一种感应加热高温起泡实验中固定燃料试样的夹持装置

技术领域

本发明涉及核燃料循环及辐照效应技术领域，具体涉及一种感应加热高温起泡实验中固定燃料试样的夹持装置。

背景技术

辐照后的弥散燃料元件试样在高温加热过程中，受裂变气体内压增大的影响，可能会发生起泡现象，对应的起泡温度被称为燃料元件的起泡阈值温度。准确测量燃料元件的起泡阈值温度，对于反应堆的安全运行，提高燃料利用率、经济合理地利用燃料元件具有重要意义。通过对辐照后燃料元件试样开展高温起泡实验，模拟燃料元件在堆内的起泡行为，能够获得燃料元件的起泡阈值温度及气泡分布规律，结合燃料元件的燃耗分布情况，可为新型燃料元件的研发和改进提供重要依据，是燃料元件辐照后性能检验中的重要环节。

为了准确获得燃料元件的起泡阈值温度，要求能及时观察到燃料元件试样在起泡实验中的起泡现象。感应加热，是一种利用电磁感应使导体材料的表面产生电流并实现加热的方法。该方法不要求被加热试样与感应线圈接触，因此，可选用透明玻璃管作为加热容器，满足辐照后燃料试样高温起泡实验中实时观察的基本要求。

但是，在传统的感应加热过程中，被加热试样大多被放置在陶瓷坩埚内或直接放置样品台上，不利于观察试样下表面的起泡现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在传统的感应加热过程中，不满足在线观察燃料试样起泡现象的使用要求，本发明提供了解决上述问题的一种感应加热高温起泡实验中固定燃料试样的夹持装置，建立燃料试样高温起泡现象在线观察技术，为准确获得燃料元件试样起泡阈值温度，提升燃料元件利用效率，乃至新型燃料元件的研发和改进提供坚实的保障。

本发明通过下述技术方案实现：

一种感应加热高温起泡实验中固定燃料试样的夹持装置，包括基座，还包括夹持螺钉、支架和两组立柱；所述两组立柱中的第一组立柱的底端固定在基座上，第二组立柱的底端相对于基座活动安装，且第二组立柱由驱动件或传动件带动向靠近或远离第一组立柱的方向移动；所述两组立柱的顶端均安装有支架，每个支架的上表面均开设有螺纹孔；夹持螺钉的一端旋入螺纹孔内；两个支架的上表面用于放置试样，试样的水平向两侧夹持在支架上的两个夹持螺钉之间，试样的垂直向两侧夹持在夹持螺钉的端帽与支架的上表面之间；第二组立柱相对第一组立柱的移动用于调整两个夹持螺钉之间的距离。

在传统的感应加热过程中，被加热试样大多被放置在陶瓷坩埚内或直接放置样品台上，不利于观察试样下表面的起泡现象。为了有效观察燃料元件试样上下表面在起泡实验中的起泡现象，获得燃料元件的起泡阈值温度，经济合理的提高燃料元件利用率，本专利在充分考虑如何观察高温下燃料试样表面的起泡现象的前提下，结合辐照后燃料试样的特点及高温起泡实验工况，设计了一种燃料试样夹持装置，用于在感应加热高温起泡实验中固定及观察燃料试样表面的起泡情况，为准确获得燃料元件试样的起泡温度阈值提供保障。

辐照后燃料元件试样的高温起泡实验，主要是用于模拟燃料元件在堆内服役环境下的起泡行为，获得燃料元件的起泡阈值温度。燃料元件试样高温起泡实验的核心要素主要包括以下内容：1)合理模拟燃料元件在堆内的环境条件，包括温度(稳态和瞬态)、环境介质(真空、惰性气氛、水蒸气)和燃耗等；2)观察燃料元件的起泡现象，准确获得燃料元件的起泡阈值温度。因此，本发明针对高温起泡实验中的实际需求和工况特点，设计了一种感应加热高温起泡实验中固定燃料试样的夹持装置。由于起泡实验的温度较高，为防止夹持装置在高温下发生变形，该夹持装置主体结构由碳化硼陶瓷做成(如立柱、支架、夹持螺钉等均有碳化硼陶瓷制成)。通过在每个支架的顶端设计有夹持螺钉，可以通过螺丝刀控制螺钉的上升和下降，主要用于固定燃料试样，防止在气流中出现窜动；两组立柱有一根固定不动，另一根可由驱动件或传动件带动左右移动，主要用于配合支架上的夹持螺钉实现对不同尺寸燃料试样的两端固定。使用过程中，将试样放置在两个支架的顶面上，然后通过调节两组立柱之间的距离，使得试样的水平向两侧夹持在支架上的两个夹持螺钉之间；再旋转两组夹持螺钉，使得试样的垂直向两侧夹持在夹持螺钉的端帽与支架的上表面之间；

