一種測量材料在反應(yīng)堆內(nèi)釋熱率的技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測量材料在反應(yīng)堆內(nèi)釋熱率的技術(shù)。采用熱量補(bǔ)償法，基于溫差相等熱量等效原理來測量材料的釋熱率。該技術(shù)設(shè)計(jì)的量熱計(jì)主要由兩根形狀及材質(zhì)相同的測量橋和對比橋構(gòu)成，樣品材料固定在測量橋上，在對比橋上輸入可控電功率，使得對比橋上測點(diǎn)間產(chǎn)生的溫差與測量橋相對應(yīng)測點(diǎn)間的溫差相等，輸入可控的電功率除以樣品質(zhì)量即為待測樣品的釋熱率。為使得量熱計(jì)可置于靜止冷卻劑中，并提高其安全性，量熱計(jì)設(shè)有加強(qiáng)換熱能力的冷端。為減弱氣體導(dǎo)熱以及輻射換熱對測量結(jié)果的影響，量熱計(jì)采用雙包殼設(shè)計(jì)，兩層包殼間留有間隙，該技術(shù)有效克服材料特性隨環(huán)境參數(shù)變化對測量結(jié)果的影響，減少對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的修正，實(shí)現(xiàn)對材料釋熱率的直接測量。
【專利說明】
一種測量材料在反應(yīng)堆內(nèi)釋熱率的技術(shù)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及反應(yīng)堆用材料輻照裝置，屬于反應(yīng)堆材料輻照技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在反應(yīng)堆中，隨著堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料的增多以及某些輻照裝置中結(jié)構(gòu)材料所占份額增大，結(jié)構(gòu)材料釋熱已經(jīng)是堆內(nèi)熱量的重要來源之一。堆內(nèi)材源的釋熱一方面來源于中子的輸運(yùn)過程在材料中產(chǎn)生的能量沉積，而另一方面，裂變反應(yīng)、(η，γ )反應(yīng)以及核素衰變產(chǎn)生的γ射線和β射線在堆內(nèi)輸運(yùn)時(shí)亦會同材料相互作用而釋放出熱量。確定結(jié)構(gòu)材料的釋熱率對確保反應(yīng)堆安全運(yùn)行以及研究型反應(yīng)堆中的輻照實(shí)驗(yàn)開展具有重要意義。
[0003]堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料的增多會導(dǎo)致反應(yīng)堆內(nèi)釋熱量隨之增加，可能造成堆芯內(nèi)局部溫度偏高，對材料的輻照以及反應(yīng)堆的安全造成影響，研究堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料的釋熱，可以指導(dǎo)合理布置輻照靶件以及降低反應(yīng)堆的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在研究型反應(yīng)堆中，輻照裝置中會設(shè)計(jì)一定的氣隙，并通過改變氣隙寬度以及調(diào)節(jié)氣體成分來實(shí)現(xiàn)對材料內(nèi)部溫度的有效控制，以實(shí)現(xiàn)材料的中高溫輻照實(shí)驗(yàn)。不過由于材料釋熱率相關(guān)數(shù)據(jù)的缺失，氣隙中氣體的物性參數(shù)以及材料的熱膨脹量難以確定。在現(xiàn)有的材料輻照試驗(yàn)中，為保證輻照試驗(yàn)順利實(shí)施，在多數(shù)情況下須開展條件試驗(yàn)以驗(yàn)證輻照裝置在設(shè)計(jì)上的合理性，此時(shí)，輻照試驗(yàn)的成本將無疑增加。因此，知曉材料的釋熱情況可以指導(dǎo)輻照裝置的合理設(shè)計(jì)以及進(jìn)一步保證輻照試驗(yàn)的順利安全實(shí)施，并降低輻照試驗(yàn)成本。另外，特別對小功率燃料元件的輻照考驗(yàn)，由于材料釋熱在總釋熱中所占比例不可忽略，準(zhǔn)確衡量材料的釋熱對確定小功率燃料元件核功率非常關(guān)鍵。總得說來，結(jié)構(gòu)材料的釋熱與堆芯的安全運(yùn)行、輻照試驗(yàn)的順利開展以及確定小功率燃料元件的核功率等密切相關(guān)。
