一种压水堆燃料棒表面污垢物质沉积实验装置及方法

技术领域

本发明属于核动力设备性能验证性实验研究技术领域，具体涉及一种压水堆燃料棒表面污垢物质沉积实验装置及方法。

背景技术

随着世界化石燃料储量的不断减少，核能成为了重点发展的清洁能源之一，核电站的数量也在逐年增加，其中压水堆核电站是占比最多的一种核电站。但是压水堆堆芯处于高温、高压、高辐照的恶劣环境，随着压水堆的不断运行，由于冷却剂中的细小碎片迁移、硼转化、水电离、金属离子水解等原因，冷却剂中会产生污垢物质，污垢物质由布朗运动、分子扩散和粒子惯性等几种作用下被输运到包壳表面，最终在包壳表面发生污垢沉积现象。污垢在包壳表面沉积会导致热阻增加，使得燃料棒局部温度过高；由于污垢表面粗糙，会增加汽化核心，引发沸腾危机；硼在污垢中沉积还会影响中子分布从而造成堆芯轴向功率偏移；由于污垢成分复杂，污垢在燃料棒包壳表面沉积会使得包壳晶体结构发生变化，导致燃料棒包壳局部发生腐蚀，存在包壳破裂的潜在风险，威胁包壳完整性。

因此准确阐释压水堆燃料棒表面污垢物质沉积的机理和行为预测，对提高压水堆核电站的经济性和安全性具有重要的理论意义和工程价值，但目前压水堆燃料棒表面污垢物质沉积机理的相关研究较少，无法准确对压水堆燃料棒表面污垢物质沉积行为进行预测。

发明内容

为准确解释压水堆燃料棒表面污垢物质沉积行为，弥补压水堆燃料棒表面污垢物质沉积机理研究短板，本发明的目的在于提供一种压水堆燃料棒表面污垢物质沉积实验装置及方法，能获得不同热工参数、水化学条件下的污垢沉积实验数据，为压水堆燃料棒表面污垢物质沉积机理研究提供实验数据支撑。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种压水堆燃料棒表面污垢物质沉积实验装置及方法，包括主回路系统、测量系统、离子浓度控制系统和电加热系统；

所述主回路系统由高压反应釜1、回热器2、冷凝器3、主水箱4、高压柱塞泵5、一号流量计6-1和预热段7组成，高压反应釜1内部布置一根电加热棒21用于模拟压水堆燃料棒，高压反应釜1出口连接至回热器2壳侧，而后依次连接冷凝器3、主水箱4、高压柱塞泵5、回热器2管侧、预热段7，预热段7出口连接高压反应釜1的入口，在高压柱塞泵5出口设置压水堆流量计6和一号电动调节阀22-1；

所述测量系统由温度传感器8、压力传感器9和离子浓度检测计10组成，温度传感器8布置在预热段7出口、高压反应釜1出口、回热器2出口和冷凝器3出口，压力传感器9布置在预热段7出口、高压反应釜1出口和高压柱塞泵5进口和出口，离子浓度检测计10布置在主水箱4进口和出口；

所述离子浓度控制系统由补水箱11、离子补充液箱12、一号补水泵13-1、二号补水泵13-2、过滤器14、二号流量计6-2、三号流量计6-3、搅拌装置16、排污阀17和排污水箱18组成，补水箱11依次连接一号补水泵13-1、过滤器14、二号电动调节阀22-2、二号流量计6-2和主水箱4，离子补充液箱12依次连接二号补水泵13-2、三号电动调节阀22-3、三号流量计6-3和主水箱4，主水箱4内布置一个搅拌装置16，主水箱4通过排污阀17连接排污水箱18；

所述电加热系统由直流电源19、可变功率变压器20组成，直流电源19输出恒定功率至高压反应釜1内的电加热棒21，可变功率变压器20输出恒定功率至预热段7。

上述实验装置对应的实验方法，第一步，由补水箱11注入足量去离子水，开启高压柱塞泵5，对主回路系统进行冲洗，确保主回路系统水质达到要求；打开排污阀17、二号补水泵13-2和三号电动调节阀22-3，使流入流出质量流量相等，监视高压柱塞泵5上离子探针读数，待达到工况设置浓度要求，关闭排污阀17、二号补水泵13-2和三号电动调节阀22-3；

第二步，待主回路系统流量稳定后，调节一号电动调节阀22-1，使流入高压反应釜1的水质达到实验工况所需的流量和压力条件；

第三步，打开预热器7，阶梯式增加预热段7功率，达到预定温度后维持功率不变；

第四步，升高电加热棒21功率，达到功率要求后停止升高功率，待主回路系统参数稳定后开始长时间沉积实验，实验结束后取出电加热棒21对电加热棒21表面沉积产物通过扫描电子显微镜和X射线衍射进行测量分析。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明所述实验装置及方法可以实现不同温度、压力、流量、离子浓度的压水堆燃料棒表面污垢物质沉积实验研究；