本发明能实现对不同尺寸试样的装夹需求，且可实现对辐照后燃料试样的快速装夹，能有效降低操作人员在装夹及更换试样过程中的受照射剂量水平；采用支架上可升降式的夹持螺钉设计以及立柱的移动式设计，可用于在垂直方向上、水平方向上固定试样，避免燃料试样在通气过程中发生窜动或坠落，保证实验的顺利实施。

进一步优选，两个支架相对的侧壁上开设有凹槽，所述凹槽贯通支架的垂直向两侧。

本发明在支架的相对两侧壁上开设凹槽，主要便于透过凹槽观察试样下表面的起泡情况，设计凹槽的尺寸大小，保障能够透过凹槽试样观察下表面的同时、不会从凹槽处掉落。

进一步优选，所述第二组立柱由驱动件带动向靠近或远离第一组立柱的方向移动，驱动件采用气缸；所述气缸的活塞杆的自由端与第二组立柱的底端连接。

本发明优选设计采用气缸，可实现自动驱动控制第二组立柱相对第一组立柱的运动，结构简单，成本较低；且优选设计两组立柱的轴向相互平行，活塞杆的轴线与所连接的第二组立柱的轴线垂直。

进一步优选，所述活塞杆的自由端与第二组立柱的底端通过连接螺钉I可拆卸连接。

优选设计活塞杆与第二组立柱通过连接螺钉I连接，结构简单，方便拆装，便于更换、检修操作；且为了避免夹持装置在高温起泡实验中发生变形，优选连接螺钉I采用碳化硼陶瓷结构。气缸的活塞杆可直接与第二组立柱连接，或者气缸的活塞杆通过传动杆与第二组立柱连接。

进一步优选，所述第二组立柱由传动件带动向靠近或远离第一组立柱的方向移动，所述传动件的一端与第二组立柱的底端连接，运动件的另一端用于施加外力。

除了直接采用驱动件与第二组立柱连接，以自动驱动第二组立柱移动外，还可采用往复运动传动件与第二组立柱连接，通过对传动件施加手动或机械外力，间接带动第二组立柱移动。

进一步优选，所述支架与对应的立柱通过连接螺钉II连接。

本发明优选设计支架通过连接螺钉II可拆卸固定在对应立柱上，结构简单，拆装方便，便于检修操作。且为了避免夹持装置在高温起泡实验中发生变形，优选连接螺钉II采用碳化硼陶瓷结构。

进一步优选，还包括玻璃管，所述玻璃管的底端与基座连接，玻璃管与基座形成密封腔室，所述密封腔室内容纳有两组立柱、支架和夹持螺钉；玻璃管外环设有感应加热线圈。

本发明有玻璃管和基座构成外部的壳体，玻璃管和基座构成能够密闭的腔室；然后用于装夹固定的立柱、支架和夹持螺钉安装在该密闭腔室内；起泡试验时，将试样夹持在该密闭腔室内，通过感应加热线圈对试样加热。

进一步优选，所述两组立柱的底部到顶端的轴向平行，且两组立柱的轴向与玻璃管的轴向同向。

本发明优选设计两组立柱轴向同向设计、且与玻璃管轴向同向，玻璃管套设在立柱上，利于形成整体结构紧凑的夹持装置；且立柱可依据需求设计适当长度，使得感应线圈加热部位距离基座较远，减小对对基座以及第二组立柱与驱动件或传动件连接部位的不利影响。

进一步优选，所述驱动件或传动件的一端穿过基座的侧壁后于第二组立柱底部连接。

为了保障玻璃管和基座内构成密闭腔室，优选设计驱动件或传动件的一端穿过基座的侧壁后于第二组立柱底部连接；驱动件或传动件与基座侧壁之间可通过直线往复式动密封件连接，如耐高温密封圈等等。

