辐照考验件及辐照装置的制作方法

本发明涉及核电技术领域，更具体地说，涉及一种辐照考验件及辐照装置。

背景技术：

核燃料的研发需要经历漫长的筛选流程，在最初通过堆外性能筛选试验后，还需进行堆内性能筛选试验。堆内性能筛选试验一般又可分为5个阶段：(1)研究堆内的材料级中子辐照试验：此阶段不关注燃料棒级相关的性能(如芯块-包壳相互作用)，此阶段可针对众多经过堆外筛选试验的设计概念进行二次筛选；此阶段一般借助辐照罐等设备开展堆内试验，目标试验材料不与回路冷却剂接触，但需模拟反应堆正常运行工况；(2)研究堆内的回路试验：经过第一阶段的堆内筛选试验后，将经过筛选后的材料概念制备成辐照小棒结构形式并开展回路试验验证。此阶段的辐照小棒直接与接近反应堆运行工况的高温高压冷却剂接触，以验证燃料性能、pci性能以及包壳与冷却剂的相容性等；此阶段需模拟反应堆正常运行工况；(3)研究堆内的瞬态辐照试验：经过第二阶段筛选试验后，开展研究堆内的瞬态辐照试验，如模拟ria工况，从而确定在该类瞬态下辐照小棒能否保证完整性；此阶段一般需对未辐照的小棒以及经过达到不同燃耗台阶的燃料棒开展试验；(4)先导棒/先导组件在研究堆内的瞬态试验：针对未辐照的先导棒以及经过达到不同燃耗台阶的先导棒开展试验。

其中在第一阶段材料级中子辐照试验，因为是初期的研究堆内筛选，核材料性能存在较大不确定性，为防止辐照试验用的燃料小棒在第一阶段的辐照试验过程中发生破损，进而影响研究堆的安全运行，国际上通用的做法是采取辐照罐辐照，在保证安全的同时，也可以通过辐照罐控制辐照对象的辐照温度。

在现有技术中，辐照装置的轴向高度相对较大，辐照装置中各部件的径向尺寸在轴向的分布很难保证很高的均匀性，即辐照对象燃料小棒与内层辐照罐及外层辐照罐是间隙配合在轴向高度上会因各部件的加工精度不足而发生变化，这也导致燃料小棒的外表面的温度在轴向高度发生变化，从而会影响燃料小棒的辐照验证试验的精确性。此外，因辐照装置具有一定的轴向高度，当辐照装置置于反应堆内进行辐照考验时，因反应堆的在辐照装置轴向高度的中子注量率是不稳定的，因此也容易造成辐照对象燃料小棒在轴向高度的温度不稳定性；最后，在现有技术中，辐照罐的刚度相对较大，而辐照对象燃料小棒在辐照过程中会发生一定的肿胀变形，当两者接触时，辐照罐会对辐照对象燃料小棒施加较大的压应力作用力，进而影响辐照验证试验的准确性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的辐照装置，提供一种改进的用于验证核燃料元件辐照性能的辐照考验件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种辐照装置，包括用于包裹于辐照对象外周的内层辐照罐、套设于所述内层辐照罐外围的外层辐照罐、分别与所述外层辐照罐两相对端配合的第一端塞和第二端塞；