[0004]確定材料的釋熱可以通過模型計(jì)算或者試驗(yàn)測量。模型計(jì)算一般通過MCNP程序完成，該程序基于蒙特卡羅方法，可用于解析反應(yīng)堆中的中子、光子以及中子-光子-電子耦合輸運(yùn)問題，不過該程序中忽略了裂變緩發(fā)光子、核素衰變過程產(chǎn)生的光子以及電子的產(chǎn)生和輸運(yùn)，因此對材料釋熱的計(jì)算具有一定局限性。實(shí)驗(yàn)方法主要依賴于某一測量裝置并多數(shù)通過量熱手段進(jìn)行測量，現(xiàn)有通過量熱手段測量材料釋熱率的主要方法有:裝入活性區(qū)時(shí)樣品絕熱加熱法、階梯絕熱加熱法、靜態(tài)等溫法、實(shí)驗(yàn)測量傳熱系數(shù)法等。不過，在現(xiàn)有的測量技術(shù)中，材料的釋熱率多是通過其他測量參數(shù)換算而得，并且需要復(fù)雜的計(jì)算方法來補(bǔ)償樣品在測量過程中的散熱，因此，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的精準(zhǔn)度較差，并且受實(shí)驗(yàn)環(huán)境影響較大。鑒于此，需要提出一種可以直接測量材料釋熱率的方法，該方法要求測量值即為材料釋熱率，并能夠大幅減少計(jì)算方法對測量結(jié)果的修正過程，且對測量環(huán)境具有一定的抗干擾能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是獲得一種能夠直接測量材料釋熱率的方法，并且設(shè)計(jì)有相應(yīng)的測量裝置以確保材料釋熱率的準(zhǔn)確有效測量。通過相應(yīng)的技術(shù)手段，可以減少通過計(jì)算方法對測量結(jié)果的修正過程，并且使裝置具備一定的抵御測量環(huán)境擾動的能力，實(shí)現(xiàn)對材料釋熱率的直接測量。具體的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明主要提供一種可以直接測量材料釋熱率的方法，該方法基于熱量補(bǔ)償原理，主要原理是通過可控?zé)崃?，以溫差等效來完成對材料釋熱率的測量。即利用兩根形狀及材質(zhì)相同的高導(dǎo)熱性能材料作為測量橋和對比橋，待測樣品材料固定在測量橋上，在對比橋上輸入可控的電功率，使得對比橋上測點(diǎn)間產(chǎn)生的溫差與測量橋相對應(yīng)測點(diǎn)間的溫差相等，輸入可控的電功率除以樣品的質(zhì)量即為待測樣品材料的釋熱率。
[0006]進(jìn)一步地，所述方法利用兩根形狀及材質(zhì)相同的高導(dǎo)熱性能材料作為測量橋和對比橋，待測樣品材料固定在測量橋上，同時(shí)，兩橋上都纏有等量的電加熱絲，固定樣品材料所在測量橋的電加熱絲不通電，對比橋上的電加熱絲通電以使得兩橋在測點(diǎn)間產(chǎn)生的溫差相等，輸入的電功率除以樣品的質(zhì)量即為樣品的釋熱率。
[0007]優(yōu)選地，本申請中所述高導(dǎo)熱性能材料為金屬鋁、鎂等，該類型材料具有低密度、高導(dǎo)熱系數(shù)以及低中子吸收截面等共同特點(diǎn)。
