一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置及装配工艺的制作方法

本发明涉及一种电工工具，具体涉及一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置及装配工艺。

背景技术：

提高反应堆运行的安全性是核能应用发展过程中始终不变的任务。福岛事故后，国际上核技术发达国家诸如美国、法国等纷纷提出缓解与预防同等重要，尤其对于一些小概率大风险的严重事故现象必须要引起足够重视。严重事故管理中，注水淹没堆芯是很重要的应对策略，它对终止事故发展，缓解事故后果起到重要作用，这种策略的重要性在福岛核事故中得到了体现。但是，在成功冷却燃料组件之前，水的注入可能会导致锆合金与水发生放热的锆水反应，从而引起堆芯温度快速上升以及氢气的产生。这一现象在三里岛事故后分析以及随后开展的多项国际性合作实验中得到验证。

为了掌握注水时机、注水流量以及材料类型等的影响，为压水堆失水事故的正确干预提供参考，必须开展压水堆用燃料元件高温降质及再淹没行为实验。因此，需要一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置，以实现电加热功率精确可控，实现严重事故下核反应堆燃料棒发生的锆水反应、表层破裂等现象的模拟，在模拟燃料棒表层破损条件下，仍可继续发热用于模拟衰变热，可耐受2400℃以上高温同时实时测量壁温等。

以关键词高温(High temperature)、模拟装置(Simulator)、电加热(Electric Heating)、锆水反应(zirconium-steam/water reaction)、再淹没(Reflooding)、燃料棒(Fuel Rod)、骤冷(Quench)在专利网和中英文期刊网上进行了检索，没有检索到涉及该方面技术的记载。实现电加热功率精确可控，实现严重事故下核反应堆燃料棒发生的锆水反应、表层破裂等现象的模拟技术是本领域的技术瓶颈，亟待解决。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置及装配工艺，实现电加热功率精确可控，实现严重事故下核反应堆燃料棒发生的锆水反应、表层破裂等现象的模拟，达到在模拟燃料棒表层破损条件下，仍可继续发热用于模拟衰变热，可耐受2400℃以上高温同时实时测量壁温的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置，包括模拟包壳，在模拟包壳内设置有在模拟包壳的轴向上叠放的多个模拟燃料元件芯块，模拟燃料元件芯块的横截面为环状结构，在模拟燃料元件芯块上设置有沿其轴向延伸的16个通孔，在部份所述的通孔内安装有热电偶丝正极、在部份所述的通孔内安装有热电偶丝负极，在其余的所述通孔内存储惰性气体；在模拟燃料元件芯块的内部空腔中安装有电加热棒；在模拟包壳外侧安装有多个外置式壁温热电偶。本发明的电加热装置电加热功率精确可控，加热器可耐受3000℃高温，在模拟燃料棒表层包壳破损条件下，仍可继续发热用于模拟衰变热，模拟燃料芯块无放射性且与二氧化铀物理性质相似，可以较好的模拟燃料芯块的热特性，可以模拟严重事故下核反应堆燃料棒发生的锆水反应、表层破裂等现象；在包壳发生破损时会发生特殊惰性气体泄漏，泄漏出的特殊惰性气体可用于表层破损的实时监测。在模拟燃料棒包壳外焊接设置壁温热电偶，同时采用嵌入式热电偶，可设置的测点更多，耐温更高，实时测量0℃～2400℃壁面温度。本发明主要用于实验室模拟核反应燃料棒，开展严重事故条件下压水堆用燃料棒高温降质及再淹没行为实验。工作介质为水介质、蒸汽介质或惰性气体介质，工作压力常压～5MPa，长期工作温度为常温～1800℃，短期工作温度为常温～2400℃。

所述的电加热棒采用钨、钼、钨钼合金或钼铜合金制成棒状结构，其一端为平面，另一端为球形端面，从棒状结构的平面端进行切割加工形成间隙，在该间隙内安装绝缘层。进一步讲，本发明金属棒采用分瓣式结构，受热条件下会增大膨胀量，使得金属棒和模拟燃料芯块接触更为紧密，减小传热热阻，在相同模拟包壳温度条件下降低金属棒温度，延长电加热棒寿命，扩大工作温度范围；本发明的金属棒作为电加热器，采用分瓣式中间设置绝缘层的结构，可实现电缆单端进出，降低模拟燃料棒的密封难度。

