複合材料加熱塊和臨界熱流密度測量或評估裝置的製作方法

2023-10-08 05:42:39 1

專利名稱:複合材料加熱塊和臨界熱流密度測量或評估裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種複合材料加熱塊，其可在核能工程、熱能工程和工程熱物理等領域中用於臨界熱流密度(CHF)的精確測量或評估，尤其是用於熱導率較低的材料的壁面CHF的精確測量或評估。本實用新型還涉及包括該複合材料加熱塊的臨界熱流密度測量或評估裝置。
背景技術：
在核電站設計中，核安全是需考慮的首要問題。尤其是1979年美國三哩島核電廠事故、1986年前蘇聯車諾比核電廠事故和2011年日本福島核電廠事故發生後，嚴重事故的預防和緩解成為核電站設計必須考慮的因素。嚴重事故通常指的是堆芯熔化事故。如 何降低這種嚴重事故的發生頻率，緩解嚴重事故的後果，提高核電站的安全水平，已成為各國核工業界和核安全監管當局關注的重點之一。
核電站發生嚴重事故時，堆芯由於失去冷卻水將導致堆芯裸露並開始升溫、過熱，燃料元件由於冷卻不足而發生熔化，最終堆芯熔融物落入壓力容器下腔室，對壓力容器的完整性構成威脅。一旦壓力容器熔穿，熔融物流入堆腔室後，將可能發生堆外蒸汽爆炸、熔融物與混凝土反應等現象，致使安全殼內升溫升壓，對安全殼的完整性構成威脅。因此，如何對熔融物進行有效的冷卻是嚴重事故緩解的關鍵。
為此，通過從壓力容器外部對熔融物進行充分有效的冷卻，將堆芯熔融物滯留在壓力容器內的技術手段是保證壓力容器完整性，進而防止多數可能威脅安全殼完整性的堆外現象發生的重要措施。作為緩解該嚴重事故的關鍵措施之一，熔融物堆內滯留(IVR)技術近年來在核工業界獲得了實際應用，也逐步成為近年來標誌性的嚴重事故緩解措施之一。
IVR是通過用水或者水溶液冷卻壓力容器外壁面而實現的。其中，壓力容器外部冷卻(ERVC)是實現IVR的重要內容之一。其原理是，利用重力引起的自然循環將水或水溶液等冷卻工質注入到壓力容器外壁面和壓力容器保溫層形成的流道，對壓力容器下封頭進行冷卻。當壓力容器下封頭的熱流密度小於壓力容器外壁面對應位置的臨界熱流密度(CHF)時，就可保證壓力容器得到充分冷卻，達到保證壓力容器完整性的目的。
合適的ERVC方案設計，能夠確保壓力容器外壁面得到足夠的冷卻，以保證容器內熔融物熱負荷以合理可靠的方式排出，防止壓力容器發生熱熔穿。可以說，壓力容器外壁面的CHF大小決定了 ERVC的冷卻能力限值，同時也決定了 IVR的有效性，是IVR成功的關鍵之一 O
但是，實際獲得嚴重事故時壓力容器外壁面的CHF是不可能的，因此必須引入模擬試驗。為了設計合適的ERVC方案或研發合適的IVR技術，很多研究者不得不為此搭建試驗臺架，以試圖模擬嚴重事故時壓力容器外壁面的真實冷卻工況，並測量或評估壓力容器外壁面不同角度位置處的表面CHF，以試圖獲得嚴重事故時壓力容器外壁面的真實表面CHF數據。
這類試驗臺架主要有兩類。一類是二維切片全高度試驗，其特點是全尺寸模擬決定自然循環能力的反應堆設計和堆腔淹沒工況的高度，典型代表是服務於西屋AP600及APlOOO的美國加州大學聖巴巴拉分校的ULPU系列試驗臺架。另一類是三維縮比試驗，其特點是通過比例分析，對整個壓力容器進行三維縮比，典型代表是服務於韓國APR1400的美國賓夕法尼亞州立大學的SBLB試驗臺架。