[0008]由于氣體導(dǎo)熱以及輻射換熱會降低直接測量材料釋熱率的精度，在本發(fā)明的方法中還采用了雙層包殼的結(jié)構(gòu)，以提高內(nèi)壁的溫度。所述雙層包殼結(jié)構(gòu)由外包殼和內(nèi)包殼組成，外包殼和內(nèi)包殼間留有間隙;所述測量橋和對比橋置于雙層包殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。這樣可以大幅降低待測樣品通過氣體的導(dǎo)熱量以及向壁面的輻射換熱量，從而減少對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的修正，基本實(shí)現(xiàn)材料釋熱率的直接測量，并提高實(shí)驗(yàn)的測量精度。具體來講，采有單層包殼時(shí)，由于包殼外壁面有冷卻水直接冷卻，整個(gè)包殼的溫度僅略高于冷卻水溫度，而大幅低于樣品表面溫度，此時(shí)，待測樣品釋熱將不可避免通過氣體導(dǎo)熱以及輻射換熱方式向包殼散失，降低了直接測量釋熱率的精度。采用內(nèi)外包殼，并在兩層包殼間留有一定寬度的間隙，該間隙中可以充以氬氣等低導(dǎo)性性能氣體或直接抽成真空。該間隙的存在可以有效提高內(nèi)壁面的溫度，從而減小樣品表面與內(nèi)壁面間的溫差而相應(yīng)降低樣品通過氣體導(dǎo)熱量以及向壁面的輻射換熱量。因此，該雙層包殼結(jié)構(gòu)的加入，可以大幅提高測量橋以及對比橋上釋熱向軸向上的傳遞量，而減少氣體導(dǎo)熱以及輻照換熱對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的修正，基本實(shí)現(xiàn)材料釋熱率的直接測量，并提高實(shí)驗(yàn)的測量精度。
[0009]本申請中所述測量橋和對比橋的一端伸出到雙層包殼結(jié)構(gòu)外，形成冷端。
[0010]優(yōu)選地，本申請所述雙層包殼間隙充有低導(dǎo)性性能氣體或直接抽成真空。
[0011]本申請還提供了實(shí)現(xiàn)上述方法的量熱計(jì)，所述量熱計(jì)包括測量橋、對比橋、熱電偶、電加熱絲、雙層包殼結(jié)構(gòu)、上端蓋、下端蓋以及冷端;所述雙層包殼結(jié)構(gòu)由內(nèi)包殼、外包殼組成;所述測量橋、對比橋、熱電偶以及電加熱絲置于上端蓋、內(nèi)包殼以及下端蓋所圍成的空間內(nèi)；所述測量橋和對比橋并排擺放且其上纏有等量的電加熱絲;在所述測量橋的不同軸向位置上分別裝有熱電偶，相應(yīng)地，在對比橋的相同位置上亦分別各有一支熱電偶，各熱電偶分別置入測量橋和對比橋相應(yīng)位置的徑向中心處;所述測量橋和對比橋的一端伸出到雙層包殼結(jié)構(gòu)外，形成冷端;所述熱電偶以及電加熱絲穿過上端蓋與外部機(jī)構(gòu)連接。
[0012 ]優(yōu)選地，所述量熱計(jì)包括測量橋、對比橋、熱電偶、電加熱絲、內(nèi)包殼、外包殼、連接桿、上端蓋、下端蓋、氣體填充腔、待測樣品、冷端以及熱電偶固定環(huán);所述測量橋、對比橋、熱電偶、電加熱絲以及氣體填充腔置于上端蓋、內(nèi)包殼以及下端蓋所圍成的空間內(nèi)；所述測量橋和對比橋并排擺放且其上纏有等量的電加熱絲;在所述測量橋的不同軸向位置上分別裝有熱電偶，相應(yīng)地，在對比橋的相同位置上亦分別各有一支熱電偶，各熱電偶分別置入測量橋和對比橋相應(yīng)位置的徑向中心處;待測樣品固定在測量橋的頂端，在待測樣品中心所在平面的內(nèi)包殼內(nèi)壁面上還裝有一支熱電偶，該熱電偶通過熱電偶固定環(huán)安裝在內(nèi)包殼的內(nèi)壁面上;測量橋上，所述電加熱絲位于待測樣品與熱電偶布置點(diǎn)之間；所述測量橋和對比橋的一端伸出到雙層包殼結(jié)構(gòu)外，形成冷端;所述熱電偶以及電加熱絲穿過上端蓋直接進(jìn)入連接桿與外部機(jī)構(gòu)連接;所述量熱計(jì)通過連接桿與外部機(jī)構(gòu)相連。
[0013]優(yōu)選地，量熱計(jì)中所述連接桿為空心結(jié)構(gòu)。
[0014]優(yōu)選地，所述量熱計(jì)的氣體填充腔內(nèi)充有惰性氣體。
[0015]優(yōu)選地，所述待測樣品表面做拋光處理。
