[发明专利]核反应堆燃料棒束事故失效行为研究的实验装置及方法

说明书

本申请涉及一种核反应堆燃料棒束事故失效行为研究的实验装置，包括高温加热炉、燃料棒束和附属设备，燃料棒束由多根燃料棒组成，燃料棒束沿通道轴心贯穿高温加热炉，多根燃料棒呈5×5的矩阵排布，包括20根加热棒、1根非加热棒和4根角棒，其中，1根非加热棒位于中心，4根角棒位于矩阵的4个角；燃料棒束两端分别设有电极，以对燃料棒束进行加热。附属设备对在高温加热炉中的燃料棒束进行环境模拟，从而得到燃料棒束在不同环境下产生的氧化、膨胀和失效的状态以及数据。通过对25根燃料棒的排布，本申请可以对燃料棒束之间的流道阻塞、棒间挤压、棒间热辐射、轴向温差等因素在氧化、膨胀和失效机理的影响下开展燃料棒束实验。

技术领域

本申请涉及核级燃料包壳元件性能测试实验技术领域，特别是涉及一种核反应堆燃料棒束事故失效行为研究的实验装置及方法。

背景技术

在核级燃料包壳性能测试及机理模型开发中，包壳在严重事故高温条件下的膨胀爆破、高温氧化、淬火失效模型一般通过单棒机理实验获得，为事故验收准则和严重事故失效准则制定提供有力的支撑。然而事故环境条件下反应堆内的真实情况更为复杂，多根燃料棒组成的燃料棒束在严重事故下的瞬态升温过程中迅速发生鼓胀、弯曲并相互挤压，造成棒束排布混乱、围板弯曲变形、流道堵塞等情况。棒间挤压和流道堵塞减少包壳表面与水蒸气的接触面积，降低氧化速率，造成各位置氧化不均匀。此外，燃料棒束在高温和内压的作用下发生不同程度的鼓胀，使包壳壁厚变薄最终发生破裂，而包壳的破裂引起内表面氧化，影响包壳的结构完整性。

因此，单棒实验获得的氧化、膨胀及失效经验关系式无法准确反映流道阻塞、棒间挤压、棒间热辐射、轴向温差等因素对氧化、膨胀和失效机理的影响。

发明内容

基于此，本申请提供一种核反应堆燃料棒束事故失效行为研究的实验装置及方法，用于开展燃料棒束在严重事故条件下的失效机理，对单棒实验获得的膨胀模型、氧化模型及失效模型进行棒束条件下的适应性修正。具体包括：

高温加热炉，包括上部腔室、中部筒体和下部腔室，三者依次连接；

燃料棒束，包括多根燃料棒，燃料棒束贯穿上部腔室、中部筒体和下部腔室，多根燃料棒呈5×5的矩阵均匀间隔排布，多根燃料棒包括20根加热棒、1根非加热棒和4根角棒，其中，1根非加热棒位于中心，4根角棒位于矩阵的4个角；25根燃料棒两端设有定位格架，以固定多根燃料棒的相对位置，加热棒两端分别设有加热电极；

附属设备，与高温加热炉连接，包括注水系统、气体系统和控制系统，注水系统用于冷却高温加热炉和/或淹没燃料棒束的包壳；气体系统用于向高温加热炉中输入或输出气体，以改变高温加热炉中的气体环境；控制测量系统与冷却水系统、气体系统通信连接，以控制二者的工作状态，并且用于监测高温加热炉中的数据。

在其中一个实施例中，中部筒体的外壁设有两个接口，两个接口用于与外部摇摆装置连接，以使高温加热炉左右摇摆。

在其中一个实施例中，加热棒包括加热部和包壳，包壳对加热部进行封装，加热部由上到下包括依次连接的第一铜电极、第一钼电极、加热丝、第二钼电极和第二铜电极；其中，加热丝周围堆叠陶瓷芯块，加热部和与包壳之间存在气隙。

在其中一个实施例中，加热部设有两根进气通道，两根进气通道均一端与气隙联通，另一端与气体系统联通；其中一根进气通道设于第一铜电极和第一钼电极内，另一根进气通道设于第二铜电极和第二钼电极内。

在其中一个实施例中，1根非加热棒为第一环，非加热棒外围的8根加热棒为第二环，8根加热棒外围的12根加热棒为第三环；

第二环的8根加热棒通过进气通道能够注入第一惰性气体，所第三环的12根加热棒通过进气通道能够注入第二惰性气体，第一惰性气体与第二惰性气体不同。

在其中一个实施例中，其中一根角棒与固定燃料棒束的定位格架可拆卸连接。