所述内层辐照罐包括在所述辐照对象轴向方向上并排设置以调控所述辐照对象与所述内层辐照罐的装配间隙和/或所述内层辐照罐与所述外层辐照罐的装配间隙的多个罐体单元。

优选地，多个所述罐体单元的中子吸收截面不同。

优选地，多个所述罐体单元的内侧壁和/或外侧壁为不同中子吸收截面的中子吸收材料。

优选地，所述中子吸收材料包括铝、铁、钛、钴、钼、锆、镉、铟、铝合金、铁合金、钛合金、钴合金、钼合金、锆合金、镉合金、或者铟合金。

优选地，多个所述罐体单元中的至少一个所述罐体单元和/或所述外层辐照罐的侧壁上设有中子吸收截面大的可燃烧型材料。

优选地，每个所述罐体单元包括在周向方向上相互配合的至少两个第一罐瓣结构。

优选地，所述内层辐照罐的长度大于或等于所述辐照对象的包壳长度。

优选地，所述外层辐照罐包括在在周向方向上相互配合的至少两个第二罐瓣结构。

优选地，还包括填充于所述内层辐照罐和所述辐照对象之间的间隙和/或所述外层辐照罐和所述内层辐照罐之间的间隙的填充物；

所述填充物为惰性气体或者导热材料。

优选地，所述第一端塞和/或所述第二端塞上设有与所述辐照对象配合以给所述辐照对象安装导向和定位并保持所述辐照对象在辐照过程中与所述内层辐照罐的间隙稳定的导向定位结构。

优选地，所述导向定位结构包括设置在所述第一端塞和/或所述第二端塞上以供所述辐照对象插入的导向定位孔。

优选地，多个所述罐体单元的径向尺寸不同。

本发明还构造一种辐照考验件，用于验证核燃料元件辐照性能，包括本发明所述的辐照装置、以及装配于所述辐照装置中的辐照对象。

实施本发明的辐照考验件及辐照装置，具有以下有益效果：该辐照装置通过将该内层辐照罐设置为多个罐体单元组成，可调控该辅助堆芯和内层辐照罐的装配间隙和/或内层辐照罐与外层辐照罐的装配间隙，使辐照对象与辐照罐的总配合间隙的波动值减小，进而可以精准控制辐照对象在轴向不同位置处于辐照罐的装配间隙，从而可消除外层辐照罐以及辐照对象因加工精度不足而造成的间隙波动，并可使得辐照对象的外表面温度保持均匀和稳定性，提升辐照试验工况的精确性。另一方面，在轴向方向上采用多个罐体单元相互拼接，可有效降低辐照罐的整体刚度，那么当辐照对象发生辐照肿胀与辐照罐接触时，可以有效降低辐照对象可能承受的外部压应力，从而降低外部装置影响，提升试验精确性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一些实施例中辐照考验件的结构示意图；

图2是图1所示用于验证核燃料元件辐照性能辐照考验件的结构示意图；

图3是图2所示辐照考验件中辐照装置的外层辐照罐的结构示意图；

图4是图2所示辐照考验件中辐照装置的内层辐照罐的结构示意图；

图5是图2所示辐照考验件中辐照装置的第一端塞的结构示意图；

图6是图2所示辐照考验件中辐照装置的第二端塞的结构示意图；

图7是图2所示辐照考验件中的辐照对象的结构示意图；

图8是图2所示辐照考验件中的辐照对象的剖视图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1及图2示出了本发明辐照考验件的一些优选实施例。该用于验证核燃料元件辐照性能的辐照考验件可用于核燃料元件的辐照试验。该辐照考验件可包括辐照装置10以及辐照对象20。该辐照装置10可包覆于该辐照对象20的外围，可避免辐照对象20在辐照试验过程中受损，其到保护辐照对象20的同时，也可控制该辐照对象的辐照温度。该辐照对象20可装配于该辐照装置10中。在一些实施例中，该辐照对象20可以为燃料小棒，当然，可以理解地，在其他一些实施例中，该辐照对象20可不限于燃料小棒。

如图2所示，进一步地，在一些实施例中，该辐照装置10可包括外层辐照罐11、内层辐照罐12、第一端塞13和第二端塞14。该内层辐照罐12可包裹于该辐照对象20的外周，并将辐照对象20的外表面包裹完整。该外层辐照罐11可套设于该内层辐照罐12的外围，该第一端塞13和该第二端塞14可分别与该外层辐照罐11的两相对端配合，可用于将该外层辐照罐11密封，并可与该内层辐照罐12形成整体的辐照罐，内侧可形成空腔，用于收容燃料小棒等辐照对象20。

