專(zhuān)利名稱(chēng)：高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫氣冷堆模擬領(lǐng)域，特別涉及一種高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置。
背景技術(shù)：
模塊式高溫氣冷堆是國(guó)際公認(rèn)的新一代先進(jìn)反應(yīng)堆。在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，清華大學(xué)核研院建立了模塊式球床高溫氣冷堆HTR-10，標(biāo)志著我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域步入世界先進(jìn)行列。如今，大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站項(xiàng)目被列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》16個(gè)重大專(zhuān)項(xiàng)之一，發(fā)展高溫氣冷堆技術(shù)成為了一項(xiàng)重大的國(guó)家戰(zhàn)略。高溫氣冷堆相關(guān)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要提供一個(gè)實(shí)際高溫氣冷堆堆內(nèi)的模擬環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行材料性能測(cè)試研究，進(jìn)行高溫氣冷堆技術(shù)相關(guān)材料的篩選。高溫氣冷堆運(yùn)行時(shí)，堆內(nèi)環(huán)境十分嚴(yán)苛。內(nèi)部構(gòu)件將承受幾百度的高溫，堆芯出口溫度為75(Ti00(rc，甚至更高。采用氦氣作為冷卻劑，燃料元件溫度在正常運(yùn)行工況下高達(dá)1200°C左右，事故工況下限值溫度近1600°C。另外，堆芯內(nèi)燃料球在循環(huán)過(guò)程中還會(huì)發(fā)生摩擦磨損，產(chǎn)生大量石墨粉塵，使反應(yīng)堆內(nèi)處于強(qiáng)的碳還原氛圍。由此，模擬高溫氣冷堆堆內(nèi)環(huán)境需要同時(shí)具備高溫和碳還原兩種因素，而這兩種因素組合起來(lái)對(duì)裝置本身和內(nèi)部設(shè)備都有很強(qiáng)的腐蝕作用，技術(shù)實(shí)現(xiàn)非常困難。因此，針對(duì)高溫氣冷堆堆內(nèi)溫度及碳還原環(huán)境的模擬非常困難，對(duì)裝置的要求非常聞。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何提供一種高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，使其能夠模擬反應(yīng)堆內(nèi)部的高溫碳還原環(huán)境，使測(cè)試區(qū)內(nèi)能夠覆蓋高溫氣冷堆從正常運(yùn)行到極限事故條件下的全部溫度范圍，且為強(qiáng)碳還原環(huán)境。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，該裝置包括加熱體、均溫套筒、保溫層和爐體，所述加熱體套裝于所述均溫套筒內(nèi)，所述加熱體與所述均溫套筒間存在縫隙，所述保溫層包括上保溫層、下保溫層、側(cè)保溫層，所述均溫套筒的頂端和底端分別與上保溫層和下保溫層接觸，所述下保溫層和側(cè)保溫層沿爐體的內(nèi)壁設(shè)置，所述均溫套筒側(cè)壁與所述保溫層之間形成密閉空腔。優(yōu)選的，所述加熱體和均溫套筒為石墨材料。優(yōu)選的，所述爐體頂部設(shè)置有爐蓋，所述上保溫層與所述爐蓋之間存在空隙，所述爐蓋通過(guò)密封法蘭與所述爐體連接。優(yōu)選的，所述上保溫層為軟質(zhì)碳?xì)郑鱿卤貙雍蛡?cè)保溫層為硬質(zhì)碳?xì)?。?yōu)選的，所述爐體的爐壁為中空的雙層結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選的，該裝置設(shè)置有測(cè)溫組件，所述測(cè)溫組件設(shè)置在所述密閉空腔內(nèi)，所述測(cè)溫組件采用鍛打鑰管作為保護(hù)套管的鎢錸熱電偶。優(yōu)選的，該裝置還設(shè)置有冷卻水系統(tǒng)，所述冷卻水系統(tǒng)與所述爐體連接。優(yōu)選的，所述密閉空腔通過(guò)通孔或?qū)Ч芘c爐體外部的抽真空系統(tǒng)和氦氣罐連接。優(yōu)選的，該裝置還設(shè)置有液壓升降系統(tǒng)，用于加熱體、均溫套筒、保溫層的拆卸；該裝置還設(shè)置有電源，所述電源與加熱體連接，所述電源采用直流電源。優(yōu)選的，該裝置還設(shè)置有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與測(cè)溫組件連接，用于溫度的采集和控制。(三)有益效果本發(fā)明的高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，能夠模擬反應(yīng)堆內(nèi)部的高溫碳還原環(huán)境，使測(cè)試區(qū)內(nèi)能夠覆蓋高溫氣冷堆從正常運(yùn)行到極限事故條件下的全部溫度范圍((Tieoor )，使測(cè)試區(qū)內(nèi)形成強(qiáng)的碳還原環(huán)境。