2、电加热棒外加绝缘处理并外套金属套管的做法可以避免直接通电导致表面电位对沉积行为产生影响；

3、开式的实验回路系统使得离子混合在常温常压下进行，便于对离子浓度进行控制；

4、回热器和预热段的设计降低了实验装置的能源配置需求和电加热棒的加热功率要求。

附图说明

图1为本发明实验装置示意图。

具体实施方式

下面结合实例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明是一种压水堆燃料棒表面污垢物质沉积实验装置，包括主回路系统、测量系统、离子浓度控制系统和电加热系统；

主回路系统由高压反应釜1、回热器2、冷凝器3、主水箱4、高压柱塞泵5、一号流量计6-1和预热段7组成，高压反应釜1内部布置一根电加热棒21用于模拟压水堆燃料棒，高压反应釜1出口连接至回热器2壳侧，而后依次连接冷凝器3、主水箱4、高压柱塞泵5、回热器2管侧、预热段7，预热段7出口连接高压反应釜1的入口，在高压柱塞泵5出口设置一号流量计6-1和一号电动调节阀22-1；

测量系统由温度传感器8、压力传感器9和离子浓度检测计10组成，温度传感器8布置在预热段7出口、高压反应釜1出口、回热器2出口和冷凝器3出口，压力传感器9布置在预热段7出口、高压反应釜1出口和高压柱塞泵5进口和出口，离子浓度检测计10布置在主水箱4进口和出口；

离子浓度控制系统由补水箱11、离子补充液箱12、一号补水泵13-1、二号补水泵13-2、过滤器14、二号流量计6-2、三号流量计6-3、搅拌装置16、排污阀17和排污水箱18组成，补水箱11依次连接一号补水泵13-1、过滤器14、二号电动调节阀22-2、二号流量计6-2和主水箱4，离子补充液箱12依次连接二号补水泵13-2、三号电动调节阀22-3、三号流量计6-3和主水箱4，主水箱4内布置一个搅拌装置16，主水箱4通过排污阀17连接排污水箱18；

电加热系统由直流电源19、可变功率变压器20组成，直流电源19输出恒定功率至高压反应釜1内的电加热棒21，可变功率变压器20输出恒定功率至预热段7。

实验装置为开式回路系统，连接大气的主水箱4内为常温常压水，通过高压柱塞泵5对工质水加压，通过回热器2和预热段7对常温常压水加热，使得高压反应釜1内为高温高压水，再通过回热器2和冷凝器3将高温高压水冷却至常温，通过减压阀15将常温高压水降至常压。

为了避免电加热棒21表面电位影响实验结果，电加热棒21套在金属套管内，并在电加热棒表面做绝缘处理。

当需增大某离子浓度时，通过离子补充液箱12注入离子溶液；当需降低某离子浓度时，打开排污阀17排出部分主回路原有冷却剂，同时通过补水箱11加入去离子水，离子浓度检测计10测量该离子浓度至所需水平停止排泄和加注；通过注入及排出溶液调节回路离子浓度可以满足不同离子浓度的工况需求。

高压柱塞泵5、一号流量计6-1、一号电动调节阀22-1以及连通高压柱塞泵5进口和出口的旁路用来调节回路流量，一号电动调节阀22-1根据一号流量计6-1的流量调整阀门开度，从而满足不同流量的实验工况需求。

直流电源19可以给电加热棒21不同的加热功率，可变功率变压器20根据温度传感器的温度改变加热功率，从而满足不同功率水平和不同入口温度的实验工况需求。

离子浓度检测计10的探针分别布置于主水箱4的进口和出口，可以实时监测回路离子浓度及离子浓度控制系统的运行情况。

如图1所示，本发明涉及一种压水堆燃料棒表面污垢物质沉积实验方法：第一步，由补水箱11注入足量去离子水，开启高压柱塞泵5，对主回路系统进行冲洗，确保主回路系统水质达到要求；打开排污阀17、二号补水泵13-2和三号电动调节阀22-3，使流入流出质量流量相等，监视高压柱塞泵5上离子探针读数，待达到工况设置浓度要求，关闭排污阀17、二号补水泵13-2和三号电动调节阀22-3；

第二步，待主回路系统流量稳定后，调节一号电动调节阀22-1，使流入高压反应釜1的水质达到实验工况所需的流量和压力条件；

第三步，打开预热器7，阶梯式增加预热段7功率，达到预定温度后维持功率不变；

第四步，升高电加热棒21功率，达到功率要求后停止升高功率，待主回路系统参数稳定后开始长时间沉积实验，实验结束后取出电加热棒21对电加热棒21表面沉积产物通过扫描电子显微镜和X射线衍射进行测量分析。