專利名稱：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際公認的新一代先進反應(yīng)堆。在國家863計劃的支持下，清華大學核研院建立了模塊式球床高溫氣冷堆HTR-10，標志著我國在該技術(shù)領(lǐng)域步入世界先進行列。如今，大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站項目被列入《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》16個重大專項之一，發(fā)展高溫氣冷堆技術(shù)成為了一項重大的國家戰(zhàn)略。高溫氣冷堆相關(guān)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要提供一個實際高溫氣冷堆堆內(nèi)的模擬環(huán)境，以實現(xiàn)在實驗室內(nèi)進行材料性能測試研究，進行高溫氣冷堆技術(shù)相關(guān)材料的篩選。高溫氣冷堆運行時，堆內(nèi)環(huán)境十分嚴苛。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行工況下高達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)過程中還會發(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)境需要同時具備高溫和碳還原兩種因素，而這兩種因素組合起來對裝置本身和內(nèi)部設(shè)備都有很強的腐蝕作用，技術(shù)實現(xiàn)非常困難。因此，針對高溫氣冷堆堆內(nèi)溫度及碳還原環(huán)境的模擬非常困難，對裝置的要求非常聞。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問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，使測試區(qū)內(nèi)能夠覆蓋高溫氣冷堆從正常運行到極限事故條件下的全部溫度范圍，且為強碳還原環(huán)境。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，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)碳氈，所述下保溫層和側(cè)保溫層為硬質(zhì)碳氈。優(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)置有測溫組件，所述測溫組件設(shè)置在所述密閉空腔內(nèi)，所述測溫組件采用鍛打鑰管作為保護套管的鎢錸熱電偶。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，使測試區(qū)內(nèi)能夠覆蓋高溫氣冷堆從正常運行到極限事故條件下的全部溫度范圍((Tieoor )，使測試區(qū)內(nèi)形成強的碳還原環(huán)境。


圖1是本發(fā)明實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)明實施例測試區(qū)內(nèi)的溫度測試結(jié)果。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(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)形測試區(qū)7、側(cè)保溫筒9、上保溫層8、下保溫層10、測溫組件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、實驗臺架18。本實施例中，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，在周圍環(huán)形區(qū)域形成溫度分布場。高純石墨的抗氧化性能遠優(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。電源通過銅電極和石墨加熱體連接。本實施例中，電源的功率調(diào)節(jié)采用可控硅移相觸發(fā)方式實現(xiàn)輸出電壓無級調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)功率控制的目的。輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為0 98%滿量程。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)，通過爐膛設(shè)計，形成材料測試所需溫度場。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稱設(shè)計帶來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熱輻射形式傳遞熱量。在本實施例中，石墨均溫套筒由若干個整體成型的外徑為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，組成一個相對獨立的空間，以減少析出物質(zhì)對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)碳氈圍筒。在本實施例中，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)碳氈圍筒構(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)碳氈，支撐均溫套筒和中心加熱體。上保溫層8為軟質(zhì)碳氈。本實施例中，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。測溫組件11穿過雙層爐身3和下保溫層10，底蓋4，伸入環(huán)形測試區(qū)7內(nèi)。本實施例中，測溫組件11是采用鍛打鑰管作為保護套管的鎢錸熱電偶。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及對發(fā)熱部件進行保護。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工況。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17與測溫組件11相連，用于溫度信號采集和控制。本實施例中，數(shù)據(jù)采集硬件選用了英國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，報表，顯示等功能。實驗臺架18用于底部支撐，整個模擬裝置座在實驗臺架上。圖2所示為本實施例中，環(huán)形測試區(qū)7內(nèi)和側(cè)保溫筒9內(nèi)的溫度測試結(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，提供了一個針對高溫氣冷堆的材料測試平臺；環(huán)形測試區(qū)內(nèi)能夠覆蓋高溫氣冷堆從正常運行到極限事故條件下的全部溫度范圍((Tl600°C );環(huán)形測試區(qū)內(nèi)形成強的碳還原環(huán)境；提供了真空和氦氣保護兩種高溫氣冷堆工況；解決了高溫160(TC碳還原環(huán)鏡下的溫度測量問題。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(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)明的專利保護范圍應(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)碳氈，所述下保溫層和側(cè)保溫層為硬質(zhì)碳氈。
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)置有測溫組件，所述測溫組件設(shè)置在所述密閉空腔內(nèi)，所述測溫組件采用鍛打鑰管作為保護套管的鎢錸熱電偶。
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，使測試區(qū)內(nèi)能夠覆蓋高溫氣冷堆從正常運行到極限事故條件下的全部溫度范圍。
文檔編號G09B23/00GK103065523SQ201210564158
公開日2013年4月24日 申請日期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, 李聰新, 劉志勇, 姜勝耀, 張作義, 吳宗鑫 申請人:清華大學