采用ZrO₂材料模拟燃料芯块，无放射性且物理性质相似，可以较好的模拟燃料芯块的热特性。表层包壳采用模拟燃料棒包壳同种材料，可以模拟严重事故下核反应堆燃料棒发生的锆水反应、表层破裂等现象；模拟包壳内设置有特殊惰性气体储存空间，在包壳发生破损时会发生特殊惰性气体泄漏，泄漏出的特殊惰性气体可用于表层破损的实时监测；在模拟燃料棒包壳外焊接设置壁温热电偶，同时采用嵌入式热电偶，可设置的测点更多，耐温更高，实时测量0℃～2400℃壁面温度。

一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置的装配工艺，包括以下步骤：

(a)模拟包壳的加工；

(b)模拟燃料元件芯块的加工；

(c)电加热棒及绝缘层的加工；

(d)模拟燃料元件芯块与高温热电偶丝的装配；

(e)电加热棒的装配；

(f)惰性气体的填充；

(g)外置式壁温热电偶的装配。

本发明的另一个目的是提供一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置的装配工艺，基于上述的新装置，以及其特定的使用环境和要求，故创造性的提出和优化了该装置的生产工艺，按照上述工艺可以高重复率地再现本发明的目的，通过该方法，生产出来的加热装置可重复性高，具有很高的实用价值。

所述步骤(a)模拟包壳的加工包括以下步骤：

(a1)确定要进行模拟的核反应堆燃料棒，设其包壳外径为D，长度为L，外径公差为T_D，外表面粗糙度为Ra；

(a2)选取与其包壳相同材质的材料加工制成薄壁管，长度为L，薄壁管外径为Do1，内径为Di1；薄壁管外径Do1与D相等，内径Di1＝Do1-d1，d1为两倍的薄壁管壁厚，取值范围为1.0～1.8mm；

(a3)薄壁管外表面采用抛光工艺处理，粗糙度与Ra相同，内表面采用抛光工艺处理，粗糙度不大于1.6μm；薄壁管外径公差与T_D相同，内径公差不大于0.04mm，椭圆度不大于0.01mm。

所述步骤(b)模拟燃料元件芯块的加工包括以下步骤：

(b1)模拟燃料元件芯块的材料选取ZrO₂、HfO₂或Al₂O₃或三者混合物，将其加工制成环形芯块，环形芯块的外径为Do2，内径为Di2；环形芯块外径Do2＝Di1-d12，内径Di2＝Do2-d2；d12为安装间隙及热膨胀预留间隙，取值范围为0.1～0.2mm；d2为两倍的环形芯块壁厚，取值范围为2.5～4.5mm；单节环形芯块长度为Lxin，根据模拟燃料棒总长度及所需安装温度测点位置确定Lxin的取值，确保温度测点位置处于两节环形芯块的交界面，Lxin取值范围为50～200mm；环形芯块端部表面采用喷砂处理，粗糙度不大于0.8μm；

(b2)每节环形芯块在直径D_存储的圆上均匀加工出16个直径D_孔的通孔；D_存储＝Do2-D_孔，D_孔为通孔的直径，D_孔＝d_热偶丝+d_间隙，d_热偶丝为高温热电偶丝的直径，取值范围为0.1～0.5mm；d_间隙为安装间隙，取值范围为0.15～0.3mm；

(b3)环形芯块外表面采用喷砂处理，粗糙度不大于3.2μm，内表面也采用喷砂处理，粗糙度不大于3.2μm；环形芯块外径公差不大于0.04mm，内径公差不大于0.04mm，椭圆度不大于0.01mm。

所述步骤(c)电加热棒及绝缘层的加工包括以下步骤：

(c1)选取钨、钼、钨钼合金或钼铜合金作为电加热棒材料，并加工制成棒状，其一端为平面，另一端为球形端面，金属棒外直径为D3，长度为L+D3/2，金属棒球形端面的直径为D3；D3＝Di2-d23，d23为安装间隙及热膨胀预留间隙，取值范围为0.1～0.2mm，金属棒外表面采用抛光工艺处理，粗糙度不大于3.2μm；

(c2)从金属棒平面的一端进行切割加工，加工出一条间隙宽度为D_钨间隙的间隙，间隙深度为L，间隙底部端头加工成直径为(0.5×D_钨间隙+0.2mm)的半圆形，D_钨间隙＝0.2～0.5mm；

