CN115223738B - 一种用于测量包壳温度和电位的实验段及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量包壳温度和电位的实验段及测量方法，该实验段包括中空压力容器、定位格架、流速计、冷却剂进出口、传热实验棒、直流电力配置和腐蚀实验棒。进行传热性能相关的温度测量时，由被测包壳内部放置在铜片上的热电偶进行温度测量，进一步由导热率推知被测包壳温度变化；腐蚀性能研究由三电极系统连接的电化学工作站进行被测包壳电位的监测，对被测包壳进行多种分析技术以对表面钝化膜微观形态进行分析。其中传热性能实验可对被测包壳进行通电加热，而腐蚀性能研究实验不支持。本发明实验段能够测量被测包壳多处的温度，并可对不通电被测包壳进行表面电位检测，识别被测包壳发生沸腾临界时温度变化和表面腐蚀行为的过程。
Description
技术领域
本发明属于燃料包壳性能研究领域，具体涉及一种用于测量包壳温度和电位的实验段及测量方法。
技术背景
反应堆在运行过程中，堆芯燃料棒所处环境极其恶劣，是反应堆事故发生的主要源头。运行的压水堆堆芯中，在含铬涂层的锆燃料包壳的腐蚀沉积处检测到放射性，推测包壳出现一定程度的损伤。然而实际运行的核电站堆芯内条件很难达到，特别是相应的热流密度无法靠常规的加热方式获得，且若达到实际一回路冷却剂的高温高压所需成本巨大。因此，为加强对燃料包壳安全性能的合理研究，需要建立一套可模拟反应堆运行过程中包壳行为的实验段，实现对堆芯运行的模化实验，获得相应的实验数据(重点是包壳温度变化及包壳电位值)。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于测量包壳温度和电位的实验段及测量方法，可用于考察包壳在相应工况下温度变化值及包壳表面钝化膜情况。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于测量包壳温度和电位的实验段，包括中空压力容器1、定位格架2、流速计3、冷却剂进口4、冷却剂出口5、传热实验棒6、直流电力配置7和腐蚀实验棒12；
其中，用于传热性能研究的传热实验棒6和用于腐蚀性能研究的腐蚀实验棒12组成实验棒，实验棒由定位格架2固定在中空压力容器1中，其中传热实验棒6包括被测包壳9，安置在被测包壳9内部的陶瓷绝缘层8，每个布置在陶瓷包壳8内的铜片11安置有多个热电偶10进行温度的测量，被测包壳9直接由直流电力配置7加入高电流低电压加热；腐蚀实验棒12包括被测包壳9，通过夹持结构15与被测包壳9连接的三电极工作体系13，与三电极工作体系13连接的电化学测量仪14，由三电极工作体系13测量被测包壳9的电位，由电化学测量仪14通过测量的电位进行被测包壳9表面钝化膜分析；所述中空压力容器1底部设有冷却剂进口4，顶部设有冷却剂出口5。
优选的，所述中空压力容器1内设有三个定位格架2。
优选的，所述腐蚀实验棒12电位测量处的夹持结构15的材料是聚酰亚胺。
优选的，所述传热实验棒6内部由陶瓷绝缘层8绝缘，能对被测包壳9进行直接通电加热，由陶瓷绝缘层8内部的铜片11上布置的热电偶10测量的温度以及铜片11热导率推导出陶瓷绝缘层8内层温度，再进一步由陶瓷绝缘层8内层温度及热导率推出被测包壳9温度。
优选的，调节直流电力配置7及冷却剂进口4的冷却剂温度及压力实现不同环境温度及包壳热流密度下被测包壳性能研究，整个过程模拟了反应堆内可能发生的不同功率密度及冷却剂温度压力情况。
所述的一种用于测量包壳温度和电位的实验段的测量方法，测量包壳温度及研究包壳传热性能时，将传热实验棒6由定位格架2固定在中空压力容器1中，控制冷却剂进口4的冷却剂温度和压力在所需范围，打开冷却剂出口5保证冷却剂流动，打开直流电力配置7对被测包壳进行通电加热，由陶瓷绝缘层8内部的铜片11上布置热电偶10的读数以及铜片11热导率推导出陶瓷8内层温度，再进一步由陶瓷8内层温度及热导率推出被测包壳9温度，判断此处是否达到临界热流密度，发生偏离核态沸腾等。