這類試驗臺架的基本原理如圖I所示。在圖I中，I代表加熱塊(相應於壓力容器下封頭)，該加熱塊I的外壁面與側壁板2 —起限定了冷卻工質3(比如水)的流動通道，4是用於加熱加熱塊的電加熱棒，5是熱電偶或熱電阻，其頂端從加熱塊塊體一側接近加熱塊I的外壁面(即與冷卻工質3接觸的一側表面，以下有時稱為加熱壁面)。根據該圖I,加熱塊I被電加熱棒4加熱(以模擬掉落的堆芯熔融物所產生的熱量)，熱量被傳導至加熱塊I的外壁面，並不斷被冷卻工質3帶走，而熱電偶或熱電阻5則用於測量或評估加熱塊I外壁面此時的溫度或熱流密度。通過改變電加熱棒4的數量或輸出功率等，使傳導至加熱塊I外壁面的熱流密度不斷增加。當該熱流密度增加到足夠高時，加熱塊I外壁面的冷卻工質3全部汽化，導致該外壁面與水之間被氣膜阻隔。由於氣膜導熱很差，因此該外壁面的溫度突然上升，此時測得的熱流密度即判定為CHF。當外壁面的熱流密度達到CHF (或者稱為沸騰危 機)時，冷卻工質3就失去了對該外壁面進行有效冷卻的功能，此時應立即切斷加熱棒電源，否則加熱塊I內部不斷蓄積的熱量無法有效散失而溫度升高較多，後果是，電加熱棒4過熱燒毀，試驗無法繼續進行。在實際反應堆的IVR過程中，如果壓力容器下封頭內熔池向壁面傳遞的熱流密度大於壓力容器外壁面對應位置的CHF，壓力容器可能發生熱熔穿。
在現有建成的試驗臺架中，加熱塊I是用一整塊的紫銅(比如前述的ULPU系列試驗臺架)或者鋁(比如前述的SBLB試驗臺架)製作的，因此加熱壁面是紫銅或者鋁，測得的是銅或者鋁加熱壁面的CHF值。但已知的是，實際的反應堆壓力容器都是用低合金鋼製作的，加熱壁面為低合金鋼材料。

發明內容
本實用新型的發明人通過研究發現，加熱壁面或加熱壁的材料種類和表面特性等對CHF的測量或評估有顯著影響，當冷卻工質為化學溶液，例如磷酸三鈉溶液或硼酸溶液時，上述效應會更加明顯。據此可以判斷，採用紫銅或者鋁加熱塊測得的紫銅或鋁加熱壁面的CHF值並不能真實地反映比如低合金鋼製加熱壁的CHF值。因此，對於實際的反應堆壓力容器而言，現有建成的試驗臺架所測得的CHF值數據均無法反映真實情況的CHF值，存在改進的必要。
鑑於此，為了滿足當今對ERVC方案或IVR技術越來越嚴格的審查和評價要求，迫切地需要開發一種可以精確地測量或評估實際冷卻工況下，鋼製壓力容器下封頭外壁面不同位置處的真實CHF值的技術。另外，在其他的一些領域，如熱能工程、工程熱物理領域等，有時也希望利用加熱塊來測量或評估由各種材料製成的容器外壁面的(表面)CHF值。
但是，在直接使用低合金鋼來製造加熱塊時，在測量或評估中要求熱流密度較高(比如2MW/m2以上，據估算在大功率反應堆中掉落的堆芯熔融物即可產生如此高的熱流密度，而加熱壁面的CHF值要高於這一數值才能保證壓力容器下封頭不被熔穿)的情況下，由於低合金鋼的熱導率較低(約40 ff/(m · K))，而加熱壁面的熱流密度很大，往往會導致低合金鋼加熱塊內部溫度過高，結果會造成電加熱棒、與加熱塊接觸的密封材料等燒毀，最終測量或評估或模擬無法進行。另一方面，在直接使用低合金鋼製造加熱塊時，由於低合金鋼熱導率較低，為了保證加熱塊內部的溫度不至於過高而燒毀電加熱棒，低合金鋼加熱壁面的最大熱流密度通常只能達到約I. OMW/m2，而據估算大功率反應堆中壓力容器下封頭內的熱流密度可高達I. 6MW/m2，壓力容器下封頭外表面的CHF可達2. OWM/m2以上。因此用低合金鋼製造加熱塊無法測得高熱流密度條件下的CHF值。
因此，現有技術的現狀是，在測量加熱壁面的CHF時，目前還沒有一種以低合金鋼做為加熱壁，加熱壁面熱流密度能夠長時間地或常時保持較高的數值(比如大於2MW/m2以上)而不產生電加熱棒燒毀等故障，且加熱壁面熱流分布控制方便的加熱塊。實際上，不僅是低合金鋼，在模擬或測量或評估由熱導率較低的材料構成的加熱壁面的CHF值時，都存在這一需要解決的技術課題。
本實用新型的發明人在現有技術的基礎上經過刻苦的研究發現，通過使用一種特定的製造方法來製造加熱塊，就可以解決前述問題，並由此完成了本實用新型。
根據本實用新型，涉及如下方面的內容。