进一步优选，还包括CCD相机，所述CCD相机设于玻璃管外部，CCD相机用于在线观察玻璃管内的试样的起泡现象。

本发明设计的一种感应加热高温起泡实验中固定燃料试样的夹持装置，用于快速固定辐照后的燃料试样，同时，结合CCD相机实现对燃料试样在高温起泡实验过程中起泡现象的实时观察，为准确获得燃料元件试样起泡阈值温度，提升燃料元件利用效率，乃至新型燃料元件的研发和改进提供重要依据。

本发明具有如下的优点和有益效果：

为了有效观察燃料元件试样上下表面在起泡实验中的起泡现象，获得燃料元件的起泡阈值温度，经济合理的提高燃料元件利用率，本发明在充分考虑如何观察高温下燃料试样表面的起泡现象的前提下，结合辐照后燃料试样的特点及高温起泡实验工况，设计了一种燃料试样夹持装置，用于快速固定辐照后的燃料试样，同时，结合CCD相机实现对燃料试样在高温起泡实验过程中起泡现象的实时观察，为准确获得燃料元件试样起泡阈值温度，提升燃料元件利用效率，乃至新型燃料元件的研发和改进提供重要依据。

本发明能实现对不同尺寸试样的装夹需求，且可实现对辐照后燃料试样的快速装夹，能有效降低操作人员在装夹及更换试样过程中的受照射剂量水平；采用支架上可升降式的夹持螺钉设计以及立柱的移动式设计，可用于在垂直方向上、水平方向上固定试样，避免燃料试样在通气过程中发生窜动或坠落，保证实验的顺利实施。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的用于感应加热高温起泡实验中固定燃料试样的夹持装置结构示意图。

图2为本发明的两个支架俯视图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-夹持螺钉，2-支架，3-感应加热线圈，4-气缸，5-立柱，6连接螺钉I，7-玻璃管，8-连接螺钉II，9-凹槽，10-基座。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种感应加热高温起泡实验中固定燃料试样的夹持装置，包括基座10，还包括夹持螺钉1、支架2和两根立柱5。

两根立柱5中的第一根立柱5的底端通过螺钉可拆卸固定在基座10上，第二根立柱5的底端相对于基座10活动安装，且第二组立柱5由驱动件或传动件带动向靠近或远离第一组立柱5的方向移动。

两组立柱5的顶端均安装有一个支架2，每个支架2的上表面均开设有两个螺纹孔；夹持螺钉1的一端旋入螺纹孔内，每个支架2的表面可螺纹旋接设计两个夹持螺钉1；夹持螺钉1的数量可依据实际试样的大小、形状、夹持稳固性等需求设计。

两个支架2的上表面用于放置试样，试样的水平向两侧夹持在支架2上的两个夹持螺钉1之间，试样的垂直向两侧夹持在夹持螺钉1的端帽与支架2的上表面之间；第二组立柱5相对第一组立柱5的移动用于调整两个夹持螺钉1之间的距离。

辐照后燃料元件试样的高温起泡实验，主要是用于模拟燃料元件在堆内服役环境下的起泡行为，获得燃料元件的起泡阈值温度。燃料元件试样高温起泡实验的核心要素主要包括以下内容：1)合理模拟燃料元件在堆内的环境条件，包括温度(稳态和瞬态)、环境介质(真空、惰性气氛、水蒸气)和燃耗等；2)观察燃料元件的起泡现象，准确获得燃料元件的起泡阈值温度。因此，本发明针对高温起泡实验中的实际需求和工况特点，设计了一种感应加热高温起泡实验中固定燃料试样的夹持装置。由于起泡实验的温度较高，为防止夹持装置在高温下发生变形，该夹持装置主体结构由碳化硼陶瓷做成(如立柱5、支架2、夹持螺钉1等均有碳化硼陶瓷制成)。通过在每个支架2的顶端设计有夹持螺钉1，可以通过螺丝刀控制夹持螺钉1的上升和下降，主要用于固定燃料试样，防止在气流中出现窜动；两组立柱5有一根固定不动，另一根可由驱动件或传动件带动左右移动，主要用于配合支架2上的夹持螺钉1实现对不同尺寸燃料试样的两端固定。使用过程中，将试样放置在两个支架2的顶面上，然后通过调节两组立柱5之间的距离，使得试样的水平向两侧夹持在支架2上的两个夹持螺钉1之间；再旋转两组夹持螺钉1，使得试样的垂直向两侧夹持在夹持螺钉1的端帽与支架2的上表面之间。