测量包壳电位，研究包壳腐蚀性能时，将腐蚀实验棒12由定位格架2固定在中空压力容器1中，控制冷却剂进口4冷却剂温度和压力在所需范围，打开冷却剂出口5保证冷却剂流动，对腐蚀实验棒12采用电化学工作站14对夹持结构15夹持的被测包壳9进行电位检测，其中被测包壳9处使用采用三电极体系测量，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为对电极，可进行开路电位测试，动电位扫描，Mott-Schottky测试分析等，进一步由扫描图分析钝化膜状态。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明实验段和测量方法，为用于测量包壳温度和电位，可实现对包壳电位的直接测量并可进一步进行微观尺度钝化膜抗腐蚀的分析，识别被测包壳发生临界热流密度时温度变化及被测包壳表面腐蚀行为的过程。
2、本发明实验系统和实验方法，能够通过模化实验分析实验数据，判断燃料包壳性能，节约了实验成本，减少了实验用地。
3、本发明实验系统和实验方法，能够测量和采集关键包壳参数，特别对包壳表面电位的监测判断其钝化膜物性，可用于揭示各种包壳性能变化的机理。
附图说明
图1为本发明实验段整体示意图。
图2为用于研究传热性能的传热实验棒。
图3为用于研究腐蚀性能的腐蚀实验棒。
图4为腐蚀实验棒的三电极工作体系和电化学测量仪详细展示图。
具体实施方式
为使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图及具体实施方式进行详细说明：
如图1所示，一种用于测量包壳温度和电位的实验段，包括中空压力容器1、定位格架2、流速计3、冷却剂进口4、冷却剂出口5、传热实验棒6、直流电力配置7和腐蚀实验棒12；实验时，用于研究传热性能的传热实验棒6和用于研究腐蚀性能的腐蚀实验棒12由定位格架2固定在中空压力容器1中。中空压力容器1底部设有冷却剂进口4，顶部设有冷却剂出口5。
如图2所示，用于研究传热性能的传热实验棒6：包括被测包壳9，安置在被测包壳9内部的陶瓷绝缘层8，每个布置在陶瓷绝缘层8上的铜片11安置有四个热电偶10进行温度的测量，由于传热实验棒6内部由陶瓷绝缘层8绝缘，被测包壳9可直接由直流电力配置7加入高电流低电压加热。
如图3所示，用于研究腐蚀性能的腐蚀实验棒12：包括被测包壳9、三电极工作体系13、电化学测量仪14和夹持结构15，被测包壳9通过夹持结构15与三电极工作体系13连接，三电极工作体系13连接电化学测量仪14，由三电极工作体系13测量电位，由电化学测量仪14进行被测包壳9表面钝化膜分析。
实施例一
测量包壳温度，研究包壳传热性能时，参照图1及图2，将传热实验棒6由定位格架2固定在中空压力容器1中，控制冷却剂进口4的冷却剂温度和压力在所需范围，打开冷却剂出口5保证冷却剂流动，打开直流电力配置7对被测包壳进行通电加热，由陶瓷绝缘层8内部的铜片11上布置热电偶10的读数以及铜片11热导率推导出陶瓷8内层温度，再进一步由陶瓷8内层温度及热导率推出被测包壳9温度，判断此处是否达到临界热流密度，发生临界沸腾等。
实施例二
测量包壳电位，研究包壳腐蚀性能时，参照图1及图3，将腐蚀实验棒12由定位格架2固定在中空压力容器1中，控制冷却剂进口4冷却剂温度和压力在所需范围，打开冷却剂出口5保证冷却剂流动，对腐蚀实验棒12采用电化学工作站14对夹持结构15夹持的被测包壳9进行电位检测，其中被测包壳9处使用采用三电极工作体系13测量，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为对电极，可进行开路电位测试，动电位扫描，Mott-Schottky测试分析等，进一步由扫描图分析钝化膜状态。
本发明对用于传热性能研究的传热实验棒进行被测包壳温度测量时，由被测包壳内部放置在铜片上的热电偶进行铜片温度的测量，进一步由导热率推知被测包壳温度变化；腐蚀性能研究由三电极系统连接的电化学工作站进行被测包壳电位的监测，对被测包壳进行开路电位测试，动电位扫描，Mott-Schottky测试分析等对表面钝化膜微观形态进行分析。其中传热性能实验测量被测包壳可进行通电加热，腐蚀性能研究实验不支持直接对被测包壳的通电加热。本发明实验段能够测量被测包壳多处的温度，并可对不通电被测包壳进行表面电位检测，判断被测包壳抗腐蚀能力，识别被测包壳发生临界热流密度时温度变化及被测包壳表面腐蚀行为的过程。