如图3所示，进一步地，在一些实施例中，该外层辐照罐11可呈圆筒状，并且，该外层辐照罐11可以为两端贯通的中空结构。在一些实施例中，该外层辐照罐11的轴向长度可大于或等于该内层辐照罐12的长度，且与该辐照对象20的长度相适配，进而可将该内层辐照罐12和该辐照对象20收容于其中，在一些实施例中，该外层辐照罐11的长度可与该内层辐照罐12的长度相一致，且可略小于或者等于该辐照对象20的长度。在一些实施例中，该外层辐照罐11可采用强度较高的材料制成，可保证辐照罐在整个辐照试验过程中结构的完整性。

在一些实施例中，该外层辐照罐11可包括两个第二罐瓣结构111，该两个第二罐瓣结构111可以在周向方向向相互配合。每个第二罐瓣结构111的横截面可以为二分之一圆，当然，可以理解地，在其他一些实施例中，该第二罐瓣结构111可不限于两个，在其他一些实施例中，该第二罐瓣结构111可以大于两个，其横截面可以为三分之一圆、四分之一圆、五分之一圆等。通过将该外层辐照罐11分割为多个第二罐瓣结构111，可便于该内层辐照罐12的安装以及整个考验件的组装。当内层辐照罐12铺设于该辐照对象20外表面后，再将两瓣外层辐照罐装配上去，然后将两个第二罐瓣结构111进行焊接连接，形成一个完整的外层辐照罐11，这样可以便于装配制造，可以更加精确的控制辐照对象燃料小棒与辐照罐之间的间隙。进一步，通过这种装配制造方法，可以设计使该间隙值接近0，从而使整个辐照考验件的外表面到辐照对象20燃料小棒外表面之间的热阻全部由两层辐照罐提供，这样可以进一步避免由于辐照变形导致间隙大小发生变大而影响试验的准确性。

如图4所示，进一步地，在一些实施例中，该内层燃料罐12可以为圆筒状，且可以为中空且两端贯通结构。该内层燃料罐12的轴向长度可与该辐照对象20的长度相适配。在一些实施例中，该内层燃料罐12的轴向长度可略小于该辐照对象20的长度，具体地，其轴向长度可与该辐照对象20的包壳21的长度相一致，且与该外层燃料罐11的长度相一致，进而可大致将辐照对象20的表面包裹完整。相比于外层燃料罐11，该内层燃料罐12可采用硬度较低的固体材料，如铝、金、镉、铋等制成，在辐照对象20因辐照肿胀而与内层辐照罐11发生硬接触时，该内层燃料罐12可通过变形而避免较大的接触力对辐照对象产生影响，从而可提高辐照试验数据的可靠性。

进一步地，在一些实施例中，该内层辐照罐12可包括多个罐体单元121，该多个罐体单元121可在该辐照对象20的轴向方向上并排设置。该多个罐体单元121之间可以为可拆卸连接。每个罐体单元121均可以为圆筒状，该多个罐体单元121可通过相互拼接，形成内层辐照罐12的整体结构。该多个罐体单元121中的第一罐瓣结构1211的径向尺寸可不同设置。如此设置的原因如下，本发明所述的内层辐照罐12的整体尺寸较小，那么在采用相同加工工艺的情况下，就可以较为精确的加工并控制内层辐照罐12的尺寸值。外层辐照罐11及辐照对象20的轴向高度较大，那么加工尺寸在整个轴向高度的波动性就不容易控制，因此整个轴向高度上两者的配合间隙就会存在波动性，在外层辐照罐11及辐照对象20加工完毕且尺寸确定后，实测不同轴向高度的径向配合间隙后，根据间隙的波动值，适应性设计并加工成不同径向尺寸的多个罐体单元121，从而使辐照对象20与辐照罐的总配合间隙的波动值减小，进而可以精准控制辐照对象20在轴向不同位置处于辐照罐的总装配间隙，从而可消除外层辐照罐11以及辐照对象20因加工精度不足而造成的间隙波动，进而可使得辐照对象的外表面温度保持均匀，提升辐照试验工况的精确性。另一方面，在轴向方向上采用多个罐体单元121相互拼接，可有效降低辐照罐的整体刚度，那么当辐照对象20发生辐照肿胀与辐照罐接触时，可以有效降低辐照对象可能承受的外部压应力，从而降低外部装置影响，提升试验精确性。