[0016]在實(shí)際應(yīng)用中，所述量熱計(jì)的測量橋與對比橋置入堆內(nèi)時(shí)并排指向堆芯軸向。
[0017]本申請所述量熱計(jì)置入反應(yīng)堆時(shí)，測量橋、對比橋、待測樣品以及電加熱絲會與堆中的中子等粒子以及伽馬等射線發(fā)生相互作用而釋熱，釋熱沿測量橋或?qū)Ρ葮蛲ㄟ^冷端導(dǎo)出量熱計(jì)。在測量橋上，電加熱絲不通電，此時(shí)無電功率輸入，樣品、電加熱絲以及測量橋上的鋁材產(chǎn)生的釋熱沿測量橋軸向傳遞到冷端而釋放到量熱計(jì)外部，并同時(shí)在布置熱電偶的兩個(gè)測點(diǎn)之間產(chǎn)生一定的溫差;而在對比橋上，電加熱絲通有電流而有電功率輸入，輸入的電功率、電加熱絲在堆內(nèi)的本身釋熱以及對比橋上鋁材的釋熱共同沿對比橋的軸向通過冷端傳遞到量熱計(jì)外部，并亦同時(shí)在布置熱電偶的兩個(gè)測點(diǎn)之間產(chǎn)生溫差。監(jiān)測并調(diào)節(jié)對比橋上輸入的電流以及電加熱絲兩端的電壓，直到對比橋上兩個(gè)測點(diǎn)間熱電偶所測得的溫差與測量橋上基本相等。由于測量橋與對比橋材質(zhì)與形狀完全相同，并且置入的電加熱絲亦相同，因此，根據(jù)熱流量相同而溫差等效的原理，可以認(rèn)為輸入的電功率除以樣品的質(zhì)量即為所測樣品的釋熱率。
[0018]本申請中提到的量熱計(jì)采用熱量補(bǔ)償法，該設(shè)計(jì)的好處在于可以克服鋁材特性隨環(huán)境變化所帶來對測量結(jié)果的影響。通過控制對比橋與測量橋上兩支熱電偶之間的溫差近似，可以保證對比橋上輸入的電功率與測量橋上樣品的釋熱接近。因此，在兩支熱電偶測點(diǎn)之間，測量橋以及對比橋上的溫度分布情況基本相同。由于鋁材的導(dǎo)熱等性能受溫度等因素的影響，利用等效熱量補(bǔ)償法可以使得對比橋上鋁材的特性幾乎接近測量橋。在量熱計(jì)入堆測量材料的釋熱率時(shí)，測量橋與對比橋并排并同時(shí)指向堆芯軸線，因此，從熱工以及核物理角度來看，對比橋和測量橋都能夠?qū)Νh(huán)境同幅度響應(yīng)，從而保證對比橋上輸入的電功率能夠準(zhǔn)確反映所測量樣品的釋熱情況。
[0019]本申請中量熱計(jì)的冷端設(shè)計(jì)可以使得量熱計(jì)可以同時(shí)適用于壓力管輻照孔道和壓力殼輻照孔道。在研究型反應(yīng)堆中，壓力管輻照孔道對應(yīng)為靜止?fàn)顟B(tài)下的冷卻水，而壓力殼輻照孔道中冷卻劑流速與堆芯流速一致。針對壓力管輻照孔道，在靜水條件下，量熱計(jì)中的釋熱主要以導(dǎo)熱和自然對流方式傳遞至裝置外，此時(shí)對傳熱要求較高；而針對壓力殼輻照孔道，由于冷卻劑處于流動狀態(tài)，量熱計(jì)中的釋熱主要以導(dǎo)熱和自然對流方式傳遞至裝置外。在本發(fā)明技術(shù)中，將測量橋和對比橋的另一端加長并置于量熱計(jì)外部以增加量熱計(jì)與外部冷卻劑的換熱面積。在量熱計(jì)中，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的冷端的加入，可以使得測量橋和對比橋所承載的熱量快速導(dǎo)出量熱計(jì)外，降低量熱計(jì)內(nèi)部超溫風(fēng)險(xiǎn)，避免材料高溫蠕變或熔化，提高量熱計(jì)入堆測量的安全性。因此，本發(fā)明中的量熱計(jì)即使應(yīng)用于壓力管輻照孔道亦能夠保證裝置在測量材料釋熱率時(shí)的安全性。
