一种堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置

摘要

本申请实施例公开了一种堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，涉及核能技术领域，模拟反应堆发生反应时芯块与包壳管之间的相互作用。该堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置包括：包壳管，固定在支撑架上，包壳管内部有与包壳管固定的托盘；模拟芯块，设在包壳管内部的托盘的一侧；第一载荷单元，包括第一驱动部和柱塞，柱塞与包壳管的内壁密封滑动连接，第一驱动部驱动柱塞在包壳管的内部沿第一方向运动，将模拟芯块朝向托盘推动；第二载荷单元，包括第二驱动部，第二驱动部与包壳管连接向包壳管施加沿第二方向的力，第一方向和第二方向相反。本申请的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置用于研究模拟芯轴和包壳管之间的相互作用。

权利要求

1.一种堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，其特征在于，包括：支撑架；

包壳管，固定在所述支撑架上，所述包壳管内部具有与所述包壳管固定的托盘；

模拟芯块，设置在所述包壳管内部的所述托盘的一侧；

第一载荷单元，包括第一驱动部和柱塞，所述柱塞与所述包壳管的内壁密封滑动连接，所述第一驱动部用于驱动所述柱塞在所述包壳管的内部沿第一方向运动，以将模拟芯块朝向所述托盘推动；

第二载荷单元，包括第二驱动部，所述第二驱动部与所述包壳管连接，用于向所述包壳管施加沿第二方向的力，所述第一方向和所述第二方向相反。

2.根据权利要求1所述的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，其特征在于，所述第一载荷单元和所述第二载荷单元分别设置在所述包壳管两端，所述第一载荷单元向所述柱塞施加沿所述第一方向的推力，所述第二载荷单元向所述包壳管施加沿所述第二方向的拉力。

3.根据权利要求1所述的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，其特征在于，所述第一驱动部和所述第二驱动部均由电机驱动。

4.根据权利要求1所述的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，其特征在于，所述第一载荷单元和所述第二载荷单元内部设有传感器，所述传感器用于检测所述第一载荷单元和所述第二载荷单元的试验参数。

5.根据权利要求1所述的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，其特征在于，所述包壳管外部设有保护罩。

6.根据权利要求5所述的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，其特征在于，所述保护罩由透明材料制成。

7.根据权利要求6所述的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，其特征在于，所述保护罩为密封腔体且所述密封腔体内部设有惰性气体。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，其特征在于，所述支撑架包括基座和立柱，所述包壳管通过夹持组件固定在所述立柱上。

9.根据权利要求8所述的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，其特征在于，所述夹持组件包括与所述立柱固定的固定件和限位件，所述固定件将所述包壳管的第一端固定，所述限位件上具有通孔，所述包壳管穿过所述通孔，所述限位件用于限位所述包壳管沿其径向的运动。

10.根据权利要求8所述的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，其特征在于，所述托盘远离所述模拟芯块的一侧固定有支撑柱，所述支撑柱的端部与所述基座抵靠。

说明书

一种堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置

技术领域

[0001] 本申请涉及核能技术领域，尤其涉及一种堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置。

背景技术

[0002] 核反应堆的堆芯也称之为反应堆活性区，由安置在具有一定栅格的堆芯格架中的燃料组件构成，燃料组件大部分是燃料棒。燃料棒主要是由包壳和芯块构成，在发生反应性引入事故后，芯块瞬间膨胀挤压包壳管，在反应过程中，由于芯块和包壳之间力学相互作用，包壳管同时受到轴向和环向载荷，包壳管在堆内受到辐照、腐蚀、吸氢等影响材料性能下降，在芯块的挤压下发生膨胀，有可能会发生破损现象。

[0003] 目前，相关技术中对于包壳管和芯块之间的力学相互作用现象大部分采用的是芯轴试验或者环向拉伸试验。其中，芯轴试验是用圆柱状芯轴挤压弹性金属片带动外管变形，而环向拉伸试验则通过纵向拉伸内置芯棒使得外层包壳管的圆周方向发生变形。

[0004] 虽然相关技术对于包壳管和芯块之间的力学相互作用现象进行的研究，但对于在核反应堆反应过程中芯块和包壳管的反应过程进行了一定程度的简化，只能反映出包壳管的部分受力状态，并未反映出包壳管和芯块之间的力学相互作用。