一種複合材料加熱塊，其特徵是，包括經由複合界面結合的由第一金屬材料塊A構成的層A和由第二金屬材料塊B構成的層B,其中第一金屬材料塊A的熱導率大於200W/(m · K)，第二金屬材料塊B的熱導率小於IOOW/(m · K)，所述第一金屬材料塊A具有規定了該第一金屬材料塊A的厚度Hl的第一主表面和第二主表面，所述第二金屬材料塊B具有規定了該第二金屬材料塊B的厚度H2的第三主表面和第四主表面，所述第一主表面和所述第二主表面中的一方與所述第三主表面和所述第四主表面中的一方被利用爆炸焊接法冶金結合為一體，由此獲得的金屬複合材料塊具有由所述第一金屬材料塊A與所述第二金屬材料塊B形成的複合界面，其中，具有按照以下方式(I)和/或(Γ )與方式(2)和/或(2』 )的組合鑽取的至少一個孔A和至少一個孔B，其中所述孔A與所述孔B彼此完全獨立，所述孔A的直徑大於所述孔B的直徑，並且所述孔A僅位於所述第一金屬材料塊A中，
(I)沿著與所述複合界面平行的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽取的至少一個孔A，
(Γ )沿著與所述複合界面成夾角Θ的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽取的至少一個孔A，其中0° < Θ <90°，並且所述孔A的深度不及所述複合界面；
(2)沿著與所述複合界面平行的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體和/或所述第二金屬材料塊B的塊體中鑽取的至少一個孔B，
(2』)沿著與所述複合界面成夾角Θ』的方向，僅從所述第一金屬材料塊A—側開始，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽取的至少一個孔B，其中0° < Θ 』 < 90°，所述孔B為盲孔，並且所述孔B的深度選自i)不及所述複合界面；ii)到達所述複合界面；和/或iii)穿越所述複合界面並進入所述第二金屬材料塊B的塊體中。
前述任一方面的複合材料加熱塊，其特徵是，所述第一金屬材料塊A由銅、鋁、銀、金、銅合金、招合金、銀合金和金合金中的任意一種製成，所述第二金屬材料塊B由鐵、鐵合金、鈦、鈦合金、錯、錯合金、鎳、鎳合金和鑰合金中的任意一種製成。
前述任一方面的複合材料加熱塊，其特徵是，所述第一金屬材料塊A由銅製成，所述第二金屬材料塊B由選自低合金鋼的鐵合金製成。
前述任一方面的複合材料加熱塊，其特徵是，所述層A的厚度與所述層B的厚度之比為8 50: I。
前述任一方面的複合材料加熱塊，其特徵是，所述孔A的直徑為8 30mm。
前述任一方面的複合材料加熱塊,其特徵是,所述孔B的直徑為O. 5mnT5. 0mm。
前述任一方面的複合材料加熱塊，其特徵是，所述層A的厚度與所述層B的厚度之和為40 150mm。
前述任一方面的複合材料加熱塊，其特徵是，所述金屬複合材料塊是經過機加工的金屬複合材料塊，所述機加工選自切 割加工和壓機成型的至少一種。
前述任一方面的複合材料加熱塊，其特徵是，該複合材料加熱塊加熱壁面的面積為 O. 015 5m2。
一種臨界熱流密度測量或評估裝置，其特徵是，包括前述任一方面的複合材料加熱塊、容納在所述孔A中的電加熱棒、容納在所述孔B中的熱電偶或熱電阻和流通冷卻工質的流道，其中所述流道以所述第三表面和所述第四表面中的另一方作為加熱壁面的至少一部分(與冷卻工質直接接觸)。
前述任一方面的臨界熱流密度測量或評估裝置，其特徵是，該臨界熱流密度測量或評估裝置是核電站熔融物堆內滯留中ERVC壓力容器下封頭外壁臨界熱流密度測量試驗臺架。
前述任一方面的臨界熱流密度測量或評估裝置，其特徵是，第二金屬材料塊B為核反應堆壓力容器鋼，並且所述加熱壁面的熱流密度可以達到2. OMW/m2以上。