[0020]優(yōu)選地，在該發(fā)明的量熱計(jì)中至少置有5支熱電偶，測量橋和對比橋上分別置入兩支，以監(jiān)測熱量的軸向傳遞情況，而第五支熱電偶安裝在樣品中心所在平面的包殼內(nèi)壁面上，該熱電偶通過固定環(huán)安裝在內(nèi)壁面上，主要用于評估樣品釋熱在徑向上通過氣體導(dǎo)熱以及輻射換熱所傳遞的熱流量。樣品釋熱通過氣體的導(dǎo)熱量以及輻射換熱量很難直接測量，一般是利用相應(yīng)的計(jì)算方法來補(bǔ)償這一部分熱量，但由于計(jì)算模型的復(fù)雜性以及與實(shí)際情況之間存在差異，通過計(jì)算方法來補(bǔ)償測量值是降低釋熱率測量結(jié)果精度的重要影響因素。為了降低氣體導(dǎo)熱以及輻照換熱對測量結(jié)果的影響，可以在量熱計(jì)的氣體填充腔中充入氬氣等惰性氣體以增強(qiáng)隔熱效果，并對待測樣品表面做拋光處理以減小材料發(fā)射率而降低輻射換熱量。
[0021]有益效果:本申請采用熱量補(bǔ)償法，依據(jù)熱量相等溫差等效的原理設(shè)計(jì)量熱計(jì)。利用樣品釋熱在測量橋上產(chǎn)生一定量的溫差，同時(shí)，在對比橋上外在加載一定量的電功率，以使得對比橋上的溫差與測量橋上一致，從而所輸入的電功率理論上等效于樣品的釋熱。由于在測量橋和對比橋上具有相同的溫度分布，并且測量橋與對比橋置入堆內(nèi)時(shí)并排指向堆芯軸向，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)有波動時(shí)，兩橋上的核物理以及傳熱過程同幅變化，可以有效保證輸入的電功率基本接近樣品的釋熱。同時(shí)，考慮到熱量的快速導(dǎo)出以及防止裝置超溫，在量熱計(jì)中加入冷端，以使得量熱計(jì)可以有效應(yīng)用于靜止冷卻劑中。由于氣體導(dǎo)熱以及輻射換熱會降低直接測量材料釋熱率的精度，在本發(fā)明的技術(shù)中采用了雙層保殼的結(jié)構(gòu)，以提高內(nèi)壁的溫度;有益效果具體表現(xiàn)在:
1)本申請采用的熱量補(bǔ)償法，可以使得對比橋與測量橋都能夠?qū)Νh(huán)境同幅度響應(yīng)，從而有效克服鋁材特性隨環(huán)境參數(shù)變化對測量結(jié)果的影響；
2)本申請中冷端的加入，可以使得量熱計(jì)應(yīng)用于靜止冷卻劑中，并降低量熱計(jì)內(nèi)部超溫風(fēng)險(xiǎn)，避免材料高溫蠕變或熔化，提高量熱計(jì)入堆測量的安全性；
3)本申請?zhí)岬降碾p包殼技術(shù)，可以大幅降低樣品通過氣體的導(dǎo)熱量以及向壁面的輻射換熱量，從而減少對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的修正，基本實(shí)現(xiàn)材料釋熱率的直接測量，并提高實(shí)驗(yàn)的測量精度。
【附圖說明】
[0022I圖1量熱計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖中:1.測量橋;2.對比橋;3.測量橋電加熱絲;4.樣品；5.內(nèi)包殼;6.間隙層;7.夕卜包殼;8.熱電偶;9.連接桿；10.上端蓋；11.填充氣體；12.熱電偶固定環(huán)；13.對比橋補(bǔ)償電加熱絲；14.下端蓋;15.冷端。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清晰、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0025]本發(fā)明主要提供一種可以直接測量材料釋熱率的技術(shù)，該技術(shù)主要依據(jù)熱量補(bǔ)償法。主要原理是通過可控?zé)崃?，以溫差等效來完成對材料釋熱率的測量。依據(jù)該方法設(shè)計(jì)的量熱計(jì)主要由測量橋1、對比橋2、冷端15、電加熱絲3或13、熱電偶8、雙層殼體結(jié)構(gòu)以及上下端蓋10和14等組成，其中，電加熱絲3或13以及熱電偶8由上端蓋引出至反應(yīng)堆外，與監(jiān)測及控制儀器相連。