(c3)选取ZrO₂、HfO₂或Al₂O₃或三者混合物作为绝缘层材料，将绝缘层加工成宽度为(D3-0.05mm)，厚度为(D_钨间隙-0.05mm)，长度为(L-0.1mm)的平板，将加工好的绝缘层嵌装入电加热棒的间隙，使得绝缘层和电加热棒两者上端部保持平齐。

所述步骤(d)模拟燃料元件芯块与高温热电偶丝的装配包括以下步骤：

(d1)将模拟燃料元件芯块嵌装入模拟包壳，每次安装一节模拟燃料元件芯块，使用直径D_定位的金属棒作为定位销，确保各节模拟燃料芯块16个直径D_孔通孔的位置一一对应，D_定位＝D_孔-0.15mm；

(d2)将高温热电偶丝测温端部弯成直角弯，直角弯段的中心线长度为L_测，L_测＝D_孔-0.5×d_热偶丝+0.5×d12；先将模拟燃料芯块安装至需要设置温度测点的高度，在需要设置温度测点处附近的两个热电偶丝嵌装孔位置，抽出定位销并设置一对高温热电偶丝；在后续一节模拟燃料芯块上对应温度测点处的两个热电偶丝的嵌装孔位置，分别加工一个直径D_孔、深0.5×D_孔的半圆孔，将该节模拟燃料芯块嵌装入模拟包壳，使得一对直径D_孔、深0.5×D_孔的半圆孔对应高温热电偶丝测温端部直角弯的位置，一对高温热电偶丝分别通过对应的两个热电偶丝嵌装孔引出；然后再安装后续的模拟燃料芯块，一对高温热电偶丝分别通过对应的两个热电偶丝嵌装孔引出；

(d3)从低到高，依次安装高温热电偶丝，直至所有温度测量热电偶丝安装完成，然后安装后续剩余模拟燃料元件芯块，在所有模拟燃料元件芯块安装完成后，将剩余定位销抽出，完成模拟燃料元件芯块及高温热电偶丝的嵌装。

所述步骤(e)电加热棒的装配包括以下步骤：在模拟燃料元件芯块及高温热电偶丝的嵌装完成后，将电加热棒嵌装入模拟燃料元件芯块内部的空腔，使得电加热棒与模拟燃料元件芯块、模拟包壳三者的上端部平齐。

所述步骤(f)惰性气体的填充包括以下步骤：

(f1)使用焊接方式将电加热棒模拟燃料元件芯块、模拟包壳三者共同端部的两端封住，仅在另一端留出注气孔；

(f2)从注气孔注入特殊惰性气体，注入惰性气体的纯度不低于95％；

(f3)在特殊惰性气体注入完成后，通过焊接方式，将注气孔密封，完成惰性气体填充。

所述步骤(g)外置式壁温热电偶的装配包括以下步骤：

(g1)在满足测量精度需求和抗干扰能力的前提下，根据热电偶耐温性能和测温需求取值，选择直径最小的铠装热电偶，铠装热电偶直径为d_热偶，d_热偶的取值范围为0.5～3mm；

(g2)在需要设置温度测点的位置，将铠装热电偶测温端部与被测点触碰，保持铠装热电偶其余部分远离被测物体，通过电脉冲焊接方式，将铠装热电偶测温端部与被测点焊接起来。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置及装配工艺，电加热装置电加热功率精确可控，加热器可耐受3000℃高温，在模拟燃料棒表层包壳破损条件下，仍可继续发热用于模拟衰变热，模拟燃料芯块无放射性且与二氧化铀物理性质相似，可以较好的模拟燃料芯块的热特性，可以模拟严重事故下核反应堆燃料棒发生的锆水反应、表层破裂等现象；在包壳发生破损时会发生特殊惰性气体泄漏，泄漏出的特殊惰性气体可用于表层破损的实时监测。在模拟燃料棒包壳外焊接设置壁温热电偶，同时采用嵌入式热电偶，可设置的测点更多，耐温更高，实时测量0℃～2400℃壁面温度。本发明主要用于实验室模拟核反应燃料棒，开展严重事故条件下压水堆用燃料棒高温降质及再淹没行为实验。工作介质为水介质、蒸汽介质或惰性气体介质，工作压力常压～5MPa，长期工作温度为常温～1800℃，短期工作温度为常温～2400℃；