进一步地，在一些实施例中，每个罐体单元121可包括两个第一罐瓣结构1211，该两个第一罐瓣结构1211可在周向方向上相互配合，每个第一罐瓣结构1211的横截面可以为二分之一圆，该两个第一罐瓣结构1211可通过拼接形成整圆。当然，可以理解地，在其他一些实施例中，每个罐体单元121可不限于包括两个第一罐瓣结构1211，可以包括多个第一罐瓣结构1211，该第一罐瓣结构1211可以为三分之一圆、四分之一圆、五分之一圆等。在一些实施例中，相邻设置的两个第一罐瓣结构1211之间可以不连接。在装配过程中，可将各个第一罐瓣结构1211可燃料小棒的外周贴合于该燃料小棒上，并可形成整体的内层辐照罐12。相邻设置的两个第一罐瓣结构1211之间可以留间隙或者零间隙设置。

进一步地，在一些实施例中，多个罐体单元121的中子吸收截面不同。具体地，在一些实施例中，多个罐体单元121的内侧壁以及外侧壁可以为不同中子吸收截面的中子吸收材料，即每个罐体单元121的材质可以不同，每个罐体单元121的中子吸收截面可不同。在一些实施例中，该中子吸收材料可以为铝、铁、钛、钴、钼、锆、镉、铟、铝合金、铁合金、钛合金、钴合金、钼合金、锆合金、镉合金、铟合金等金属或者金属合金中的一种。之所以将每个罐体单元121采用不同的中子吸收截面的中子吸收材料是因为辐照装置具有一定的轴向高度，当辐照装置置于反应堆内进行辐照考验时，因反应堆的在辐照装置轴向高度的中子注量率是不稳定的，因此也容易造成辐照对象燃料小棒在轴向高度的温度不稳定性，根据反应堆内的辐照对象20辐照位置的轴向中子注量率的波动性，各个罐体单元121分别采用不同中子吸收截面的中子吸收材料，可有效控制辐照对象在轴向不同高度所承受的中子注量率，从而进一步使辐照对象的外表面温度保持均匀和稳定。

进一步地，在一些实施例中，在多个罐体单元121中可将其中一层罐体单元121的内侧壁采用含中子吸收截面较大的可燃烧型材料，如gd、hf等；该可燃性型材料也可以设置在该罐体单元121的外侧壁，在一些实施例中，该可燃性型材料也可设置于多层罐体单元121上，在其他一些实施例中，该可燃性型材料也可设置在外层辐照罐11的侧壁上。具体地，可将该类材料涂覆于罐体单元121和外层辐照罐11等位置。因为辐照对象20随着试验的进行，其裂变材料装量会持续减小，因此其发热功率也会随着试验时间的进行而持续减小，因为辐照对象20外表面到整个辐照考验件外表面的热阻时一定的，那么当辐照对象20的发热功率发生变化后，也会导致辐照对象20外表面温度的变化，通过设置该可燃烧型材料可避免此类负面效应。

与现有技术一样，本发明同样沿袭了的“双层罐”式的结构设计，内层辐照罐12的第一罐瓣结构1211存在一定的径向厚度，此时，仅需要在热室内采用切割刀具将外层辐照罐11进行切割，而内层辐照罐12的第一罐瓣结构1211的径向厚度可为刀具切割预留切割误差，从而防止在切割外层辐照罐11时误伤到燃料小棒等辐照对象20。