[0026]該發(fā)明中的量熱計(jì)的基本結(jié)構(gòu)由兩根鋁棒構(gòu)成，兩根鋁棒的形狀及材質(zhì)完全相同，其中一根鋁棒作為測量橋I，另一根鋁棒作為對比橋2。兩支熱電偶分別安裝在測量橋I的不同軸向位置上，相應(yīng)地，在對比橋2的相同位置上亦分別各有一支熱電偶，各熱電偶分別置入測量橋I和對比橋2相應(yīng)位置的徑向中心處。樣品4固定在測量橋I的頂端，同時(shí)，在測量橋I上，位于樣品4以及熱電偶布置點(diǎn)之間纏有一定量的電加熱絲3，對應(yīng)地，在對比橋2的相同位置上亦纏有相同量的電加熱絲13。
[0027]本申請?zhí)峁┑牧繜嵊?jì)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看出，所述量熱計(jì)包括測量橋1、對比橋2、熱電偶8、測量橋電加熱絲3、對比橋補(bǔ)償電加熱絲13、待測樣品4、內(nèi)包殼5、外包殼7、連接桿9、上端蓋10、下端蓋14、氣體填充腔11、冷端15以及熱電偶固定環(huán)12和間隙層6;所述測量橋1、對比橋2、熱電偶8、電加熱絲3或13以及氣體填充腔11置于上端蓋10、內(nèi)包殼5以及下端蓋14所圍成的空間內(nèi)；所述測量橋I和對比橋2并排擺放且其上纏有等量的電加熱絲3或13;在所述測量橋I的不同軸向位置上分別裝有熱電偶8，相應(yīng)地，在對比橋2的相同位置上亦分別各有一支熱電偶8，各熱電偶8分別置入測量橋I和對比橋2相應(yīng)位置的徑向中心處;待測樣品4固定在測量橋I的頂端，在待測樣品4中心所在平面的內(nèi)包殼5內(nèi)壁面上還裝有一支熱電偶8，該熱電偶8通過熱電偶固定環(huán)12安裝在內(nèi)包殼5的內(nèi)壁面上;測量橋I上，所述測量橋電加熱絲3位于待測樣品4與熱電偶8布置點(diǎn)之間；所述測量橋I和對比橋2的一端伸出到雙層包殼結(jié)構(gòu)外，形成冷端15;所述熱電偶8以及電加熱絲3或13穿過上端蓋10直接或進(jìn)入連接桿9與外部機(jī)構(gòu)(如監(jiān)測及控制儀器等)連接;所述量熱計(jì)通過連接桿9與外部機(jī)構(gòu)相連。
[0028]本發(fā)明中量熱計(jì)置入反應(yīng)堆時(shí)，測量橋1、對比橋2、待測樣品4以及電加熱絲3或13會與堆中的中子等粒子以及伽馬等射線發(fā)生相互作用而釋熱，釋熱沿測量橋I或?qū)Ρ葮?通過冷端15導(dǎo)出量熱計(jì)。在測量橋I上，測量橋電加熱絲3不通電，此時(shí)無電功率輸入，待測樣品4、測量橋電加熱絲3以及測量橋I上的鋁材產(chǎn)生的釋熱沿測量橋I軸向傳遞到冷端15而釋放到量熱計(jì)外部，并同時(shí)在布置熱電偶8的兩個(gè)測點(diǎn)之間產(chǎn)生一定的溫差;而在對比橋2上，對比橋補(bǔ)償電加熱絲13通有電流而有電功率輸入，輸入的電功率、對比橋補(bǔ)償電加熱絲13在堆內(nèi)的本身釋熱以及對比橋2上鋁材的釋熱共同沿對比橋2的軸向通過冷端15傳遞到量熱計(jì)外部，并亦同時(shí)在布置熱電偶8的兩個(gè)測點(diǎn)之間產(chǎn)生溫差。監(jiān)測并調(diào)節(jié)對比橋2上輸入的電流以及對比橋補(bǔ)償電加熱絲13兩端的電壓，直到對比橋2上兩個(gè)測點(diǎn)間熱電偶8所測得的溫差與測量橋I上基本相等。由于測量橋I與對比橋2材質(zhì)與形狀完全相同，并且置入的電加熱絲亦相同，因此，根據(jù)熱流量相同而溫差等效的原理，可以認(rèn)為輸入的電功率除以樣品的質(zhì)量即為所測樣品的釋熱率。