发明内容

[0005] 本申请实施例提供一种堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，模拟反应堆发生反应时芯块与包壳管之间的相互作用。

[0006] 为了达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

[0007] 本申请实施例提供一种堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置包括：支撑架、包壳管、模拟芯块、第一载荷单元和第二载荷单元。其中，包壳管，固定在支撑架上，包壳管内部具有与包壳管固定的托盘；模拟芯块，设置在包壳管内部的托盘的一侧；第一载荷单元，包括第一驱动部和柱塞，柱塞与包壳管的内壁密封滑动连接，第一驱动部用于驱动柱塞在包壳管的内部沿第一方向运动，以将模拟芯块朝向托盘推动；第二载荷单元，包括第二驱动部，第二驱动部与包壳管连接，用于向包壳管施加沿第二方向的力，第一方向和第二方向相反。

[0008] 本申请提供的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，由于模拟芯块设置在包壳管的内部，第一载荷单元的第一驱动部驱动柱塞对包壳管内的模拟芯块受到第一方向的力，发生肿胀使得包壳管到环向方向的载荷，而第二载荷单元中的第二驱动部与包壳管连接，向包壳管施加第二方向的力，使得包壳管受到轴向方向的载荷。而相关技术中多数都采用了芯轴试验和环向拉伸试验，芯轴试验只是用圆柱芯轴挤压弹性金属片带动外管变形，而环向拉伸试验只是通过纵向拉伸内置芯棒使外层包壳管的圆周方向发生变形，这两种方法只是反映了包壳管部分的受力状态，不能反映在核反应堆反应时，芯块和包壳管之间的相互作用。因此，本申请提供的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，通过研究模拟芯块和包壳管之间的相互作用，使得包壳管既受到环向方向的载荷同时受到轴向方向的载荷模拟反应堆发生反应时芯块与包壳管之间的相互作用。

[0009] 进一步地，第一载荷单元和第二载荷单元分别设置在包壳管两端，第一载荷单元向柱塞施加沿第一方向的推力，第二载荷单元向包壳管施加沿第二方向的拉力。

[0010] 进一步地，第一驱动部和第二驱动部均由电机驱动，由于电动机能提供的功力范围大，同时使用和控制非常方便，提高了试验装置的效率。

[0011] 进一步地，第一载荷单元和第二载荷单元内部设有传感器，传感器用于检测第一载荷单元和第二载荷单元的试验参数，方便对于第一载荷单元和第二载荷单元的试验参数进行研究。

[0012] 进一步地，传感器上设有数字显示屏，有利于在研究过程中更加准确的记录试验参数。

[0013] 进一步地，包壳管外部设有保护罩，为了避免在模拟芯块按压膨胀时包壳管受到挤压发生破损时碎屑飞出，产生不安全因素。

[0014] 进一步地，保护罩由透明材料制成，透明材料有利于观察模拟芯块经过不断按压时包壳管的变化。

[0015] 进一步地，保护罩为密封腔体且密封腔体内部设有惰性气体，在密闭腔体内设置惰性气体避免包壳管发生破损时的碎屑与其他物质发生反应。

[0016] 进一步地，支撑架包括基座和立柱，包壳管通过夹持组件固定在立柱上。

[0017] 进一步地，夹持组件包括与立柱固定的固定件和限位件，固定件将包壳管的第一端固定，限位件上具有通孔，包壳管穿过通孔，限位件用于限位包壳管沿其径向的运动。

[0018] 进一步地，托盘远离模拟芯块的一侧固定有支撑柱，支撑柱的端部与基座抵靠，使得在柱塞在按压模拟芯块的过程中，托盘不会沿着包壳管的内部发生滑动，提高模拟芯块的肿胀速率。

附图说明

[0019] 图1为一种堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置的剖视图；

[0020] 图2为一种堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置的剖视图之一；

[0021] 图3为一种堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置的剖视图之二。

[0022] 附图标记说明：

[0023] 1‑支撑架；11‑基座；12‑立柱；2‑包壳管；21‑夹持组件；211‑固定件；212‑限位件；3‑模拟芯块；4‑第一载荷单元；41‑第一驱动部；411‑电机；42‑柱塞；421‑托盘；422‑支撑柱；
5‑第二载荷单元；51‑第二驱动部；6‑保护罩；61‑惰性气体。

