LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統的制造方法與工藝

本發明涉及一種用于核電站用鋯合金燃料包殼在LOCA（反應堆失水事故）工況下完整性的性能評價系統。

背景技術：
金屬鋯與包殼在高溫下反應，包殼材料被氧化，形成黑色無塑性的氧化鋯，并放出一定量的氫氣，氫氣在安全殼內的大量聚集會對安全殼的安全構成重大威脅。在反應堆失水事故工況下，包殼材料表面溫度快速升高，甚至達到燃料芯塊的熔點，由于鋯合金的抗高溫氧化能力很弱，導致包殼快速腐蝕，導致塑性快速降低，嚴重威脅安全性。

技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統。為解決上述技術問題，本發明采取如下技術方案：LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統，其包括反應裝置、工作氣體分配系統、混合氣體供應裝置、汽氣分離器、氫氣分析儀、水淬系統、測壓裝置以及真空系統，其中，所述反應裝置用于評價包殼在高溫蒸汽中腐蝕性能，該反應裝置包括用于提供高溫水蒸汽與包殼反應的空間的樣品室、用于對包殼進行加熱的加熱電極、用于測量包殼內壁以及外壁溫度的測溫裝置，所述樣品室包括石英管、分別密封設置在所述石英管上端部和下端部的上端蓋和下端蓋、連接在所述下端蓋上且與所述石英管相連通的混合氣體進氣管、連接在所述上端蓋上且與所述石英管相連通的排氣管；所述的工作氣體分配系統包括內存儲有氦氣的第一氣體罐、內存儲有高純氬氣的第二氣體罐以及用于將所述第一氣體罐、第二氣體罐分別與所述的包殼的內部相連通的管道；所述混合氣體供應裝置用于向所述石英管內提供高溫水蒸汽，所述混合氣體包括在高溫下與包殼反應而釋放氫氣的水蒸汽和載氣氬氣；所述汽氣分離器與排氣管相連通，用于將從排氣管中排出的混合氣體中的水蒸氣與其它氣體相分離；所述氫氣分析儀與所述汽氣分離器相連通用于檢測氫氣含量；所述水淬系統用于對包殼進行淬火；所述測壓裝置用于實時測量包殼內壓力變化。進一步地，所述加熱電極包括分別密封固定在所述上端蓋和所述下端蓋上且加熱端部位于所述包殼內部的第一鎢電極和第二鎢電極，在所述第一鎢電極、所述第二鎢電極與所述包殼之間設有分別使第一鎢電極、第二鎢電極與包殼的內壁之間絕緣的上、下絕緣套。進一步地，所述測溫裝置包括用于測量所述包殼內壁溫度的第一熱電偶、用于測量所述包殼外壁及所述樣品室內蒸汽溫度的第二熱電偶以及接收并存儲所述第一熱電偶和第二熱電偶發送的測量結果的記錄儀器。優選地，所述的測溫裝置還包括用于測量所述樣品室內蒸汽溫度、包殼外壁溫度的紅外高溫計。如此，可將該紅外高溫計測得的包殼外壁溫度與第二熱電偶測得的溫度進行相互校驗。具體地，保溫層上開設有用于安裝紅外高溫計的安裝孔。紅外高溫計安裝在樣品室的側壁上。進一步地，所述樣品室還包括設置在所述石英管外周的保溫層、設置在所述石英管與保溫層之間的銅管。在石英管外周設的銅管可以模擬反應堆內周邊燃料元件對所研究包殼的加熱作用和對包殼腐蝕行為的影響。優選地，所述的保溫層的材料為石棉或氧化鋯。根據本發明的一個具體方面，所述的混合氣體供應裝置包括水箱、與所述水箱通過管道連通的蒸汽發生器、內存儲有氬氣的第三氣體罐、存儲有氬氣與氧氣的混合氣體的第四氣體罐、氣體過熱器，從蒸汽發生器產生的蒸汽與來自第三氣體罐或第四氣體罐的氣體混合后，經氣體過熱器加熱后，從所述混合氣體進氣管進入所述石英管內。根據一個具體方面，所述的水淬系統包括與所述水箱和所述石英管內部連通的淬火管道。進一步地，所述的樣品室還包括設置在所述保溫層外周的不銹鋼水冷套。優選地，所述的反應裝置還包括設置在所述樣品室外的負壓防護系統。優選地，所述的樣品室設有泄壓閥，當樣品室壓力超過安全值后、泄壓閥打開，防止樣品室發生爆炸。