进一步地，在一些实施例中，该内层辐照罐12与该辐照对象20之间和/或所述外层辐照罐11与内层辐照罐12之间留设有间隙。该辐照装置可包括填充物，该填充物可以用于填充内层辐照罐12和该辐照对象20之间的间隙，也可填充于外层辐照罐11与内层辐照罐12之间，该填充物可以为导热硅脂或者导热油等导热材料，通过采用具有高导热率的导热材料，从而可以设置相对较大的间隙值，从而减小在辐照实验过程中因间隙相对值大小的波动，从而减小辐照对象燃料小棒外表面温度的波动性，提升试验的准确性。可以理解地，在一些实施例中，该填充物也可以为氦气、氩气等惰性气体。

如图5所示，该第一端塞13可从该外层辐照罐11的一端(如上端)塞入外层辐照罐11设置。该第一端塞13可通过过盈配合与该外层辐照罐11连接固定。在一些实施例中，该第一端塞13可包括第一塞体131以及第一塞合部132。该第一塞体131可以为圆柱状，其径向尺寸可与该外层辐照罐11的外径相当。该第一塞合部132可设置于该第一塞体131的中部且凸出该第一塞体131的端面设置，该第一塞合部132可以为圆柱状，其径向尺寸可小于该第一塞体131的径向尺寸，且可与该内层辐照罐12的径向尺寸相当，该第一塞合部132可塞入该外层辐照罐11中设置，并塞入该内层辐照罐12中与该内层辐照罐12紧配合。

如图6所示，该第二端塞14可从该外层辐照罐11的另一端(如下端)塞入外层辐照罐11设置。该第二端塞14可通过过盈配合与该外层辐照罐11连接固定。在一些实施例中，该第二端塞14可包括第二塞体141以及第二塞合部142。该第二塞体141可以为圆柱状，其径向尺寸可与该外层辐照罐11的外径相当。该第二塞合部142可设置于该第二塞体141的中部且凸出该第二塞体141的端面设置，该第二塞合部142可以为圆柱状，其径向尺寸可小于该第二塞体141的径向尺寸，且可与该内层辐照罐12的径向尺寸相当，该第二塞合部142可塞入该外层辐照罐11中设置，并塞入该内层辐照罐12中与该内层辐照罐12紧配合。

进一步地，在一些实施例中，该第一端塞13和该第二端塞14可与该辐照对象20的上端塞23和下端塞24对应设置，且可采用相同的材料制成，进而可避免因材料不同导致热膨胀及辐照肿胀的差别而影响对中性能。

再如图2、图5及图6所示，进一步地，在一些实施例中，该第一端塞13和该第二端塞14上均可设置导向定位结构，具体地，可设置于该第一塞合部132和该第二塞合部142上。当然，可以理解地，在其他一些实施例中，该导向定位结构可仅仅设置在该第一端塞13或者该第二端塞14上。该导向定位结构可用于给该辐照对象20安装导向和定位，并可保持该辐照对象20在辐照过程中与该内层辐照罐12的间隙稳定，可使得辐照对象在辐照罐中居中设置，避免偏中导致辐照对象的周向间隙不均匀，进而提高辐照对象在辐照温度分布的均匀性以及稳定性。

进一步地，在一些实施例中，该导向定位结构可包括导向定位孔15，该导向定位孔15可用于供该辐照对象20插入导向。在一些实施例中，该导向定位孔15可沿轴向设置于该第一端塞13和第二端塞14上，具体地，该导向定位孔15可沿轴向设置于该第一塞合部132和该第二塞合部142上。该辐照对象20装配时，该辐照对象20的两端可分别插入该第一塞合部132和第二塞合部142的导向定位孔15中，并与该导向定位孔15通过过盈配合连接固定，且辐照装置的第一端塞13和第二端塞14与上端塞23和下端塞24的材质相同，使得该导向定位孔15在周向上与该辐照对象20的配合尽量接近零间隙配合，从而可提高辐照对象的对中性能，并保持辐照对象20与辐照罐之间的装配间隙大小在辐照过程中的相对稳定。因含导向定位孔15的辐照装置10的端塞和辐照对象20的端塞是两个部件，在辐照过程中或者温度变化过程中，因为有辐照肿胀和热膨胀的存在，如果两者的材料不一致，那么辐照肿胀和热膨胀的量就可能不一样，这样就会影响辐照装置10的端塞和辐照对象20的端塞之间的装配关系。