[0029]本發(fā)明工作原理為:利用與測量橋I形狀及材質(zhì)完全相同的對比橋2上的補(bǔ)償電加熱絲13產(chǎn)生的電功率等效測量橋I上樣品的釋熱。為了降低氣體導(dǎo)熱以及輻照換熱對測量結(jié)果的影響，在量熱計(jì)的空腔中中充入氬氣等惰性氣體11以增強(qiáng)隔熱效果，并對樣品4表面做拋光處理以減小材料發(fā)射率而降低輻射換熱量。同時(shí)，量熱計(jì)還設(shè)計(jì)有內(nèi)包5以及外包殼7，并在兩層包殼間留有一定的間隙層6，通過在該間隙6中充以氬氣等低導(dǎo)性性能氣體或調(diào)節(jié)真空度來進(jìn)一步減小樣品通過氣體的導(dǎo)熱以及向壁面的輻射換熱量。同時(shí)，為進(jìn)一步監(jiān)測導(dǎo)熱和輻射換熱量，在對應(yīng)樣品軸向中心位置處通過熱電偶固定環(huán)12在內(nèi)包殼內(nèi)壁面上安裝一支熱電偶8。量熱計(jì)中的測量橋1、對比橋2、熱電偶8以及電加熱絲3及13等核心部件置于上端蓋10、內(nèi)包殼5以及下端蓋14所圍成的空間內(nèi)。量熱計(jì)通過空心的連接桿9與高度調(diào)節(jié)等機(jī)構(gòu)相連，量熱計(jì)中的熱電偶8以及電加熱絲3及13穿過上端蓋10進(jìn)入連接桿9與堆外測量控制系統(tǒng)相連。電功率與材料的釋熱等效通過測量橋I以及對比橋2上兩支熱電偶8來監(jiān)測?？紤]到電加熱絲本身在堆內(nèi)的釋熱，在測量橋I相同位置上亦纏有等量的電加絲熱
3。量熱計(jì)置入反應(yīng)堆后，在測量橋I上，電加熱絲3不通電而不會有電功率輸入，樣品4的釋熱、電加熱絲3本身的釋熱以及測量橋I上鋁材的釋熱沿測量橋軸向傳遞到冷端15而釋放到裝置外，并同時(shí)在兩支熱電偶位置間產(chǎn)生一定量的溫差。在對比橋2上，補(bǔ)償電加熱絲13通以電熱，并且要求輸入的電功率可調(diào)，調(diào)節(jié)輸入的電功率，使得對比橋2上兩支熱電偶位置間產(chǎn)生的溫差與測量橋I上相等，此時(shí)，由于樣品在徑向上的散熱很小，該等效溫差是由軸向上等量的熱流量引起，由于兩橋上來源于電加熱絲以及橋材料本身的釋熱相等，對比橋上輸入的電功率即近似為樣品的釋熱。
[0030]本申請采用熱量補(bǔ)償法，可以使得對比橋與測量橋都能夠?qū)Νh(huán)境同幅度響應(yīng)，從而有效克服鋁材特性隨環(huán)境參數(shù)變化對測量結(jié)果的影響;通過冷端的加入，可以使得量熱計(jì)應(yīng)用于靜止冷卻劑中，并降低量熱計(jì)內(nèi)部超溫風(fēng)險(xiǎn)，避免材料高溫蠕變或熔化，提高量熱計(jì)入堆測量的安全性;通過雙包殼技術(shù)，可以大幅降低樣品通過氣體的導(dǎo)熱量以及向壁面的輻射換熱量，從而減少對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的修正，基本實(shí)現(xiàn)材料釋熱率的直接測量，并提高實(shí)驗(yàn)的測量精度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種測量材料在反應(yīng)堆中釋熱率的方法，其特征在于，所述方法基于熱量補(bǔ)償原理，利用兩根形狀及材質(zhì)相同的高導(dǎo)熱性能材料作為測量橋和對比橋，待測樣品材料固定在測量橋上，在對比橋上輸入可控的電功率，使得對比橋上測點(diǎn)間產(chǎn)生的溫差與測量橋相對應(yīng)測點(diǎn)間的溫差相等，輸入可控的電功率除以樣品的質(zhì)量即為待測樣品的釋熱率。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量材料在反應(yīng)堆中釋熱率的方法，其特征在于，所述方法利用兩根形狀及材質(zhì)相同的高導(dǎo)熱性能材料作為測量橋和對比橋，待測樣品材料固定在測量橋上，同時(shí)，兩橋上都纏有等量的電加熱絲，固定樣品所在測量橋的電加熱絲不通電，對比橋上的電加熱絲通電以使得兩橋在測點(diǎn)間產(chǎn)生的溫差相等，輸入的電功率除以樣品的質(zhì)量即為樣品的釋熱率。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量材料在反應(yīng)堆中釋熱率的方法，其特征在于，所述高導(dǎo)熱性能材料為具有低密度、高導(dǎo)熱系數(shù)以及低中子吸收截面性能;所述高導(dǎo)熱性材料為鋁或鎂。