具体实施方式

[0024] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。

[0025] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请的具体技术方案做进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

[0026] 在本申请实施例中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

[0027] 此外，在本申请实施例中，“上”、“下”、“左”以及“右”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。

[0028] 在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。

[0029] 在本申请实施例中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

[0030] 在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

[0031] 核反应堆，又称为原子能反应堆，是能维持可控自持链式核裂变反应，来实行核能利用的装置。核反应堆通过合理布置核燃料，使得在无需补加中子源的条件下能在其中发生自持链式核裂变的过程，核反应堆被称为核电站的心脏。

[0032] 核反应堆的堆芯也称之为反应堆活性区，由安置在具有一定栅格的堆芯格架中的燃料组件构成，而燃料元件棒是堆芯的核心构件，是核链式裂变反应的中心也是设备的热源。燃料元件棒主要包括燃料芯块、燃料包壳管、压紧弹簧、上端塞和下端塞等几部分组成，将燃料芯块叠至在包壳管中，装上上端塞，把燃料芯块封焊在包壳管内，构成燃料棒。包壳管既保证了燃料棒的机械强度又能将燃料芯块以及发生核裂变时产生的产物包容住，因此包壳管是距离核燃料最近的结构材料，它包容着燃料芯块和裂变产物，在堆内的工作环境最恶劣，承受着高温、高压和强烈的中子辐照。同时包壳管内壁也会受到燃料芯块以及裂变气体压力、腐蚀、肿胀等危害，包壳外部会受到冷却剂的压力，震动和腐蚀等，所以，包壳管构成了强放射性的裂变产物与外界环境之间的第一道屏障。

[0033] 如图1所示，本申请实施例提供堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置包括：支撑架1、包壳管2、模拟芯块3、第一载荷单元4和第二载荷单元5。其中，包壳管2固定在支撑架1上，包壳管2内部具有与包壳管2固定的托盘421；模拟芯块3设置在包壳管2内部的托盘
421的一侧；第一载荷单元4包括第一驱动部41和柱塞42，柱塞42与包壳管2的内壁密封滑动连接，第一驱动部41用于驱动柱塞42在包壳管2的内部沿第一方向运动，以将模拟芯块3朝向托盘421推动；第二载荷单元5包括第二驱动部51，第二驱动部51与包壳管2连接，用于向包壳管2施加沿第二方向的力，第一方向和第二方向相反。

[0034] 需要具体说明的是，在图1中，将模拟芯块3设置在包壳管2的内部，第一载荷单元4的第一驱动部41驱动柱塞42对包壳管2内的模拟芯块3受到第一方向的力，模拟芯块3发生肿胀使包壳管2受到环向方向的载荷，而第二载荷单元5中的第二驱动部51与包壳管2连接，向包壳管2施加第二方向的力。使得包壳管2受到轴向方向的载荷。通过研究模拟芯块3和包壳管2之间的相互作用，使得包壳管2既受到环向方向的载荷同时受到轴向方向的载荷，模拟反应堆发生反应时芯块3与包壳管2之间的相互作用，为进一步在进行核反应堆设计时优化包壳管2与芯块3的材料和结构等作保障，避免发生由于包壳管2破损而引发的事故。

[0035] 具体地，如图1所示，第一载荷单元4的第二载荷单元5的设置的方向可以是多样的，第一载荷单元4和第二载荷单元5成对出现，可以水平设置与可垂直设置，也可以与地面成夹角设置，第一载荷单元4只需要满足作用在模拟芯块3上，而第二载荷单元5满足作用在包壳管2的目的即可。优选地，本申请实施例提供的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置将第一载荷单元4与第二载荷单元5成对垂直设置，避免因重力影响包壳管2与模拟芯块3之间的相互作用力。

[0036] 需要补充说明的是，如图1所示，将模拟芯块3设置在包壳管2的内部，第一载荷单元4的第一驱动部41驱动柱塞42对包壳管2内的模拟芯块3受到第一方向的力，模拟芯块3发生肿胀使包壳管2受到环向方向的载荷，而第二载荷单元5中的第二驱动部51与包壳管2连接，向包壳管2施加第二方向的力。第一方向的力可以为推力，第二方向的力为拉力，第一载荷单元4向柱塞42施加沿第一方向的推力，第二载荷单元5向包壳管2施加第二方向的拉力，加快芯块的肿胀程度，更加还原核反应堆中芯块3与包壳管2的反应情况。