前述任一方面的臨界熱流密度測量或評估裝置，其中第二金屬材料塊B為核反應堆壓力容器鋼，並且所述加熱壁面常時保持熱流密度為2. OMW/m2以上。
前述任一方面的複合材料加熱塊或臨界熱流密度測量或評估裝置，其中第二金屬材料塊B為核反應堆壓力容器鋼，並且所述加熱塊的加熱壁面常時保持熱流密度為2. OMW/m2以上。
技術效果
根據本實用新型，消除了直接使用低合金鋼等熱導率較低的材料來製造加熱塊時存在的前述問題，而且加熱壁面熱流密度控制準確方便，因此可以以簡便而有效的方式獲得由熱導率較低的材料製成的加熱壁面在真實冷卻工況下的實際CHF值。
根據本實用新型，可以以簡單而低廉的方法製造出熱流密度耐受力高(比如2MW/Hi2以上，或者高達2. 4MW/m2)、界面接觸熱阻小、界面熱應力小、加熱壁面積大、可靠性高、且使用和維護方便的複合材料加熱塊。該複合材料加熱塊特別適合用於精確地測量或評估或模擬由熱導率較低的材料構成的加熱壁面在真實冷卻工況下的實際CHF。
根據本實用新型，在使用該複合材料加熱塊(比如以用於真實壓力容器的低合金鋼材料比如SA-508 Gr. 3 Cl. I鋼作為熱導率相對較低的第二金屬材料，並以其為加熱壁面與冷卻工質接觸)來搭建試驗臺架時，可以真實地再現實際壓力容器外壁面的CHF，由此為研發合適的ERVC方案或IVR技術提供相比現有技術而言更為準確和精確的試驗數據支持，從而為確保核電站的安全性提供了更為可靠的保障，由此極大地提升我國在自主研發核電站方面的實力和能力。

[0039]圖I是加熱壁面CHF測量或評估的原理圖(剖面圖)。
圖2是根據實施例I製造的弧形複合材料加熱塊的示意圖，其中圖2 Ca)是該弧形複合材料加熱塊的立體圖，圖2 (b)是其局部細節放大圖。
圖3是實施例I製造的弧形複合材料加熱塊的第8區的示意圖，圖3 Ca)為第8區加熱塊的側面視圖，圖3 (b)為第8區加熱塊的俯視圖。
圖4是現有技術試驗臺架總體構成的概略圖，其上安裝了本實用新型的複合材料加熱塊。
圖5是實施例I製造的弧形複合材料加熱塊的第8區中，表示加熱塊的功率加載過程、壁面熱流密度以及熱電偶2測得的溫度變化過程的曲線圖。
圖6是根據實施例2製造的半球形複合材料加熱塊的示意圖，其中圖6 Ca)是該 半球形複合材料加熱塊的立體圖，圖6 (b)是其局部細節放大圖。
圖7是根據本實用新型可以製造的管狀複合材料加熱塊的示意圖。
圖8是現有技術涉及的試驗臺架的流道結構示意圖。
圖9是本實用新型涉及的試驗臺架的流道結構示意圖。
具體實施方式
本說明書提到的所有出版物、專利申請、專利和其它參考文獻全都引於此供參考。除非另有定義，本說明書所用的所有技術和科學術語都具有本領域技術人員常規理解的含義。在有衝突的情況下，以本說明書的定義為準。
在本實用新型的上下文中，熱導率相對較高或高熱導率或其類似用語指的是熱導率大於200W/(m ·Κ)，而熱導率相對較低或低熱導率或其類似用語指的是熱導率小於100W/(m ·Κ)，其中該熱導率是通過閃光法測定的。以下給出了一些金屬或合金的熱導率的例子。
熱導率小於100 ff/ (m · K)的材料
金屬名稱I純金屬的熱導率(w/(m· K)) I合金的熱導率(w/(m· K))|備註—
鐵 _80■鋼、碳鋼、低合金鋼<80 "
鈦22~ <22
鋯23~<23
鎳 _91<91一
鉬 ^ 138~39—鉬合金的熱導率有時小於100
鉑72~ <12
鈀72— <72
鎢 _174<174_鎢合金的熱導率有時小於100
鉭58~<58
鈮54~<54
鉻94~<94
鋅 —116~16—鋅合金的熱導率有時小於100
錫67~<67
釕|ll7|<117I釕合金的熱導率有時小於100
熱導率大於200 ff/ (m · K)的材料
金屬名稱I純金屬的熱導率(W/(In · K))I合金的熱導率(W/(In · K))
