一種高溫熔融物擴展壅塞實驗裝置及實驗方法，包括加熱爐，所述加熱爐包括爐體，爐體為圓筒型結構，并且采用氧化鋯制作；爐體內沿爐體內壁設置有一圈高溫隔熱層，爐體側壁上開設有若干透窗，透窗內安裝有熱電偶；爐體內中心豎直設置有若干測試棒；每根測試棒包括位于中心的鎢錸加熱棒，鎢錸加熱棒外側為氧化鋁層，氧化鋁層外側為鋯?4合金層；加熱爐下方設置有變壓器，變壓器與鎢錸加熱棒相連。通過對鎢錸加熱棒進行電加熱，模擬燃料棒衰變熱，實驗加熱最高溫度可達2000℃，所以能夠真實模擬堆芯材料熔化及兩千度以上高溫熔融物的遷徙壅塞特性。在爐體側開有若干可視化透窗，能夠動態揭示堆芯材料熔化及熔融物的遷徙行為機理。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于實驗裝置
，具體涉及一種高溫熔融物擴展壅塞實驗裝置及實驗方法。
技術介紹
嚴重事故是一個多相態、多組分的復雜物理和化學過程，堆芯燃料組件熔化以及熔融物在反應堆內棒束通道間隙內的擴展及消熔過程是嚴重事故重要早期行為序列，具有很大的不確定性且難以準確預測。國際上關于嚴重事故燃料熔化和燭化的研究，可以追溯到上世紀60年代，核電工業剛剛興起的時候。但是由于當時在使用核電的國家中，并不需要進行相關研究就可以取得核電執照，所以相關的研究并沒有取得太大的進展。直到70年代末，美國發生三哩島事故，給嚴重事故燃料熔化和燭化研究提供了直接的經驗和豐富的素材。隨后，德國進行了CORA實驗的研究，法國CEA進行了PHEBUS實驗的研究，積累了豐富經驗。而在程序開發方面，包括MELCOR，MAAP，SCDAP/RELAP5等都吸收并包含了國際上堆芯熔融物材料的熔化和燭化研究的模型和成果。國內關于嚴重事故的研究主要始于2011年的福島核事故。由于地震和海嘯，日本福島輕水堆核電廠發生了極其嚴重的堆芯熔化，氫氣爆炸和放射性泄露事故，對我國的核電廠反應堆安全評估造成了巨大影響。氫氣爆炸和放射性泄露事故，對我國的核電廠反應堆安全評估造成了巨大影響。由于福島事故的影響，中國政府加大了對嚴重研究力度并支持地方院校和研究機構進行了針對嚴重事故的一系列研究。當前，我國高校針對反應堆嚴重事故，所進行的主要實驗研究，主要包括西安交通大學的堆芯熔融物內保持CHF測試實驗臺架,上海交通大學的蒸汽爆炸測試實驗臺架，而在程序方面，主要進行針對部分嚴重事故現象的程序開發，以及對現有的程序進行集成，或者進行程序的二次開發等工作。綜合國內外針對嚴重事故后堆芯材料熔化及熔融物的遷徙行為研究可以發現：1)由于牽涉多相多組分的物理化學過程，堆芯材料熔化及熔融物的遷徙行為的不確定性很大，各研究者之間的研究條件和結論具有較大差異；2)已有的系統程序模型和機理分析模型，都存在大量的簡化假設，已有模型的適用性十分有限；3)常規數值模擬方法很難處理這么復雜的多相多物理場行為。因此亟需深入開展壓水堆堆芯材料熔化及熔融物的遷徙行為實驗研究。高溫熔融物擴展壅塞實驗研究有助于揭示堆芯材料熔化及熔融物的遷徙行為機理，降低現有嚴重事故分析程序的不確定性，是嚴重事故研究的基礎科學問題。
技術實現思路
為解決上述問題，本專利技術的目的在于提供一種高溫熔融物擴展壅塞實驗裝置及實驗方法，用于揭示堆芯材料熔化及熔融物的遷徙行為機理，利用實驗數據優化已有系統程序模型并開發機理分析模型，為常規數值模擬方法提供驗證，降低現有嚴重事故分析程序的不確定性。