2、本发明一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置及装配工艺，金属棒采用分瓣式结构，受热条件下会增大膨胀量，使得金属棒和模拟燃料芯块接触更为紧密，减小传热热阻，在相同模拟包壳温度条件下降低金属棒温度，延长电加热棒寿命，扩大工作温度范围；本发明的金属棒作为电加热器，采用分瓣式中间设置绝缘层的结构，可实现电缆单端进出，降低模拟燃料棒的密封难度；

3、本发明一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置及装配工艺，采用ZrO₂材料模拟燃料芯块，无放射性且物理性质相似，可以较好的模拟燃料芯块的热特性。表层包壳采用模拟燃料棒包壳同种材料，可以模拟严重事故下核反应堆燃料棒发生的锆水反应、表层破裂等现象；模拟包壳内设置有特殊惰性气体储存空间，在包壳发生破损时会发生特殊惰性气体泄漏，泄漏出的特殊惰性气体可用于表层破损的实时监测；在模拟燃料棒包壳外焊接设置壁温热电偶，同时采用嵌入式热电偶，可设置的测点更多，耐温更高，实时测量0℃～2400℃壁面温度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明电加热装置横截面结构示意图；

图2为本发明图1中的A-A剖面结构示意图

图3为本发明图1中的B-B剖面结构示意图；

图4为本发明图1中的C-C剖面结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-模拟包壳；2-模拟燃料元件芯块；3-电加热棒；4-高温热电偶丝正极；5-绝缘层；6-高温热电偶丝负极；7-外置式壁温热电偶；8-通孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1至4所示，本发明一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置，包括模拟包壳1，在模拟包壳1内设置有在模拟包壳1的轴向上叠放的多个模拟燃料元件芯块2，模拟燃料元件芯块2的横截面为环状结构，在模拟燃料元件芯块2上设置有沿其轴向延伸的16个通孔8，在部份所述的通孔8内安装有热电偶丝正极4、在部份所述的通孔8内安装有热电偶丝负极6，在其余的所述通孔8内存储惰性气体；在模拟燃料元件芯块2的内部空腔中安装有电加热棒3；电加热棒3采用钨、钼、钨钼合金或钼铜合金制成棒状结构，其一端为平面，另一端为球形端面，从金属棒平面的一端进行切割加工形成间隙，在该间隙内安装绝缘层5，在模拟包壳1外侧安装有多个外置式壁温热电偶7。

本发明的一种模拟核反应堆燃料棒的电加热装置是按照如下工艺装配的：

(a1)确定要进行模拟的核反应堆燃料棒，设其包壳外径为D，长度为L，外径公差为T_D，外表面粗糙度为Ra；

(a2)选取与其包壳相同材质的材料加工制成薄壁管，长度为L，薄壁管外径为Do1，内径为Di1；薄壁管外径Do1与D相等，内径Di1＝Do1-d1，d1为两倍的薄壁管壁厚，取值范围为1.0～1.8mm；

(a3)薄壁管外表面采用抛光工艺处理，粗糙度与Ra相同，内表面采用抛光工艺处理，粗糙度不大于1.6μm；薄壁管外径公差与T_D相同，内径公差不大于0.04mm，椭圆度不大于0.01mm；

(b1)模拟燃料元件芯块的材料选取ZrO₂、HfO₂或Al₂O₃或三者混合物，将其加工制成环形芯块，环形芯块的外径为Do2，内径为Di2；环形芯块外径Do2＝Di1-d12，内径Di2＝Do2-d2；d12为安装间隙及热膨胀预留间隙，取值范围为0.1～0.2mm；d2为两倍的环形芯块壁厚，取值范围为2.5～4.5mm；单节环形芯块长度为Lxin，根据模拟燃料棒总长度及所需安装温度测点位置确定Lxin的取值，Lxin取值可变，确保温度测点位置处于两节环形芯块的交界面，Lxin取值范围为50～200mm；环形芯块端部表面采用喷砂处理，粗糙度不大于0.8μm；

(b2)每节环形芯块在直径D_存储的圆上均匀加工出16个直径D_孔的通孔；D_存储＝Do2-D_孔，D_孔为通孔的直径，D_孔＝d_热偶丝+d_间隙，d_热偶丝为高温热电偶丝的直径，取值范围为0.1～0.5mm；d_间隙为安装间隙，取值范围为0.15～0.3mm；