以上内容仅用来说明本发明，让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施并不能认定本发明的具体实施方式仅限于此。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于测量包壳温度和电位的实验段，其特征在于：包括中空压力容器（1）、定位格架（2）、流速计（3）、冷却剂进口（4）、冷却剂出口（5）、传热实验棒（6）、直流电力配置（7）和腐蚀实验棒（12）；其中，用于传热性能研究的传热实验棒（6）和用于腐蚀性能研究的腐蚀实验棒（12）组成实验棒，实验棒由定位格架（2）固定在中空压力容器（1）中，其中传热实验棒（6）包括被测包壳（9），安置在被测包壳（9）内部的陶瓷绝缘层（8），每个布置在陶瓷绝缘层（8）内的铜片（11）安置有多个热电偶（10）进行温度的测量，采用在每层铜片同一周向布置四个热电偶的方式，被测包壳（9）直接由直流电力配置（7）加入高电流低电压加热；腐蚀实验棒（12）包括被测包壳（9），通过夹持结构（15）与被测包壳（9）连接的三电极工作体系（13），与三电极工作体系（13）连接的电化学测量仪（14），由三电极工作体系（13）测量被测包壳（9）的电位，由电化学测量仪（14）通过测量的电位进行被测包壳（9）表面钝化膜分析；所述中空压力容器（1）底部设有冷却剂进口（4），顶部设有冷却剂出口（5）；流速计（3）插入中空压力容器（1）内，测量流经实验棒工质流速；
测量包壳温度，研究包壳传热性能时，将传热实验棒（6）由定位格架（2）固定在中空压力容器（1）中，控制冷却剂进口（4）的冷却剂温度和压力在所需范围，打开冷却剂出口（5）保证冷却剂流动，打开直流电力配置（7）对被测包壳进行通电加热，由陶瓷绝缘层（8）内部的铜片（11）上布置热电偶（10）的读数以及铜片（11）热导率推导出陶瓷绝缘层（8）内层温度，再进一步由陶瓷绝缘层（8）内层温度及热导率推出被测包壳（9）温度，判断此处是否达到临界热流密度，发生临界沸腾；
测量包壳电位，研究包壳腐蚀性能时，将腐蚀实验棒（12）由定位格架（2）固定在中空压力容器（1）中，控制冷却剂进口（4）冷却剂温度和压力在所需范围，打开冷却剂出口（5）保证冷却剂流动，对腐蚀实验棒（12）采用电化学测量仪（14）对夹持结构（15）夹持的被测包壳（9）进行电位检测，其中被测包壳（9）处使用采用三电极工作体系（13）测量，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为对电极，可进行开路电位测试，动电位扫描，Mott-Schottky测试分析，进一步由扫描图分析钝化膜状态。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量包壳温度和电位的实验段，其特征在于：所述中空压力容器（1）内设有三个定位格架（2）。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量包壳温度和电位的实验段，其特征在于：所述腐蚀实验棒（12）电位测量处的夹持结构（15）的材料是聚酰亚胺。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量包壳温度和电位的实验段，其特征在于：所述传热实验棒（6）内部由陶瓷绝缘层（8）绝缘，能对被测包壳（9）进行直接通电加热，由陶瓷绝缘层（8）内部的铜片（11）上布置的热电偶（10）测量的温度以及铜片（11）热导率推导出陶瓷绝缘层（8）内层温度，再进一步由陶瓷绝缘层（8）内层温度及热导率推出被测包壳（9）温度。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量包壳温度和电位的实验段，其特征在于：调节直流电力配置（7）及冷却剂进口（4）的冷却剂温度及压力实现不同环境温度及包壳热流密度下被测包壳性能研究，整个过程模拟了反应堆内可能发生的不同功率密度及冷却剂温度压力情况。
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