[0037] 在一些实施例中，如图1所示，第一驱动部41和第二驱动部51有多种实现方式，例如曲柄连杆机构、齿轮齿条机构、电机等，设置第一驱动部41和第二驱动部51的目的是提供一个动力使柱塞42能够沿着包壳管2的内壁进行滑动以及向包壳管2施加第二方向的力。一方面，曲柄连杆传输的动力在驱动柱塞42沿着包壳管2的内壁滑动的时候，驱动的刚性较大，抗冲击能力不足，如遇到模拟芯块3的材质较硬时，提供的动力无法驱动柱塞42按压模拟芯块3，使得模拟芯块3发生变形。另一方面，曲柄连杆机构的结构占用空间较大，不利于堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置的布局。在采用齿轮齿条传输动力的过程中，齿轮齿条在传动过程中会产生噪声，不利于试验的研究。而电动机能够提供很大范围的动力，同时电动机的使用和控制非常方便且工作效率较高，无污染。因此，本申请提供的堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置选取的第一驱动部41和第二驱动部51均选用电机411驱动，满足研究者对不同功率的情况下对于包壳管2的受力情况进行分析研究，提高了研究效率。

[0038] 在其他的一些实施例中，如图1所示，第一载荷单元4对于模拟芯块3施加沿第一方向的推力挤压模拟芯块3，模拟芯块3变形挤压包壳管2，使包壳管2受到环向方向的载荷，包壳管2所受环向方向的载荷与第一载荷单元4对模拟芯块3施加的推力相关，而第一驱动部41并没有设置可以记载第一载荷单元4施加推力大小的装置。同理地，第二载荷单元5向包壳管2施加第二方向的力，使包壳管2受到轴向方向的载荷，包壳管2所受轴向方向的载荷与第二载荷单元5施加的拉力相关，而第二驱动部51也没有设置可以记载第二载荷单元5施加拉力大小的装置。因此，本申请提出了一种技术方案，在第一载荷单元4和第二载荷单元5的内部设置了传感器，传感器用来检测第一载荷单元4和第二载荷单元5的试验参数，如在传感器上设置与反应堆参数相近的应力，应变参数等，实现了堆内试验的模拟研究，同时可以通过调节第一载荷单元4和第二载荷单元5的试验参数，方便模拟堆内的试验参数。

[0039] 需要补充说明的是，如图1所示，第一载荷单元4与第二载荷单元5上设置的传感器上设有数字显示屏，由于在传感器上设置了多种试验参数，如第一载荷单元4对模拟芯块3施加的推力、第二载荷单元5对包壳管2施加的拉力、模拟堆内试验条件的应力和应变的试验参数，如只在第一载荷单元4和第二载荷单元5上设置传感器，传感器上的参数需要进一步的识别且参数较多，不利于研究的进行。而在传感器上设置数字显示屏，传感器上试验参数的大小可以通过数字显示屏直观的表示出来，传感器试验参数是否与堆内的试验参数相近，可以通过数字显示屏显示出来，有利于在研究过程中更好地记录试验参数，也可以通过调节传感器上数字显示屏上显示的参数值，研究关键参数对于包壳管2所受环向载荷和轴向载荷的影响。

[0040] 在此基础上，如图2所示，包壳管2的外部应该设置保护罩6，因为第一载荷单元4向模拟芯块3不断地施加推力，模拟芯块3不断地膨胀，使得包壳管2发生肿胀，当模拟芯块3不断膨胀使包壳管2的材料性能达到疲劳极限时，包壳管2会发生破损，由于施加的推力较大，包壳管2发生破损时，碎屑会有一定的速度，会产生不安全的因素，在包壳管2外部设置保护罩6，包壳管2发生破损时，飞出的碎屑被保护罩6挡住，避免了不安全因素的产生。