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量材料在反應(yīng)堆中釋熱率的方法，其特征在于，所述方法還包括一個(gè)雙層包殼結(jié)構(gòu)，由外包殼和內(nèi)包殼組成，夕卜包殼和內(nèi)包殼間留有間隙;所述測量橋和對比橋置于雙層包殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量材料在反應(yīng)堆中釋熱率的方法，其特征在于，所述測量橋和對比橋的一端伸出到雙層包殼結(jié)構(gòu)外，形成冷端。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量材料在反應(yīng)堆中釋熱率的方法，其特征在于，所述雙層包殼間隙充有低導(dǎo)性性能氣體或直接抽成真空。7.實(shí)現(xiàn)上述權(quán)利要求所述測量材料在反應(yīng)堆中釋熱率方法的量熱計(jì)，其特征在于，所述量熱計(jì)包括測量橋、對比橋、熱電偶、電加熱絲、雙層包殼結(jié)構(gòu)、上端蓋、下端蓋以及冷端；所述雙層包殼結(jié)構(gòu)由內(nèi)包殼、外包殼組成;所述測量橋、對比橋、熱電偶以及電加熱絲置于上端蓋、內(nèi)包殼以及下端蓋所圍成的空間內(nèi)；所述測量橋和對比橋并排擺放且其上纏有等量的電加熱絲;在所述測量橋的不同軸向位置上分別裝有熱電偶，相應(yīng)地，在對比橋的相同位置上亦分別各有一支熱電偶，各熱電偶分別置入測量橋和對比橋相應(yīng)位置的徑向中心處;所述測量橋和對比橋的一端伸出到雙層包殼結(jié)構(gòu)外，形成冷端;所述熱電偶以及電加熱絲穿過上端蓋與外部機(jī)構(gòu)連接。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的量熱計(jì)，其特征在于，所述量熱計(jì)包括測量橋、對比橋、熱電偶、電加熱絲、雙層包殼結(jié)構(gòu)、連接桿、上端蓋、下端蓋、氣體填充腔、待測樣品、冷端以及熱電偶固定環(huán);所述雙層包殼結(jié)構(gòu)由內(nèi)包殼、外包殼組成;所述測量橋、對比橋、熱電偶、電加熱絲以及氣體填充腔置于上端蓋、內(nèi)包殼以及下端蓋所圍成的空間內(nèi)；所述測量橋和對比橋并排擺放且其上纏有等量的電加熱絲;在所述測量橋的不同軸向位置上分別裝有熱電偶，相應(yīng)地，在對比橋的相同位置上亦分別各有一支熱電偶，各熱電偶分別置入測量橋和對比橋相應(yīng)位置的徑向中心處;待測樣品固定在測量橋的頂端，在待測樣品中心所在平面的內(nèi)包殼內(nèi)壁面上還裝有一支熱電偶，該熱電偶通過熱電偶固定環(huán)安裝在內(nèi)包殼的內(nèi)壁面上;測量橋上，所述電加熱絲位于待測樣品與熱電偶布置點(diǎn)之間；所述測量橋和對比橋的一端伸出到雙層包殼結(jié)構(gòu)外，形成冷端;所述熱電偶以及電加熱絲穿過上端蓋進(jìn)入連接桿與外部機(jī)構(gòu)連接;所述量熱計(jì)通過連接桿與外部機(jī)構(gòu)相連。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的量熱計(jì)，其特征在于，所述連接桿為空心結(jié)構(gòu)；所述氣體填充腔內(nèi)充有惰性氣體;待測樣品表面做拋光處理。10.權(quán)利要求7-9所述量熱計(jì)的應(yīng)用，其特征在于，所述測量橋與對比橋置入堆內(nèi)時(shí)并排指向堆芯軸向。
【文檔編號】G21C17/112GK105913886SQ201610524388
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年7月6日
【發(fā)明人】斯俊平, 楊文華, 章航洲, 童明炎, 聶良兵, 張亮, 徐斌
【申請人】中國核動力研究設(shè)計(jì)院