銅 ^ 400— 8CT400
鋁 _237~ 100^237
金 —317~<317 銀 |429 |<429
在本實用新型的上下文中，術語「塊」、「塊材」或其類似用語指的是至少具有規定了該塊或塊材的厚度(或壁厚)的兩個主要表面(主表面)的成型體，或者是由連續的兩個形狀相同或形狀基本相同的平面或開放曲面限定了其厚度或壁厚的成型體，比如可以舉出板、片、膜、長方體和立方體(在這些情況下，兩個主表面指的是由其長度和寬度限定的上下兩個表面)、以及殼體(包括半球殼、球殼或碗狀體等)、筒體(包括一端封閉的筒)和管材(在這些情況下，兩個主表面分別指的是內壁面和外壁面)等，但並不限於此。顯然的是，該術語不包括顆粒、粉末等無定形體以及纖維等明顯不具有兩個主表面的成型體。
當本說明書以詞頭「本領域技術人員公知」、「現有技術」或其同義詞來導出材料、物質、方法、步驟、裝置或部件等時，該詞頭導出的對象涵蓋本申請提出時本領域常規使用的那些，但也包括目前還不常用，卻將變成本領域公認為適用於類似目的的那些。
在本說明書的上下文中，除了明確說明的內容之外，未提到的任何事宜或事項均直接適用本領域已知的那些，而無需進行任何改變。而且，本文描述的任何實施方式均可以與本文描述的一種或多種其他實施方式自由結合，由此而形成的技術方案或技術思想均視為本實用新型原始公開或原始記載的一部分，而不應被視為是本文未曾披露或預期過的新 內容，除非本領域技術人員認為該結合是明顯不合理的。
最後，在沒有明確指明的情況下，本說明書內所提到的所有百分數、份數和比率等都是以重量為基準的，除非以重量為基準時不符合本領域技術人員的常規認識。
如前所述，本實用新型涉及一種複合材料加熱塊，其特徵是，包括經由複合界面結合的由第一金屬材料塊A構成的層A和由第二金屬材料塊B構成的層B，其中第一金屬材料塊A的熱導率大於200W/ (m · K)，第二金屬材料塊B的熱導率小於IOOW/ (m · K)，所述第一金屬材料塊A具有規定了該第一金屬材料塊A的厚度Hl的第一主表面和第二主表面，所述第二金屬材料塊B具有規定了該第二金屬材料塊B的厚度H2的第三主表面和第四主表面，所述第一主表面和所述第二主表面中的一方與所述第三主表面和所述第四主表面中的一方被利用爆炸焊接法冶金結合為一體，由此獲得的金屬複合材料塊具有由所述第一金屬材料塊A與所述第二金屬材料塊B形成的複合界面，其中，具有按照以下方式(I)和/或(I』 )與方式(2)和/或(2』 )的組合鑽取的至少一個孔A和至少一個孔B，其中所述孔A與所述孔B彼此完全獨立，所述孔A的直徑大於所述孔B的直徑，並且所述孔A僅位於所述第一金屬材料塊A中，
(I)沿著與所述複合界面平行的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽取的至少一個孔A，
(Γ )沿著與所述複合界面成夾角Θ的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽取的至少一個孔A，其中0° < Θ <90°，並且所述孔A的深度不及所述複合界面；
(2)沿著與所述複合界面平行的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體和/或所述第二金屬材料塊B的塊體中鑽取的至少一個孔B，
(2』)沿著與所述複合界面成夾角Θ』的方向，僅從所述第一金屬材料塊A—側開始，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽取的至少一個孔B，其中0° < Θ 』 < 90°，所述孔B為盲孔，並且所述孔B的深度選自i)不及所述複合界面；ii)到達所述複合界面；和/或iii)穿越所述複合界面並進入所述第二金屬材料塊B的塊體中。所述複合材料加熱塊的製造方法包括