為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：一種高溫熔融物擴展壅塞實驗裝置，包括加熱爐，所述加熱爐包括爐體，爐體為圓筒型結構，并且采用氧化鋯制作；爐體內沿爐體內壁設置有一圈高溫隔熱層，爐體側壁上開設有若干透窗，透窗內安裝有熱電偶；爐體內中心豎直設置有若干測試棒；每根測試棒包括位于中心的鎢錸加熱棒，鎢錸加熱棒外側為氧化鋁層，氧化鋁層外側為鋯-4合金層；熱電偶熱端與氧化鋁層表面接觸，冷端穿過透窗；加熱爐下方設置有變壓器，變壓器與鎢錸加熱棒相連。本專利技術進一步的改進在于，該裝置還包括琴臺柜，琴臺柜上設置有溫度控制儀表、電流電壓表、空氣開關、溫控按鈕以及控制按鈕，溫度控制儀表、電流電壓表、空氣開關、溫控按鈕以及控制按鈕均與變壓器相連。本專利技術進一步的改進在于，每根測試棒的長度為0.9m；鎢錸加熱棒的直徑為3mm，氧化鋁層的厚度為3.5mm，鋯-4合金層的厚度為1mm。本專利技術進一步的改進在于，測試棒采用3*3矩陣排列，每根測試棒的橫截面的直徑為12mm，相鄰兩個測試棒之間的距離為1.5mm。本專利技術進一步的改進在于，若干測試棒由包裹層包裹在一起。本專利技術進一步的改進在于，所述加熱爐內徑為1.0m，爐體高度為1.5m，爐體壁厚度為0.01m。本專利技術進一步的改進在于，爐體頂部設置有弧形的爐蓋，爐蓋上開設有氬氣出口；爐體底部側壁上開設有氬氣進口；爐體內設置有用于支撐高溫隔熱層的鉬板。本專利技術進一步的改進在于，透窗的數量為6個，6個透窗沿爐體側壁螺旋式上升排布，相鄰的兩個透窗在豎直方向的距離為0.16m，6個透窗沿爐體側壁周向均勻分布，每個透窗處均設置有用于安裝熱電偶的熱電偶插孔；熱電偶輸出端還連接有可編程溫度控制系統。本專利技術進一步的改進在于，所述爐體底部設置有能夠旋轉的底蓋；若干測試棒的下方設置有用于盛裝測試棒的掉渣的坩堝；坩堝設置在氧化鋯塊上，氧化鋯塊設置在氧化鋁塊上；變壓器通過導電板與鎢錸加熱棒兩端相連。一種高溫熔融物擴展壅塞的實驗方法，其特征在于，0s時預熱階段開始，外部氬氣源向氬氣進口持續通入10g/s的氬氣，以便排出實驗裝置內部的空氣和水蒸氣；鎢錸加熱棒加熱功率維持在1kW，用于加熱蒸發裝置材料中的水分并預熱測試棒；經過2000.0s持續的加熱，實驗裝置內的空氣和水蒸氣已經完全排出，整個裝置內充滿著化學性質穩定的保護氣體；2000s時，瞬態實驗階段開始，同時關閉氬氣進口和氬氣出口閥門；通過可編程溫度控制系統，使得加熱功率從1kW開始以0.01kW/s的速度上升至21kW后保持不變，直至瞬態實驗階段結束；此階段為測試棒熔化及熔融物遷徙的瞬態過程，通過高速攝像儀實時記錄；高速攝像儀拍攝的視頻數據通過多通道數據采集系統最終保存于電腦中；5000s后停止加熱，待鎢錸加熱棒完全冷卻，熔融物熔化遷徙過程完全結束后，拍攝熔化掉落的熔融物分布情況，實驗結束。與現有技術相比，本專利技術具有的有益效果如下：1.該實驗裝置由于在爐體內設置測試棒，測試棒的中心為鎢錸加熱棒，通過對鎢錸加熱棒進行電加熱，模擬燃料棒衰變熱，實驗加熱最高溫度可達2000℃，所以能夠真實模擬堆芯材料熔化及兩千度以上高溫熔融物的遷徙壅塞特性。2.在爐體側開有若干可視化透窗，能夠動態揭示堆芯材料熔化及熔融物的遷徙行為機理。3.本專利技術中可方便更改測試棒棒束布置方式，以便于模擬各種類型反應堆堆芯排布方式，從而揭示高溫熔融物在不同布置方式下的棒束間隙內的流動壅塞行為特性。進一步的，多個高溫熱電偶的螺旋式上升排布可以實現對熔化過程中測試棒不同高度全視角表面溫度的實時記錄收集，可作為傳統系統程序邊界條件或驗證參數，并對已有模型驗證提供準確的實驗數據。進一步的，測試棒上下端均通過導電板與變壓器連接形成低壓高電流環路，鎢錸熱電偶輸出端還連接有可編程溫度控制系統，可編程溫度控制系統檢測測試棒表面溫度，并反饋給低壓高電流環路，防止測試棒表面溫度過高而產生危險。