根據本發明，所述汽氣分離器是可以將氣體與水蒸汽分離的裝置。優選地，該汽氣分離器是可以將水蒸汽、氫氣和氬氣三者同時分離的裝置，即經該裝置后，將直接獲得不含水蒸氣和氬氣的氫氣，從而便于下一步直接對氫氣的含量進行檢測分析。在經過汽氣分離器分離后的氫氣，經過干燥劑的干燥，再進入氫氣分析儀是優選的。氫氣分析儀可以選用例如Caldos分析儀。進一步地，所述系統還配置有數據采集、記錄計算機等以自動記錄不同位置蒸汽溫度、壓力、時間等信息。由于以上技術方案的實施，本發明與現有技術相比具有如下優點：該系統既可評價反應堆失水，安注系統啟動后向反應堆內注水，對包殼進行淬火后包殼完整性，還可以測量鋯合金包殼與高溫蒸汽反應過程中釋放的氫氣量，為鋯合金研發過程中堆外性能評價中提供設備支持。附圖說明下面結合附圖和具體的實施例對本發明做進一步詳細的說明。圖1為根據本發明的性能評價系統的示意圖；圖2為圖1中反應裝置的剖視示意圖；其中：1、工作氣體分配系統；2、銅管；3、混合氣體預熱器；4,5,6、質量流量計；7、蒸汽發生器；9、氣體過熱器；11、氣體管道；12、水箱；13、加熱電極；15、上端蓋；16、下端蓋；17、絕緣套；18、不銹鋼水冷套；19、石英管；20、水淬系統；21、汽氣分離器；22、保溫層；23、包殼；26、第一熱電偶；27、負壓防護系統；28、真空系統；29、氣體成分及含量分析系統；32、混合氣體進氣管；33、排氣管；34、第一氣體罐；35、第二氣體罐；36、第三氣體罐；37、第四氣體罐。具體實施方式如圖1和2所示，本例提供LOCA工況下核電站用鋯合金燃料包殼完整性的性能評價系統，其主要包括反應裝置、工作氣體分配系統1、混合氣體供應裝置、汽氣分離器21、氣體成分及含量分析系統29（含氫氣分析儀）、水淬系統20、測壓裝置以及真空系統28。反應裝置用于評價包殼23在高溫蒸汽中腐蝕性能，該反應裝置包括用于提供高溫水蒸汽與包殼23反應的空間的樣品室、用于對包殼23進行加熱的加熱電極13、用于測量包殼23內壁以及外壁溫度的測溫裝置，所述樣品室包括石英管19、分別密封設置在所述石英管19上端部和下端部的上端蓋15和下端蓋16、連接在所述下端蓋16上且與所述石英管19相連通的混合氣體進氣管32、連接在所述上端蓋15上且與所述石英管19相連通的排氣管33。進一步地，所述加熱電極包括分別密封固定在所述上端蓋15和下端蓋16上且加熱端部位于包殼23內部的第一鎢電極和第二鎢電極，在所述第一鎢電極、所述第二鎢電極與所述包殼之間設有分別使第一鎢電極、第二鎢電極與包殼的內壁之間絕緣的上、下絕緣套17。進一步地，所述測溫裝置包括用于測量所述包殼23內壁溫度的第一熱電偶、用于測量所述包殼23外壁及所述樣品室內蒸汽溫度的第二熱電偶以及接收并存儲所述第一熱電偶和第二熱電偶發送的測量結果的記錄儀器（圖中未顯示）。優選地，所述的測溫裝置還包括用于測量所述樣品室內蒸汽溫度、包殼外壁溫度的紅外高溫計（圖中未顯示）。如此，可將該紅外高溫計測得的包殼外壁溫度與第二熱電偶測得的溫度進行相互校驗。具體地，保溫層上開設有用于安裝紅外高溫計的安裝孔。紅外高溫計安裝在樣品室的側壁上。進一步地，所述樣品室還包括設置在所述石英管19外周的保溫層22、設置在所述石英管19與保溫層22之間的銅管2。在石英管19外周設的銅管2可以模擬反應堆內周邊燃料元件對所研究包殼的加熱作用和對包殼腐蝕行為的影響。優選地，所述的保溫層22的材料為石棉或氧化鋯。進一步地，所述的樣品室還包括設置在所述保溫層22外周的不銹鋼水冷套18。此外，樣品室設有泄壓閥，當樣品室壓力超過安全值后、泄壓閥打開，防止樣品室發生爆炸。所述的反應裝置還包括設置在所述樣品室外的負壓防護系統27。