準備熱導率大於200W/ (m · K)的第一金屬材料塊A和熱導率小於IOOW/ (m · K)的第二金屬材料塊B的準備步驟，其中所述第一金屬材料塊A具有規定了該第一金屬材料塊A的厚度Hl的第一主表面和第二主表面,所述第二金屬材料塊B具有規定了該第二金屬材料塊B的厚度H2的第三主表面和第四主表面；
將所述第一主表面和所述第二主表面中的一方與所述第三主表面和所述第四主表面中的一方利用爆炸焊接法冶金結合為一體，從而獲得金屬複合材料塊的複合步驟，由此形成所述第一金屬材料塊A與所述第二金屬材料塊B的複合界面；和
按照以下方式(I)和/或(Γ )與方式(2)和/或(2』 )的組合，鑽取至少一個孔A和至少一個孔B的鑽孔步驟，其中所述孔A與所述孔B彼此完全獨立，所述孔A的直徑大於所述孔B的直徑，並且所述孔A僅位於所述第一金屬材料塊A中，
(I)沿著與所述複合界面平行的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽至少一個孔A，
(Γ )沿著與所述複合界面成夾角Θ的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽·至少一個孔A，其中0°< Θ <90°，並且所述孔A的深度不及所述複合界面；
(2)沿著與所述複合界面平行的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體和/或所述第二金屬材料塊B的塊體中鑽至少一個孔B，
(2』)沿著與所述複合界面成夾角Θ』的方向，僅從所述第一金屬材料塊A—側開始，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽至少一個孔B，其中0° < Θ』 <90°，所述孔B為盲孔，並且所述孔B的深度選自i)不及所述複合界面；ii)到達所述複合界面；和/或iii)穿越所述複合界面並進入所述第二金屬材料塊B的塊體中。
根據本實用新型，作為所述第一金屬材料塊A，比如可以由熱導率相對較高的銅(比如紫銅)、鋁、銀、金、銅合金、鋁合金、銀合金和金合金中的任意一種(熱導率必須大於200ff/(m · K))製成，而作為所述第二金屬材料塊B，比如可以由熱導率相對較低的鐵、鐵合金(尤其是低合金鋼或碳鋼)、鈦、鈦合金、鋯、鋯合金、鎳、鎳合金和鑰合金中的任意一種(熱導率必須小於IOOW/(m · K))製成，但有時並不限於此。優選的是，所述第一金屬材料塊A由純銅(比如牌號T2、TU2)製成，所述第二金屬材料塊B可以根據目標表面的材質進行適當選擇，比如在用於模擬或測量或評估實際冷卻工況的情況下，壓力容器下封頭外壁面不同位置處的(表面)CHF值時，優選由選自低合金鋼或碳鋼的鐵合金製成。作為合適的低合金鋼或碳鋼，比如可以舉出GB713-2008和GB3531-2008等中規定的鋼牌號如16MnDR鋼、15MnNiDR鋼，或者Q235B鋼、16MnR鋼、20R鋼等普通碳素鋼，以及壓力容器專用低合金鋼如SA-508 Gr. 3 Cl. I 鋼等。
根據本實用新型，對將作為本實用新型複合材料加熱塊的原材料的第一金屬材料塊A和第二金屬材料塊B的厚度沒有限制，可以根據情況適當選擇。一種情況是，可以預先準備任何厚度的第一金屬材料塊A和第二金屬材料塊B作為原材料，並且在複合材料加熱塊的製造過程中比如如下所述通過進行適當的機加工，使得在最終完成的複合材料加熱塊中，由所述第一金屬材料塊A構成的層A相對較厚,其厚度HA —般為4(Tl50mm,而由所述第二金屬材料塊B構成的層B相對較薄，其厚度HB —般為2 10mm即可，但有時並不限於此。或者，優選的是，所述厚度HA與所述厚度HB的比例為8 50:1，優選20-40:1，而所述厚度HA與所述厚度HB之和一般為4(Tl50mm，優選60_80mm。
