，一般地，锆合金管10可以为圆柱形管，本发明对锆合金管10的尺寸不做限定。另外需要说明的是，本领域技术人员可以理解，不同的反应堆燃料棒的包壳管的材质可能会略有不同，例如锆合金管的具体合金种类不同，或者锆合金管上涂有其他涂层等等，因此，本发明实施例中的锆合金管10可以是任何适用于作为反应堆燃料棒的包壳管的材质。
20.密封件20用于防止碘30和高压气体40从锆合金管10的管腔泄漏至锆合金管10的外部，密封件20设置成密封锆合金管10两端的开口。密封件20可以为任意形状，其能够实现对锆合金管10两端的开口进行密封即可。密封件20可以为任意材质，但优选地，密封件20为与锆合金管10相同的材质，即，密封件20的材质为锆合金。密封件20可以通过任何适合的方式安装并密封锆合金管10两端的开口。
21.碘30用于模拟反应堆燃料棒的包壳管中的铀235裂变产生的碘。碘30与锆合金管10相互作用，以此来模拟锆合金管10受到的碘致应力腐蚀现象。
22.高压气体40用于模拟反应堆燃料棒的包壳管中的芯块对包壳管的环向应力。高压
气体40可以是不与碘发生反应的气体，高压气体40可以是惰性气体，例如氩气等。通过加热高压气体40，使高压气体40的体积膨胀，以对锆合金管10产生能破坏锆合金管10的环向应力。
23.在某些实施例中，实验用品还包括有机溶剂，有机溶剂设置于锆合金管10内，碘30溶解于有机溶剂中。
24.有机溶剂可以是任何能够使碘30溶解于其中的有机溶剂，本发明对此不做限定。本发明的实施例通过将碘溶解于有机溶剂中后加入锆合金管10内，相对于直接加入气态的碘或固态的碘而言，可以防止碘在加入锆合金管10的过程中挥发，便于准确控制加入的碘的量，以便于进一步研究碘的量对锆合金的影响，例如，可以通过直接将溶解了碘的有机溶剂注入锆合金管10的内部的方式将碘设置于锆合金管10内，既便于控制碘的含量，也便于在加入碘之后对锆合金管10进行密封。
25.在某些实施例中，高压气体40被设置成：在预设温度下，高压气体40对锆合金管产生的压力能够使锆合金管破裂。
26.本发明的实施例提供的实验用品，需要通过使锆合金管10破裂来研究碘致应力腐蚀现象，故，在本实施例中，在锆合金管10中充入一定压力的高压气体40，此时的高压气体40并不会使锆合金管10破裂，当把高压气体40加热至预设温度时，由于高压气体40受热之后体积会发生膨胀，此时高压气体40对锆合金管10的压力会增大。通过调整锆合金管10中高压气体40充入时的压力，使高压气体40加热至预设温度时，产生能够破坏锆合金管10的环向应力，使锆合金管10发生环向开裂。通过控制锆合金管10中高压气体40充入时的压力以及预设温度，可以控制环向应力的大小。环向应力可以通过(1)式计算：
[0027][0028]
其中，σ为环向应力，相当于包壳管实际服役时的环形应力；p为高压气体的压力，加热后的高压气体的压力可以通过理想气体方程计算；d
id
为锆合金管10的内径；d
od
为锆合金管10的外径。
[0029]
参见图2、图3及图4，在某些实施例中，密封件20包括第一密封件201和第二密封件202，第一密封件201和第二密封件202分别密封锆合金管10两端的开口；第一密封件201设置有通道2011，通道2011能够将锆合金管10的内部与锆合金管10的外部连通，通道2011在将高压气体40填充至锆合金管10之后处于密封状态。
[0030]
在第一密封件201和第二密封件202装配在锆合金管10两端的开口上之后，通过通道2011将锆合金管10的外部的碘30和高压气体40加入至锆合金管10的内部，在将高压气体40填充至锆合金管10之后，再使通道2011处于密封状态，以维持锆合金管10中高压气体40的压力。本实施例对通道2011的形状、长度不做限制，通道2011能够将锆合金管10的外部和锆合金管10的内部连通即可。通道2011可以设置在第一密封件201上并沿第一密封件201的轴线贯穿第一密封件201。本实施例对使通道2011处于密封状态的方法不做限制，其能够使通道2011处于密封状态即可。