進一步的，變壓器20輸入220V交流電輸出低于36V的低壓交流電，交流電通過導電板流入鎢錸加熱棒中，由于鎢錸加熱棒電阻很小，此環路電流很高，即使人體直接接觸也是無害的，因此設計是十分安全的。本專利技術在0s時預熱階段開始，外部氬氣源向氬氣進口持續通入10g/s的氬氣，以便排出實驗裝置內部的空氣和水蒸氣；鎢錸加熱棒加熱功率維持在1kW，用于加熱并蒸發測試棒和加熱爐內材料中的水分并預熱測試棒；經過2000.0s持續的加熱，實驗裝置內的空氣和水蒸氣已經完全排出，整個裝置內充滿著化學性質穩定的保護氣體；2000s時，瞬態實驗階段開始，同時關閉氬氣進口和氬氣出口閥門；通過可編程溫本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種高溫熔融物擴展壅塞實驗裝置，其特征在于，包括加熱爐，所述加熱爐包括爐體(1)，爐體(1)為圓筒型結構，并且采用氧化鋯制作；爐體(1)內沿爐體(1)內壁設置有一圈高溫隔熱層(2)，爐體(1)側壁上開設有若干透窗(6)，透窗(6)內安裝有熱電偶(12)；爐體(1)內中心豎直設置有若干測試棒(3)；每根測試棒包括位于中心的鎢錸加熱棒(13)，鎢錸加熱棒(13)外側為氧化鋁層(14)，氧化鋁層(14)外側為鋯?4合金層(15)；熱電偶(12)熱端與氧化鋁層(14)表面接觸，冷端穿過透窗(6)；加熱爐下方設置有變壓器(20)，變壓器(20)與鎢錸加熱棒(13)相連。
【技術特征摘要】
1.一種高溫熔融物擴展壅塞實驗裝置，其特征在于，包括加熱爐，所述加熱爐包括爐體(1)，爐體(1)為圓筒型結構，并且采用氧化鋯制作；爐體(1)內沿爐體(1)內壁設置有一圈高溫隔熱層(2)，爐體(1)側壁上開設有若干透窗(6)，透窗(6)內安裝有熱電偶(12)；爐體(1)內中心豎直設置有若干測試棒(3)；每根測試棒包括位于中心的鎢錸加熱棒(13)，鎢錸加熱棒(13)外側為氧化鋁層(14)，氧化鋁層(14)外側為鋯-4合金層(15)；熱電偶(12)熱端與氧化鋁層(14)表面接觸，冷端穿過透窗(6)；加熱爐下方設置有變壓器(20)，變壓器(20)與鎢錸加熱棒(13)相連。2.根據權利要求1所述的一種高溫熔融物擴展壅塞實驗裝置，其特征在于，該裝置還包括琴臺柜(19)，琴臺柜(19)上設置有溫度控制儀表(21)、電流電壓表、空氣開關(26)、溫控按鈕(23)以及控制按鈕(22)，溫度控制儀表(21)、電流電壓表、空氣開關(26)、溫控按鈕(23)以及控制按鈕(22)均與變壓器(20)相連。3.根據權利要求1所述的一種高溫熔融物擴展壅塞實驗裝置，其特征在于，每根測試棒的長度為0.9m；鎢錸加熱棒(13)的直徑為3mm，氧化鋁層(14)的厚度為3.5mm，鋯-4合金層(15)的厚度為1mm。4.根據權利要求1或3所述的一種高溫熔融物擴展壅塞實驗裝置，其特征在于，測試棒(3)采用3*3矩陣排列，相鄰兩個測試棒之間的距離為1.5mm。5.根據權利要求1或3所述的一種高溫熔融物擴展壅塞實驗裝置，其特征在于，若干測試棒(3)由包裹層(4)包裹在一起。6.根據權利要求1所述的一種高溫熔融物擴展壅塞實驗裝置，其特征在于，所述加熱爐內徑為1.0m，爐體高度為1.5m，爐體壁厚度為0.01m。7.根據權利要求1所述的一種高溫熔融物擴展壅塞實驗裝置，其特征在于，爐體(1)頂部設置有弧形的爐蓋(5)...
【專利技術屬性】
技術研發人員：田文喜，馮唐濤，張亞培，陳榮華，蘇光輝，秋穗正，劉奇，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61
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