從材料成本節省和簡化製造工藝複雜度的角度來看，優選的是，在預先準備本實用新型複合材料加熱塊的原材料時，比如可以一開始就使得所述第一金屬材料塊A相對較厚，其厚度Hl —般為4(Tl50mm，而所述第二金屬材料塊B相對較薄，其厚度H2 —般為2^10mm,但有時並不限於此。或者，優選的是，所述厚度Hl與所述厚度H2的比例為8 50:1，優選20-40:1，而所述厚度Hl與所述厚度H2之和一般為4(Tl50mm，優選60_80mm。
在本實用新型的上下文中，為了簡化說明起見，在沒有特別說明的情況下，有時將前述的厚度HA和Hl統稱為H1，將前述的厚度HB和H2統稱為H2，而不加以區別。
根據本實用新型，對最終製成的複合材料加熱塊的厚度沒有特別的限定，這取決於第一金屬材料塊A和第二金屬材料塊B各自的初始厚度、複合材料加熱塊的製造條件以及目標測量或評估的要求等，一般比如可以設定為4(Tl50mm，優選60_80mm。
根據本實用新型，所述層A和所述層B經由所述複合界面結合。為了確保測量或評估結果的精度和準確性和排除可能的幹擾，所述複合材料加熱塊優選不包括除了所述層A和所述層B之外的其他層。在本實用新型中，為了簡化說明和理解起見，不將所述複合界 面處形成的混合層作為單獨的層來看待，而是將所述複合界面視為沒有厚度的明確的分界面。所述層A和所述層B各自的厚度即以該分界面為起點測得。
根據本實用新型，對所述第一金屬材料塊A和所述第二金屬材料塊B的各主表面的面積沒有任何的限定，可以根據目標加熱壁面積或爆炸焊接法的工藝要求等進行選擇。比如，優選如下所述，使得最終獲得的複合材料加熱塊的加熱壁面積為O. 015飛m2。
根據本實用新型，利用爆炸焊接法，使所述第一主表面和所述第二主表面中的一方(以下有時稱為焊接面A)與所述第三主表面和所述第四主表面中的一方(以下有時稱為焊接面B)冶金結合為一體，從而獲得金屬複合材料塊。此時，所述第一主表面和所述第二主表面中的另一方(以下有時稱為非焊接面A)以及所述第三主表面和所述第四主表面中的另一方(以下有時稱為非焊接面B)則形成所述金屬複合材料塊(或者最終的本實用新型複合材料加熱塊)的上下兩個表面或內外兩個壁面。而且，通過所述爆炸焊接法，在所述第一金屬材料塊A與所述第二金屬材料塊B之間形成複合界面。
在所述獲得的金屬複合材料塊中，所述第一金屬材料塊A即構成層A，所述第二金屬材料塊B即構成層B。
根據本實用新型優選的方案，為了便於爆炸焊接法的實施和簡化後續加工，所述焊接面A和所述焊接面B優選大小和形狀(基本上)彼此吻合。
爆炸焊接法是利用炸藥爆炸產生的衝擊力造成工件迅速碰撞、界面處產生的局部形變與熔合實現的固態焊接，複合界面處兩種原子處於冶金結合狀態，所以複合界面處接觸熱阻非常小，比如紫銅/碳鋼的界面接觸熱阻低達2飛X 10_6m2 · K/W，相當於f 2mm厚的紫銅的熱阻，幾乎到了可以忽略不計的程度，而且複合界面結合強度高，消除了加熱塊使用過程中熱應力引起的開裂現象。關於爆炸焊接法的具體內容，比如可以參見《爆炸焊接和金屬複合材料及其工程應用》，鄭遠謀著，中南大學出版社，2002年4月出版(參考文獻I)。本說明書在此就該參考文獻I的全文參考引用，作為本說明書的一部分。
根據本實用新型，可以直接適用這類已知的爆炸焊接法來使所述焊接面A和所述焊接面B冶金結合為一體，而沒有任何特別的限定。雖然如此，為了儘可能減小複合界面的界面熱阻，根據本實用新型的一個實施方式，在進行爆炸焊接之前，預先使所述焊接面A和所述焊接面B的至少之一的表面粗糙度Ra達到小於6. O μ m。在進行爆炸焊接時，可以設定所述焊接面A (比如使該面朝上)和所述焊接面B (比如使該面朝下)之間的間隔為13 16mm，並且使爆速穩定在2300-2600m/s之間。此外，為了確保測量或評估結果的精度和準確性和排除可能的幹擾，根據本實用新型另一個實施方式，所獲得的複合界面的界面結合率(基於JB4730-2005)優選大於99%，比如為99. 5%或以上。