进一步地，在一些实施例中，该导向定位孔15与该辐照对象20之间在轴向方向上留设有设定导向距离，该辐照对象20的两端插入该导向定位孔15后，该导向定位孔15的端壁与该辐照对象20的端壁之间留设设定导向距离，通过该设定的导向距离，从而避免因燃料小棒等辐照对象20过大的轴向生长而导致发生干涉，进而影响辐照试验的准确性。

进一步地，在一些实施例中，该第一塞体131和该辐照对象20之间设有第一环腔16，该第二塞体141和该辐照对象20之间设有第二环腔17，即辐照考验件的上、下部分别留设有上部装配空隙和下部装配空隙，且以上两个装配在轴向高度方向上位于燃料小棒等辐照对象20的密封空间之外，从而防止切割时的误操作导致燃料小棒等辐照对象20的破损。燃料小棒等辐照对象20取出时，可将外层辐照罐11的第一端塞13和第二端塞14沿横向切割掉，然后沿该外层辐照罐11轴向将两个第二罐瓣结构111切割开，该内层辐照罐12的罐体单元121可从该燃料小棒等辐照对象20脱落，进而可取出结构完整的燃料小棒等辐照对象用于辐照后检查。

如图7及图8所示，进一步地，在一些实施例中，该辐照对象20可包括包壳21、核燃料芯块22、上端塞13和下端塞24以及气腔弹簧25。该包壳21可呈圆筒状，且为两端贯通的中空结构。该核燃料芯块12可以为多个，可沿该包壳21的轴向从下往上并排设置于该包壳21中。该上端塞23和该下端塞24可设置在该包壳21的两相对端，可用于密封该包壳21。

进一步地，在一些实施例中，该上端塞23可包括第一端塞本体231、凸出设置在该第一端塞本体231的一侧以塞入该包壳21中的第一密封部232。该第一端塞本体231可以为圆柱状，其径向尺寸可与该包壳21的外径相适配。该第一密封部232可以为圆柱状，该第一密封部232的径向尺寸可小于该第一端塞本体231的径向尺寸，其径向尺寸可与该包壳21的内径相适配。

进一步地，在一些实施例中，该下端塞24可包括第二端塞本体241、凸出设置在该第二端塞本体241的一侧以塞入该包壳21中的第二密封部242、以及设置在该第二端塞本体241的另一侧的台阶243。该第二端塞本体241可以为圆柱状，其径向尺寸可与该包壳21的外径相适配。该第二密封部242可以为圆柱状，该第二密封部242的径向尺寸可小于该第二端塞本体241的径向尺寸，其径向尺寸可与该包壳21的内径相适配。该台阶243可以呈圆柱状，其径向尺寸可小于该第二端塞本体242的径向尺寸。该台阶243可以抵靠于该第二塞合部142的端面上。

进一步地，在一些实施例中，该辐照对象20还可包括与辐照装置10的导向定位结构配合的配合结构，该配合结构可设置在该上端塞23和该下端塞24上。当然，可以理解地，在其他一些实施例中，该配合结构可仅仅设置于该上端塞23或者仅设置于该下端塞24上。在一些实施例中，该配合结构可包括导向定位凸台233,244；该导向定位凸台233，244可分别设置于该上端塞23和该下端塞24上。在一些实施例中，具体地，该导向定位凸台233,244可分别设置于该第一端塞本体231和台阶243上，并可与第一端塞13和第二端塞14的导向定位孔15一一对应设置，可插入该导向定位孔15中，并与该导向定位孔15过盈配合，其一端的端壁可与该导向定位孔15的端壁留设设定导向距离，从而可起到使燃料小棒等辐照对象20与辐照罐对中的作用，并保持燃料小棒与辐照罐之间的装配间隙大小在辐照过程中保持相对稳定，并且可避免因燃料小棒等辐照对象20过大的轴向生长而导致发生干涉，进而影响辐照试验的准确性。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。