[0041] 需要补充说明的是，如图2所示，虽然在包壳管2外部设置保护罩6可以阻挡飞出的碎屑，但是无法观察到随着第一载荷单元4向模拟芯块3施加推力的不断增加，包壳管2的肿胀程度的变化，根据包壳管2肿胀程度的变化进一步的调节推力和拉力的大小。因此，将保护罩6的材料设置为透明材料，既可以阻挡包壳管2破损时飞出的碎屑，也可以观察到随着第一载荷单元4向模拟芯块3施加的推力的不断增加，包壳管2肿胀程度的变化，有利于试验研究的进行。

[0042] 示例地，如图2所示，在核反应堆反应的过程中，芯块3和包壳管2发生核反应的过程中，包壳管破损有可能会产生一些核裂变产物与包壳管2外围的冷却剂发生反应，产生不可控的因素，因此在进行核反应堆反应的过程中，会在包壳管2的外部设置惰性气体61，避免产生的核裂变产物与包壳管2外围的冷却剂发生反应，发生爆炸，产生不可控因素。由于本申请的试验装置为堆外模拟芯块包壳力学相互作用的试验装置，为了进一步还原堆内的反应状态，将保护罩6设置为密封腔体同时在密封的腔体内设置有惰性气体，由于惰性气体61在常温常压下为无色无味的单原子气体，不易与其他物质进行化学反应，防止惰性气体
61与包壳管2发生破损时的碎屑与其他物质发生反应，避免了外界因素对于研究结果的影响。

[0043] 在一些实施例中，如图3所示，支撑架1包括基座11和立柱12，将包壳管2通过夹持组件21固定在立柱12上，使得包壳管2以及包壳管2内部的模拟芯块3与支撑架1固定在一起。在第一载荷单元4向模拟芯块3施加推力和第二载荷单元5向包壳管2施加拉力的时候，包壳管2与模拟芯块3固定在立柱12上更加的稳定。

[0044] 需要补充说明的是，如图3所示，在向包壳管2与模拟芯块3施加拉力和推力的时候，既要保持稳定还要在第二载荷单元5向包壳管2施加拉力的时候使得包壳管2能够沿着自身的径向方向运动，避免因包壳管2偏移而产生分力导致第二载荷单元5施加拉力过大，使研究的试验参数不准确。因此，本申请的试验装置设计的夹持组件21包括与立柱12固定的固定件211，固定件211将包壳管2的第一端进行固定，而限位件212上设置有通孔，包壳管2穿过通孔，使得包壳管2只能沿着自身的径向方向运动。既满足了在向包壳管2施加力的时候，包壳管2能够保持稳定，又能满足包壳管2能够沿着自身的径向方向进行运动，使得第一载荷单元4与第二载荷单元5所获得的试验参数更加的准确。

[0045] 示例地，如图1所示，模拟芯块3放置在托盘421上，在第一载荷单元4通过柱塞42按压模拟芯块3的过程中，模拟芯块3受到柱塞42的推力，并将推力传递给了托盘421，因此托盘421是否安装稳固与第一载荷单元4所施加的推力相关，如果托盘421在包壳管2内安装不稳固，则在柱塞42按压模拟芯块3的过程中，托盘421会沿着包壳管2的内部发生滑动，第一载荷单元4所施加的推力一部分用于挤压模拟芯块3，使模拟芯块3发生肿胀，另一部分则用于克服托盘421沿包壳管2内部滑动所产生的摩擦力，导致第一载荷单元4所获取的试验参数不准确，影响研究结果，因此，在托盘421远离模拟芯块3的一侧固定有支撑柱422，支撑柱422的端部与基座11抵靠，使得在柱塞42按压模拟芯块3的过程中，托盘421不会沿着包壳管
2的内部发生滑动。使得第一载荷单元4所施加的推力全部作用于模拟芯块3上，研究结果更加的准确。

[0046] 需要补充说明的是，如图1所示，由于包壳管2与第二载荷单元5直接相连，而在托盘421远离模拟芯块3的一侧固定支撑柱422，支撑柱422的端部要与基座11抵靠，为了支撑柱422与基座11抵靠牢固，需在第二载荷单元5内部设置避让腔体，支撑柱422的一端与模拟芯块3相连，另一端通过第二载荷单元5的避让腔体直接与基座11抵靠，使得托盘421更加的稳固。

[0047] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。