所述的工作氣體分配系統1包括內存儲有氦氣的第一氣體罐34、內存儲有高純氬氣的第二氣體罐35以及用于將第一氣體罐34、第二氣體罐35分別與所述的包殼23的內部相連通的管道；所述混合氣體供應裝置用于向石英管19內提供高溫水蒸汽，所述混合氣體包括在高溫下與包殼反應而釋放氫氣的水蒸汽和載氣氬氣；所述的混合氣體供應裝置具體包括水箱12、與所述水箱12通過管道連通的蒸汽發生器7、內存儲有氬氣的第三氣體罐36、存儲有氬氣與氧氣的混合氣體的第四氣體罐37、氣體過熱器9，從蒸汽發生器7產生的蒸汽與來自第三氣體罐36或第四氣體罐37的氣體（氬氣）混合后，經氣體過熱器7加熱后，從所述混合氣體進氣管32進入石英管19內。所述汽氣分離器21與排氣管33相連通，用于將從排氣管33中排出的混合氣體中的水蒸氣與其它氣體相分離；該汽氣分離器是可以將水蒸汽、氫氣和氬氣三者同時分離的裝置，即經該裝置后，將直接獲得不含水蒸氣和氬氣的氫氣，從而便于下一步直接對氫氣的含量進行檢測分析。在經過汽氣分離器分離后的氫氣，經過干燥劑的干燥，再進入氫氣分析儀是優選的。氫氣分析儀可以選用例如Caldos分析儀。所述氣體成分及含量分析系統與所述汽氣分離器23相連通，其中氫氣分析儀用于檢測氫氣含量；所述水淬系統用于對包殼進行淬火，其包括與水箱和石英管內部連通的淬火管道；所述測壓裝置用于實時測量包殼內壓力變化，測壓裝置包括設置在包殼上用于檢測其內壓力的壓力表（圖中未顯示）。進一步地，所述系統還配置有數據采集、記錄計算機等以自動記錄不同位置蒸汽溫度、壓力、時間等信息。本發明使用如下：用蒸汽發生器7產生高溫（120℃）水蒸氣，經過保溫金屬管道與經質量流量計4、5、6的Ar按照一定比例混合，然后經過氣體過熱器9使混合氣體的溫度進一步升高（約300℃），最后通過樣品室下方的氣體管道11進入樣品室石英管19內，由加熱電極13對包殼23進行加熱，高溫水蒸汽與高溫燃料包殼23發生反應，在包殼材料外表面生成氧化鋯，并釋放氫氣。然后水蒸氣、氫氣和氬氣的混合氣體通過樣品室上方的氣體出口從排氣管33排出，經保溫管道傳輸，進入汽氣分離器21。在汽氣分離器21中，高溫水蒸氣經流動冷卻水冷卻凝結，而Ar和H2則通過汽氣分離器21上部排氣管導出，經干燥劑干燥后，進入Caldos分析儀測量鋯-水反應釋放的H2量。樣品室采用金屬鎢棒做熱源，設計的功率密度與核電站正常運行時燃料原件相當，約180W/cm。在包殼23內填充由工作氣體分配系統1分配的高壓氬氣，并由壓力表27實時測量包殼內壓力變化，如果壓力突然降低，說明包殼發生破損，腐蝕失效，測試系統將自動停止加熱。包殼材料內、外壁都布置的熱電偶，用于測量包殼內、外壁溫度。在樣品室保溫層22上，開有觀察孔，實驗過程中可觀察樣品室內腐蝕狀況，保溫層22內設的銅管2（銅反射層），用于發射包殼堆外輻射的熱量，模擬堆芯周邊包殼對所研究包殼的加熱作用，保溫層上還裝有紅外高溫計，用于測量樣品室氣體及包殼外壁溫度。該裝置配有真空系統28，在實驗開始前，可關閉蒸汽管道閥門、氣體過熱器9、樣品室、汽氣分離器21及包殼23內等管道與大氣聯通的閥門，抽出這些管道的空氣，最高真空度可達5Pa。然后關閉真空管道，向蒸汽管道、樣品室通入高溫蒸汽；向包殼23內填充1MPa的高純Ar。打開低壓加熱電源，開始對樣品進行加熱。當包殼23內溫度達到設定溫度時，開始計時，到達氧化時間后，關閉加熱電源。通過淬火管道向樣品室注入冷卻水，樣品室水位上升的速度在2~5mm/s。對包殼23進行淬火。樣品冷卻后，通過包殼23內部鏈接壓力計數值的變化，可判斷包殼23在淬火過程中是否發生失效。通過Caldos29測量結果分析，計算試驗過程中H2的釋放量。以上對本發明做了詳盡的描述，其目的在于讓熟悉此領域技術的人士能夠了解本發明的內容并加以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍，凡根據本發明的精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍內。