(b3)环形芯块外表面采用喷砂处理，粗糙度不大于3.2μm，内表面也采用喷砂处理，粗糙度不大于3.2μm；环形芯块外径公差不大于0.04mm，内径公差不大于0.04mm，椭圆度不大于0.01mm；

(c1)选取钨、钼、钨钼合金或钼铜合金作为电加热棒材料，并加工制成棒状，其一端为平面，另一端为球形端面，采用分度号为WRe3-WRe25的钨铼高温热电偶，高温热电偶丝正极材质名义成分为含钨97％、铼3％，高温热电偶丝负极材质名义成分为含钨75％、铼25％，一支高温热电偶丝正极和一支高温热电偶丝负极为一对高温热电偶丝；金属棒外直径为D3，长度为L+D3/2，金属棒球形端面的直径为D3；D3＝Di2-d23，d23为安装间隙及热膨胀预留间隙，取值范围为0.1～0.2mm，金属棒外表面采用抛光工艺处理，粗糙度不大于3.2μm；

(c2)从金属棒平面的一端进行切割加工，加工出一条间隙宽度为D_钨间隙的间隙，间隙深度为L，间隙底部端头加工成直径为(0.5×D_钨间隙+0.2mm)的半圆形，D_钨间隙＝0.2～0.5mm；

(c3)选取ZrO₂、HfO₂或Al₂O₃或三者混合物作为绝缘层材料，将绝缘层加工成宽度为(D3-0.05mm)，厚度为(D_钨间隙-0.05mm)，长度为(L-0.1mm)的平板，将加工好的绝缘层5嵌装入电加热棒3的间隙，使得绝缘层5和电加热棒3两者上端部保持平齐；

(d1)将模拟燃料元件芯块2嵌装入模拟包壳1，每次安装一节模拟燃料元件芯块2，使用直径D_定位的金属棒作为定位销，确保各节模拟燃料芯块16个直径D_孔通孔的位置一一对应，D_定位＝D_孔-0.15mm；

(d2)将高温热电偶丝测温端部弯成直角弯，直角弯段的中心线长度为L_测，L_测＝D_孔-0.5×d_热偶丝+0.5×d12；先将模拟燃料芯块安装至需要设置温度测点的高度，在需要设置温度测点处附近的两个热电偶丝嵌装孔位置，抽出定位销并设置一对高温热电偶丝；在后续一节模拟燃料芯块上对应温度测点处的两个热电偶丝的嵌装孔位置，分别加工一个直径D_孔、深0.5×D_孔的半圆孔，将该节模拟燃料芯块嵌装入模拟包壳，使得一对直径D_孔、深0.5×D_孔的半圆孔对应高温热电偶丝测温端部直角弯的位置，一对高温热电偶丝分别通过对应的两个热电偶丝嵌装孔引出；然后再安装后续的模拟燃料芯块，一对高温热电偶丝分别通过对应的两个热电偶丝嵌装孔引出；

(d3)从低到高，依次安装高温热电偶丝，直至所有温度测量热电偶丝安装完成，然后安装后续剩余模拟燃料元件芯块2，在所有模拟燃料元件芯块2安装完成后，将剩余定位销抽出，完成模拟燃料元件芯块2及高温热电偶丝的嵌装；

在模拟燃料元件芯块2及高温热电偶丝的嵌装完成后，将电加热棒3嵌装入模拟燃料元件芯块2内部的空腔，使得电加热棒3与模拟燃料元件芯块2、模拟包壳1三者的上端部平齐；

(f1)使用焊接方式将电加热棒3模拟燃料元件芯块2、模拟包壳1三者共同端部的两端封住，仅在另一端留出注气孔；

(f2)从注气孔注入特殊惰性气体，注入惰性气体的纯度不低于95％；

(f3)在特殊惰性气体注入完成后，通过焊接方式，将注气孔密封，完成惰性气体填充，特殊惰性气体需要不同于模拟核反应堆燃料棒外部流动的惰性气体，可选择氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气等中的一种；

(g1)在满足测量精度需求和抗干扰能力的前提下，根据热电偶耐温性能和测温需求取值，选择直径最小的铠装热电偶，铠装热电偶直径为d_热偶，d_热偶的取值范围为0.5～3mm；

(g2)在需要设置温度测点的位置，将铠装热电偶测温端部与被测点触碰，保持铠装热电偶其余部分远离被测物体，通过电脉冲焊接方式，将铠装热电偶测温端部与被测点焊接起来。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。