本发明能实现对不同尺寸试样的装夹需求，且可实现对辐照后燃料试样的快速装夹，能有效降低操作人员在装夹及更换试样过程中的受照射剂量水平；采用支架2上可升降式的夹持螺钉1设计以及立柱5的移动式设计，可用于在垂直方向上、水平方向上固定试样，避免燃料试样在通气过程中发生窜动或坠落，保证实验的顺利实施。

实施例2

在实施例1的基础上进一步改进，两个支架2相对的侧壁上开设有凹槽9，凹槽9为直线型凹槽，凹槽9贯通支架2的垂直向两侧。支架2与对应的立柱5通过连接螺钉II8连接。

驱动第二根立柱5移动的方式有以下两种：

(1)第二根立柱5由驱动件带动向靠近或远离第一根立柱5的方向移动，驱动件采用气缸4；气缸4的活塞杆的自由端与第二根立柱5的底端连接。活塞杆的自由端与第二根立柱5的底端通过连接螺钉I6可拆卸连接。

(2)第二根立柱5由传动件带动向靠近或远离第一根立柱5的方向移动，传动件的一端与第二根立柱5的底端连接，运动件的另一端用于施加手动外力。

本实施例优选采用驱动件即气缸4驱动第二根立柱5移动。

实施例3

在实施例2的基础上进一步改进，还包括玻璃管7，玻璃管7的底端与基座10连接，玻璃管7与基座10形成密封腔室，密封腔室内容纳有两根立柱5、支架2和夹持螺钉1；玻璃管7外环设有感应加热线圈3。

两根立柱5的底部到顶端的轴向平行，且两组立柱5的轴向与玻璃管7的轴向同向。驱动件的一端动密封穿过基座10的侧壁后于第二根立柱5底部连接。

本实施例还包括CCD相机，CCD相机设于玻璃管7外部，CCD相机用于在线观察玻璃管7内的试样的起泡现象。

本实施例中，立柱5、支架2、夹持螺钉1、连接螺钉I6和夹持螺钉II8都采用碳化硼陶瓷制成。

在开展高温起泡实验的过程中，先将石英玻璃管7上升至目标位置，露出装夹试样的夹持装置。先通过气缸4移动第二根陶瓷立柱5的位置，调节陶瓷支架2之间的间距，直到适合试样安放，然后将燃料试样用长柄镍放置到两个支架2上，再调节陶瓷立柱5的位置，从左右固定燃料试样，防止试样在实验中发生左右窜动。待试样固定好后，用特制螺丝刀拧紧支架2上的夹持螺钉1，完成试样在垂直方向的固定，防止试样在实验中受气流的影响发生窜动或坠落。试样安装完成后，下降石英玻璃管7并用真空泵抽真空，待真空度达到实验要求后，启动感应加热电源开展高温起泡实验，最后，利用安装在石英玻璃管7外侧的CCD相机即可完成对燃料试样起泡行为的观察，获得准确的起泡阈值温度。

本发明根据感应加热炉的结构特点，设计了一种感应加热高温起泡实验中固定燃料试样的夹持装置，结合CCD相机实现了对燃料试样上下表面起泡现象的在线观察，建立了燃料试样高温起泡行为在线观察技术。设计了可移动的碳化硼陶瓷立柱，能实现不同尺寸试样的装夹需求，且可实现辐照后燃料试样的快速装夹，能有效降低操作人员在装夹及更换试样过程中的受照射剂量水平。采用碳化硼陶瓷支架上可升降式的螺钉设计，可用于在垂直方向上固定试样，避免燃料试样在通气过程中发生窜动或坠落，保证实验的顺利实施。采用碳化硼陶瓷设计，可以避免夹持装置在高温起泡实验中发生变形，确保在线观察的准确性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。