[0031]
在某些实施例中，第一密封件远离锆合金管的一端具有沿锆合金管的轴线远离锆合金管的方向尺寸逐渐变小的端部，通道的进口设置在端部上。
[0032]
第一密封件201设置在锆合金管10的一个开口上，第一密封件201的一个端部设置在锆合金管10上，与之相对地，第一密封件201具有一个远离锆合金管10的端部2013。当第一密封件201装配在锆合金管10上时，第一密封件201的轴线通常与锆合金管10的轴线重合，端部2013的尺寸沿着锆合金管10的轴线远离锆合金管的方向逐渐变小。需要说明的是，本实施例中所说的逐渐变小并不是指变化是连续的，例如可以是阶段性地逐渐变小，在同一阶段中，尺寸可以不发生变化。当第一密封件201为圆柱形时，端部2013的尺寸的逐渐变小可以具体体现为端部2013的直径或半径逐渐变小。例如，端部2013可以为圆锥形或圆台形，或者为如图4所示的多个共轴且尺寸逐渐变小的圆柱体拼接成的形状。
[0033]
通道2011的进口2012设置在端部2013上时，通过将端部2013设置成尺寸逐渐变小的形状，可以便于对进口2012进行密封。例如，通过对进口2012进行堵孔焊实现通道2011的密封时，端部2013设置成尺寸逐渐变小的形状可以便于堵孔焊对进口2012进行密封。具体可以采用激光堵孔焊对进口2012进行密封，激光的照射面积较小，端部2013具有尺寸较小的部分时，激光可以方便地使尺寸较小的部分融化，进而封堵进口2012使通道2011处于密封状态。通道2011的内径也可以随着端部2013的尺寸变小而相应变小，通道2011的内径较小可以便于对通道2011进行密封。
[0034]
在某些实施例中，密封件20与锆合金管10之间通过焊接实现密封。
[0035]
通过焊接的方式，可以将密封件20可靠地固定在锆合金管10上，同时能够实现可靠的密封。可以使用电子束进行焊接。焊接时可以通过环焊的方式将密封件20和锆合金管10之间的环状缝隙全部密封。
[0036]
在某些实施例中，实验用品还包括箍紧件，箍紧件套设在锆合金管10以及密封件20上，箍紧件被设置成箍紧密封件20与锆合金管10之间焊缝。
[0037]
可以理解，当密封件20与锆合金管10之间通过焊接实现密封时，在密封件20与锆合金管10之间会留有焊缝，在锆合金管10内填充有高压气体时，高压气体的压力大到足以使锆合金管10破裂，而焊缝的强度相对锆合金管10的管壁而言较弱，此时高压气体很有可能使破裂发生在焊缝的位置，但破裂在焊缝位置发生时，将无法研究碘致应力对锆合金管10的腐蚀，导致实验用品的浪费。故，通过设置箍紧件保护焊缝，防止破裂发生在焊缝位置。在图3和图4示出的实施例中，箍紧件包括第一箍紧件51和第二箍紧件52，第一箍紧件51和第二箍紧件52设置成分别箍紧锆合金管10的两端的焊缝。
[0038]
参见图4，在某些实施例中，密封件20具有插入锆合金管10的部分，密封件20插入锆合金管10的部分与锆合金管10的管壁贴合并支撑管壁；箍紧件被设置成箍紧锆合金管10被密封件20支撑的管壁、密封件20未插入锆合金管10的部分以及密封件20与锆合金管10之间焊缝。在本实施例中，箍紧件被设置成箍紧锆合金管10被密封件20支撑的管壁，也就是说，箍紧件在锆合金管10上延伸的长度与密封件20在锆合金管10中插入的深度相同。在锆合金管10内，第一密封件201和第二密封件202之间的腔体用于模拟反应堆燃料棒的包壳管内的环境，故通过箍紧件来将锆合金管10发生环向开裂的位置限定在第一密封件201和第二密封件202之间的腔体位置，使模拟更加准确。
[0039]
在某些实施例中，第一密封件201和第二密封件202插入锆合金管10的部分与锆合金管10的内径相同，第一密封件201和第二密封件202未插入锆合金管10的部分与锆合金管10的外径相同。通过这种设置方式，当箍紧件套设在锆合金管10以及密封件20上时，可以同
时箍紧锆合金管10以及密封件20，限定锆合金管10以及密封件20的相对位置，这样，在锆合金管10内的高压气体压力较高时，也能保证锆合金管10以及密封件20之间稳固连接。