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例測(cè)試區(qū)內(nèi)的溫度測(cè)試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示，本發(fā)明高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置包括中心加熱體5、均溫套筒6、環(huán)形測(cè)試區(qū)7、側(cè)保溫筒9、上保溫層8、下保溫層10、測(cè)溫組件11、爐蓋1、密封法蘭2、雙層爐身3、底蓋4、直流電源12、冷卻水系統(tǒng)13、抽真空系統(tǒng)14、氦氣罐15、液壓升降系統(tǒng)16、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17、實(shí)驗(yàn)臺(tái)架18。本實(shí)施例中，中心加熱體5采用石墨作為電加熱器材料，優(yōu)選高純石墨，在周?chē)h(huán)形區(qū)域形成溫度分布場(chǎng)。高純石墨的抗氧化性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通石墨，但是隨著溫度升高氧化失重都大幅度增加。為使石墨電極穩(wěn)定工作在更高溫度，采用抽真空系統(tǒng)14或氦氣罐15使電極處于真空或惰性氣體的保護(hù)氛圍中。直流電源12在中心加熱體5兩端直接加低電壓大電流，提供熱源。電源通過(guò)銅電極和石墨加熱體連接。本實(shí)施例中，電源的功率調(diào)節(jié)采用可控硅移相觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)輸出電壓無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)功率控制的目的。輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為0 98%滿(mǎn)量程。直流電源12的額定電壓為40V，額定電流為1800A。爐蓋1，密封法蘭2，雙層爐身3，底蓋4構(gòu)成高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置的爐體外邊界。爐膛是包容高溫電熱體的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，通過(guò)爐膛設(shè)計(jì)，形成材料測(cè)試所需溫度場(chǎng)。內(nèi)部爐膛由均溫套筒6、側(cè)保溫筒9、上保溫層8、下保溫層10組成。均溫套筒6與側(cè)保溫筒9之間的環(huán)形空間形成環(huán)形測(cè)試區(qū)7。均溫套筒6為石墨材料，罩在中心加熱體外面，用以減少中心加熱體非對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)帶來(lái)的周向加熱不均勻效應(yīng)。石墨加熱體和石墨均溫套筒之間通過(guò)熱輻射形式傳遞熱量。在本實(shí)施例中，石墨均溫套筒由若干個(gè)整體成型的外徑為300mm,厚度為25mm帶止口的石墨環(huán)組成,下端設(shè)置在一定厚度的軟租上,上端有一塊圓形石墨蓋板，組成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間，以減少析出物質(zhì)對(duì)石墨加熱體和電極的粘染。側(cè)保溫筒9為整體成型的硬質(zhì)碳?xì)謬?。在本?shí)施例中，側(cè)保溫筒由外、中、內(nèi)三層組成，每一層均為整體成型的硬質(zhì)碳?xì)謬矘?gòu)成，厚度為100、50、50mm。外層靠壁固定安裝，中、內(nèi)層保溫層可以通過(guò)液壓升降系統(tǒng)16連同發(fā)熱體一起從爐膛抽出，從而使側(cè)保溫層厚度可調(diào)，達(dá)到不同的保溫效果，形成爐膛內(nèi)不同的溫度分布。下保溫層10為整體成型的硬質(zhì)碳?xì)?，支撐均溫套筒和中心加熱體。上保溫層8為軟質(zhì)碳?xì)?。本?shí)施例中，上下端保溫層厚度為500mm。側(cè)保溫層與上下保溫層之間的接縫采用迷宮形式，減小輻射熱損失。測(cè)溫組件11穿過(guò)雙層爐身3和下保溫層10，底蓋4，伸入環(huán)形測(cè)試區(qū)7內(nèi)。本實(shí)施例中，測(cè)溫組件11是采用鍛打鑰管作為保護(hù)套管的鎢錸熱電偶。液壓升降裝置16與底蓋4相連，允許中心加熱體、均溫套筒、下保溫層、底蓋從底部卸出。冷卻水系統(tǒng)13與雙層爐身3，爐蓋1，底蓋4，直流電源12上的水流道接頭相連，用于使模擬裝置形成合理的溫度場(chǎng)及對(duì)發(fā)熱部件進(jìn)行保護(hù)。抽真空系統(tǒng)14與雙層爐身3上的通孔連接，用于為模擬裝置提供真空工況。氦氣罐15同樣與雙層爐身3上通孔連接，用于為模擬裝置提供氦氣保護(hù)工況。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17與測(cè)溫組件11相連，用于溫度信號(hào)采集和控制。本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)采集硬件選用了英國(guó)施倫伯杰儀器公司的分布式數(shù)據(jù)采集器IMP模塊。軟件系統(tǒng)采用力控監(jiān)控組態(tài)軟件，完成溫度數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)，報(bào)表，顯示等功能。