[发明专利]一种燃料棒裂变产物释放模拟装置及其使用方法

权利要求书

1.一种燃料棒裂变产物释放模拟装置，其特征在于，该模拟装置包括加热炉（1）、坩埚（2）和燃料棒模拟体（3）；

其中，所述燃料棒模拟体（3）用于模拟原型燃料元件的包壳与芯块；

所述坩埚（2）用于支撑燃料棒模拟体（3），同时提供气体循环流道，在燃料棒模拟体（3）熔化时能够包容液态熔融物，防止熔融物损伤加热炉（1）；

所述加热炉（1）用于对燃料棒模拟体（3）加热；

所述加热炉（1）由加热炉体（1-4）和加热炉盖（1-2）构成；

所述加热炉体（1-4）内侧壁布置有加热器（1-5），所述加热炉盖（1-2）顶部设置有加热器接口（1-1）；

所述加热器（1-5）采用石墨加热器，所述加热器接口（1-1）用于连接激光加热器；

所述坩埚（2）侧壁面不同高度布置有气体循环流道。

2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述加热炉盖（1-2）与加热炉体（1-4）顶部密封连接，所述加热炉盖（1-2）顶部设置有加热器接口（1-1），所述加热炉体（1-4）底部设置有气体入口（1-6），所述加热炉体（1-4）侧壁面不同高度布置有气体采样接口（1-3）。

3.根据权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，所述加热炉体（1-4）外壁为由硬毡、软毡共同组成的复合保温层。

4.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述燃料棒模拟体（3）由模拟包壳和模拟芯块（3-4）构成；

所述模拟包壳由包壳管（3-3）、顶部端盖（3-2）和底部端盖构成（3-6）；

所述包壳管（3-3）顶端与顶部端盖（3-2）密封连接；所述包壳管（3-3）底端与底部端盖（3-6）密封连接，以实现模拟包壳内部空间的密封，从而构建模拟芯块与模拟包壳间的气隙；

所述顶部端盖（3-2）的盖体至少部分设置为用于顶部加热激光通过的视窗；

所述模拟芯块（3-4）承托于模拟包壳底部。

5.根据权利要求4所述的模拟装置，其特征在于，所述顶部端盖（3-2）采用氧化锆材料；

所述包壳管（3-3）材料与原型燃料元件包壳材料一致，所述包壳管材料采用Zr-4锆合金、ZIRLO锆合金、M5锆合金或N36锆合金；

所述底部端盖（3-6）采用烧结UO₂，用于模拟底部芯块对上部芯块的承托作用，同时包容高温模拟芯块。

6.根据权利要求4所述的模拟装置，其特征在于，所述模拟芯块（3-4）采用裂变产物元素单质与UO₂烧结而成；

所述模拟芯体（3-4）顶部设置有同心槽，用以增加激光加热功率，同时保证加热功率的均匀分布。

7.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，

所述坩埚（2）采用氧化锆材料。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的模拟装置的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

实验前：模拟芯块（3-4）的制备以及模拟装置的装配；

进行实验：通过外部气体循环系统通过加热炉体（1-4）缓底部的气体入口（1-6）构建炉内气氛；之后慢提高石墨加热器（1-5）的加热功率，使燃料棒模拟体（3）按照预定工况升温；当炉体内温度达到1700℃以后，启动顶部激光加热器对模拟芯块（3-4）进行直接加热；随着模拟芯块（3-4）的温度上升，模拟包壳逐渐融化，当达到模拟芯块（3-4）熔点后，模拟芯块（3-4）融化；在融化过程中，高温条件下裂变产物、模拟芯块（3-4）和模拟包壳之间不断相互作用，裂变产物逐渐释放，并随着循环气体经气体采样接口（1-3）进入在线分析仪，即可实时获得不同种类裂变产物分布。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述模拟芯块（3-4）的制备以及模拟装置的装配具体过程包括：

根据研究裂变产物对象，在保护气体氛围中使用高温烧结的方式将各元素单质与UO₂相互结合，以模拟燃料棒中辐照条件下裂变产物在燃料芯块中积累过程；完成烧结后，对烧结而成的芯块模拟体进行测量，以获得模拟芯块中各元素单质的份额；烧结完成后，在芯块顶部加工同心槽，从而获得如权利要求1-8任一项所述的模拟装置中的模拟芯块（3-4）；

在手套箱中，将底部端盖（3-6）密封安装在包壳管（3-3）底端，再将加工完成的模拟芯块（3-4）竖直放置于底部端盖（3-6）上，在包壳管（3-3）顶端密封安装顶部端盖（3-2），完成燃料棒模拟体（3）的装配；

将装配完成的燃料棒模拟体（3）竖直放置于坩埚（2）的中心，然后将坩埚（2）以及燃料棒模拟体（3）整体竖直放置于加热炉（1）内。