[0040]
在某些实施例中，箍紧件的材质为可伐合金。由于本发明的实施例的实验用品在进行测试时，会放置在温度较高的环境中，为了防止箍紧件受热膨胀后对焊缝、锆合金管10和密封件20的箍紧效果变差，可以将箍紧件的材质设置为可伐合金。可伐合金的体积受温度影响较小，可以在高温下不发生较大的形变，确保箍紧效果。可伐合金具体可以为feconi可伐合金。
[0041]
参见图5，本发明的实施例还提供了一种制作实验用品的方法，包括：
[0042]
s101，获取锆合金管10和密封件20；
[0043]
s102，使用密封件20密封锆合金管10两端的开口；
[0044]
s103，将碘加入至锆合金管10内；
[0045]
s104，将高压气体填充至锆合金管10内，制作完成实验用品。
[0046]
下面对每个步骤进行详细地描述。
[0047]
s101，获取锆合金管10和密封件20。
[0048]
可以直接从用于制作反应堆燃料棒的包壳管上截取一定长度作为锆合金管10。然后加工密封件20，使密封件20的尺寸与锆合金管10两端的开口相匹配。以密封件20的材质为锆合金为例，可以将锆合金加工成圆柱状的端塞作为密封件20。
[0049]
s102，使用密封件20密封锆合金管10两端的开口。
[0050]
将密封件20装配到锆合金管10两端的开口，然后对密封件20与锆合金管10之间的缝隙再进行密封。
[0051]
s103，向锆合金管10内加入碘。
[0052]
步骤s102中用于密封锆合金管10两端的开口的密封件20上可以留有用于加入碘30的通道2011。
[0053]
s104，将高压气体40填充至锆合金管10内，制作完成实验用品。通过通道2011向锆合金管10内填充高压气体40后，再对锆合金管10的内部进行完全密封。
[0054]
在某些实施例中，将碘加入至锆合金管10内包括：将碘溶解于有机溶剂；将溶解了碘的有机溶剂加入至锆合金管10内。
[0055]
有机溶剂可以是任何能够使碘30溶解于其中的有机溶剂，本发明对此不做限定。本发明的实施例通过将碘溶解于有机溶剂中后加入锆合金管10内，相对于直接加入气态的碘或固态的碘而言，可以防止碘在加入锆合金管10的过程中挥发，便于准确控制加入的碘的量，便于进一步研究碘的量对锆合金的影响，例如，可以通过直接将溶解了碘的有机溶剂注入锆合金管10的内部的方式将碘设置于锆合金管10内，既便于控制碘的含量，也便于在加入碘之后对锆合金管10进行密封。
[0056]
在某些实施例中，将高压气体40填充至锆合金管10内包括：向锆合金管10内填充预设压力的高压气体40，预设压力满足：当加热高压气体40至预设温度时，高压气体40对锆合金管10产生的压力使锆合金管10破裂。
[0057]
在某些实施例中，密封件20包括第一密封件201和第二密封件202，使用第一密封件201和第二密封件202分别密封锆合金管10两端的开口；其中，在第一密封件201上开设通道2011，当第一密封件201安装在锆合金管10的开口上且锆合金管10内未填充高压气体40
时，通道2011能够将锆合金管10的内部与锆合金管10的外部连通；向锆合金管10内填充高压气体40之后，密封通道2011。
[0058]
在某些实施例中，将第一密封件201不用于装配在锆合金管10上的一端加工成尺寸逐渐变小的端部，将通道2011的进口2012设置在端部上。
[0059]
在某些实施例中，当使用第一密封件201和第二密封件202分别密封锆合金管10两端的开口并向锆合金管10内加入碘30之后，将锆合金管10置于高压容器中，其中，高压容器中含有高压气体40，高压容器中的高压气体40的压力等于预设压力；在高压容器中封闭进口2012以密封通道2011。本发明的实施例中，高压气体40的压力较高，难以通过普通的气体填充的方式在锆合金管10内填充高压气体40，故，通过将锆合金管10置于高压容器中的方式在锆合金管10内填充高压气体40，由于通道2011将锆合金管10内部和高压容器连通，此时锆合金管10内部的压力等于高压容器中高压气体40的压力，通过控制高压容器中高压气体40的压力，即可控制锆合金管10中高压气体40的压力。