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架18用于底部支撐，整個(gè)模擬裝置座在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上。圖2所示為本實(shí)施例中，環(huán)形測(cè)試區(qū)7內(nèi)和側(cè)保溫筒9內(nèi)的溫度測(cè)試結(jié)果。本發(fā)明提供了 一種高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，可模擬反應(yīng)堆內(nèi)部的高溫碳還原環(huán)境，提供了一個(gè)針對(duì)高溫氣冷堆的材料測(cè)試平臺(tái)；環(huán)形測(cè)試區(qū)內(nèi)能夠覆蓋高溫氣冷堆從正常運(yùn)行到極限事故條件下的全部溫度范圍((Tl600°C );環(huán)形測(cè)試區(qū)內(nèi)形成強(qiáng)的碳還原環(huán)境；提供了真空和氦氣保護(hù)兩種高溫氣冷堆工況；解決了高溫160(TC碳還原環(huán)鏡下的溫度測(cè)量問(wèn)題。以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，其特征在于，該裝置包括加熱體、均溫套筒、保溫層和爐體，所述加熱體套裝于所述均溫套筒內(nèi)，所述加熱體與所述均溫套筒間存在縫隙，所述保溫層包括上保溫層、下保溫層、側(cè)保溫層，所述均溫套筒的頂端和底端分別與上保溫層和下保溫層接觸，所述下保溫層和側(cè)保溫層沿爐體的內(nèi)壁設(shè)置，所述均溫套筒側(cè)壁與所述保溫層之間形成密閉空腔。
2.權(quán)利要求1所述的高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，其特征在于，所述加熱體和均溫套筒為石墨材料。
3.權(quán)利要求1所述的高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，其特征在于，所述爐體頂部設(shè)置有爐蓋，所述上保溫層與所述爐蓋之間存在空隙，所述爐蓋通過(guò)密封法蘭與所述爐體連接。
4.權(quán)利要求1所述的高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，其特征在于，所述上保溫層為軟質(zhì)碳?xì)?，所述下保溫層和?cè)保溫層為硬質(zhì)碳?xì)帧?br> 5.權(quán)利要求1所述的高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，其特征在于，所述爐體的爐壁為中空的雙層結(jié)構(gòu)。
6.權(quán)利要求1所述的高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，其特征在于，該裝置設(shè)置有測(cè)溫組件，所述測(cè)溫組件設(shè)置在所述密閉空腔內(nèi)，所述測(cè)溫組件采用鍛打鑰管作為保護(hù)套管的鎢錸熱電偶。
7.權(quán)利要求1所述的高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，其特征在于，該裝置還設(shè)置有冷卻水系統(tǒng)，所述冷卻水系統(tǒng)與所述爐體連接。
8.權(quán)利要求1所述的高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，其特征在于，所述密閉空腔通過(guò)通孔或?qū)Ч芘c爐體外部的抽真空系統(tǒng)和氦氣罐連接。
9.權(quán)利要求1所述的高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，其特征在于，該裝置還設(shè)置有液壓升降系統(tǒng)，用于加熱體、均溫套筒、保溫層的拆卸； 該裝置還設(shè)置有電源，所述電源與加熱體連接，所述電源采用直流電源。
10.權(quán)利要求1所述的高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，其特征在于，該裝置還設(shè)置有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與測(cè)溫組件連接，用于溫度的采集和控制。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，其特征在于，該裝置包括加熱體、均溫套筒、保溫層和爐體，所述加熱體套裝于所述均溫套筒內(nèi)，所述加熱體與所述均溫套筒間存在縫隙，所述保溫層包括上保溫層、下保溫層、側(cè)保溫層，所述均溫套筒的頂端和底端分別與上保溫層和下保溫層接觸，所述下保溫層和側(cè)保溫層沿爐體的內(nèi)壁設(shè)置，所述均溫套筒側(cè)壁與所述保溫層之間形成密閉空腔。本發(fā)明的高溫氣冷堆溫度及碳還原環(huán)境模擬裝置，能夠模擬反應(yīng)堆內(nèi)部的高溫碳還原環(huán)境，使測(cè)試區(qū)內(nèi)能夠覆蓋高溫氣冷堆從正常運(yùn)行到極限事故條件下的全部溫度范圍。
文檔編號(hào)G09B23/00GK103065523SQ201210564158
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者任成 , 楊星團(tuán), 李聰新, 劉志勇, 姜?jiǎng)僖? 張作義, 吳宗鑫 申請(qǐng)人:清華大學(xué)