[0060]
在某些实施例中，通过激光堵孔焊封闭进口2012。由于高压容器为密封结构，此时难以直接操作锆合金管10进行密封，因此，在本发明的实施例中，通过激光堵孔焊的方式将进口2012密封。高压容器的材质可以是激光可以透过的透明材质，激光透过高压容器后可以照射在高压容器内的密封件20上的进口2012上。通过激光照射第一密封件201上的进口2012，使进口2012部分融化，完成进口2012的密封。
[0061]
在某些实施例中，使用密封件20密封锆合金管10两端的开口时，通过焊接实现密封件20与锆合金管10之间的密封。
[0062]
在某些实施例中，通过焊接实现密封件20与锆合金管10之间的密封后，在锆合金管10以及密封件20上套设箍紧件，使用箍紧件箍紧密封件20与锆合金管10之间焊缝。
[0063]
在某些实施例中，在锆合金管10以及密封件20上套设箍紧件，使用箍紧件箍紧密封件20与锆合金管10之间焊缝包括：冷却带有密封件20的锆合金管10；将箍紧件套设在锆合金管10以及密封件20上；升高带有密封件20以及箍紧件的锆合金管10的温度，以使箍紧件箍紧密封件20与锆合金管10之间焊缝。
[0064]
冷却锆合金管10和密封件20之后，锆合金管10和密封件20的尺寸会变小，可以通过液氮冷却锆合金管10和密封件20。将箍紧件套设在冷却后的锆合金管10以及密封件20上，箍紧件的内径可以略小于锆合金管10和密封件20未冷却时的外径。然后对锆合金管10和密封件20升温，例如，可以使锆合金管10恢复至室温状态，此时锆合金管10和密封件20的外径恢复未冷却前的尺寸，由于箍紧件的内径略小于锆合金管10和密封件20未冷却时的外径，箍紧件和锆合金管10以及密封件20可以实现箍紧，通过这种方式，可以将箍紧件套设在锆合金管10以及密封件20上，并使箍紧件箍紧锆合金管10以及密封件20。
[0065]
在某些实施例中，制作多个实验用品，每个实验用品中加入碘30的量不同。
[0066]
通过在不同的实验用品中加入不同量的碘30，可以探究碘30的量与锆合金管10被腐蚀程度的关系。
[0067]
在某些实施例中，加入体积相同但浓度不同的溶解有碘30的有机溶剂，来实现每个实验用品中加入碘30的量不同。
[0068]
通过控制加入的溶解有碘30的有机溶剂的体积一致，来避免有机溶剂的体积对实验结果的干扰，通过改变碘在有机溶剂中的浓度，来改变每个实验用品中加入的碘30的量。
[0069]
在某些实施例中，制作多个实验用品，每个实验用品中充入的高压气体40的压力不同。
[0070]
通过在不同的实验用品中加入不同压力的高压气体40，可以模拟不同大小的环向应力，探究不同大小的环向应力下的碘致应力腐蚀行为。
[0071]
在某些实施例中，通过控制锆合金管10中碘的量和高压气体40的压力，完成模拟碘致应力腐蚀的加速实验。例如，可以提高碘30的量和/或增加高压气体40的压力，使锆合金管10在更短的时间内破裂，来完成模拟碘致应力腐蚀的加速实验。
[0072]
在某些实施例中，不同的实验用品的锆合金管10具有相同的外径和内径。在某些实施例中，通过控制密封件20在锆合金管10内的插入深度，使不同的实验用品的锆合金管10具有体积相等的可容纳碘30的内部空间。
[0073]
在某些实施例中，获取锆合金管10后，在锆合金管10上设置标记，标记与碘30的量和/或高压气体40的压力相对应。通过对锆合金管10设置标记，来区分装有不同量的碘30和/或充有不同压力的高压气体40的实验用品。
[0074]
在某些实施例中，制作完成实验用品之后，对实验用品进行氦气检漏。通过对实验用品进行氦气检漏，剔除气密性差的实验用品。
[0075]
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。