根據爆炸焊接法，複合界面的結合強度高、抗熱循環疲勞性能好。因此，前述複合步驟中獲得的金屬複合材料塊可以充分耐受後續的加工處理(比如後述的鑽孔步驟和機加工步驟等)而不改變界面結合狀態。鑑於此，根據本實用新型，可以通過進一步的機加工等將所述金屬複合材料塊製造成各種形狀和結構簡單或複雜的複合材料加熱塊(異型加熱塊)，真實而準確地再現待(模擬)測量或評估對象的表面形狀，由此可以精確地獲得該測量或評估對象的真實表面CHF數值。而且，這種良好的界面結合狀態使得本實用新型最終製造的複合材料加熱塊可以耐受測量或評估過程中的極端熱應力或外力衝擊而不發生故障(比如界面分層或開裂)，顯著提高了加熱塊的可靠性，由此顯著地降低了測量或評估結果 出現較大誤差或差錯的風險。
根據本實用新型，因為(I)複合界面的接觸熱阻(比如低達2 5X10_6m2 · K/ff)非常小，幾乎到了可以忽略不計的程度，(2)由第一金屬材料塊A構成的層A即使具有較大的厚度，但其具有較高的熱導率，可以迅速傳導所接受的熱量，(3)由第二金屬材料塊B構成的層B雖然具有較低的熱導率，但其厚度較薄，也可以迅速導出所接受的熱量，所以，電加熱棒所產生的熱量可以被有效而迅速地傳遞到層B的外側表面(與冷卻工質接觸一側的表面，比如前述的非焊接面B，也即是加熱壁面)，並迅速被冷卻工質帶走。結果是，本實用新型的複合材料加熱塊具有極高的熱流密度耐受力，並且能夠測量或評估高達2MW/m2以上(t匕如高達2. 4MW/m2)的表面熱流密度而不會出現熱傳導故障(比如直接以低合金鋼製造加熱塊時所產生的那種加熱塊燒毀故障)。至此，通過組合厚度較大的高熱導率材料層和厚度較小的低熱導率材料層，並通過顯著降低其複合界面熱阻，同時保證界面結合強度，本實用新型獲得了使用性和可靠性可以與現有技術加熱塊(由整塊的銅或鋁製成)媲美的複合材料加熱塊，同時解決了這類現有技術加熱塊存在的無法真實再現或精確測量或評估低熱導率材料加熱壁面CHF值的問題。
根據實用新型，如下所述，所述複合材料加熱塊在使用過程中，使熱導率較大的一側(層A)與高溫的熱源(比如在孔A中安裝的電加熱棒)接觸，而使熱導率較小的一側(層B)與低溫的冷卻工質接觸。因此，兩層在該使用過程中的溫度是不同的，比如層B的加熱壁面溫度為130°C，而層A此時的最高溫度有時可達600°C，二者的溫差可高達450°C以上。已知的是，構成兩層的各自金屬的熱膨脹係數通常有一定的差異。以紫銅/碳鋼複合材料加熱塊為例，碳鋼層的熱膨脹係數為I. 3X10_5m/K，而紫銅層的熱膨脹係數為I. 7X 10-5m/Ko因此，如此高的溫差必然會在兩層的複合界面處產生熱應力。如果所述熱應力(特別是剪切應力)過大，複合界面就會在使用過程中開裂而導致複合材料加熱塊失效。另外，由於層A比層B要厚得多，這更增大了兩層因熱膨脹係數不同而導致複合界面開裂的風險。鑑於此，如何使複合界面處的熱應力儘可能降低是複合材料加熱塊能否成功製造的關鍵。
雖然如此，本實用新型的發明人經過各種嘗試和研究並最終發現，通過利用前述的爆炸焊接法來形成所述複合界面，可以將加熱塊使用過程中該複合界面處的剪切熱應力降至最低(比如僅有幾個MPa至十幾個MPa)，並由此在本領域第一次成功地製造出了複合界面處的熱應力滿足使用要求的複合材料加熱塊。
根據本實用新型，可以通過測試如前所述製造的金屬複合材料塊的抗熱循環疲勞性能是否合格來判斷該熱應力是否滿足使用要求。
根據本實用新型，通過前述的爆炸焊接法(或者根據需要進一步輔以爆炸焊接法中常用的其他處理步驟，比如前述的參考文獻I中詳細說明的退火處理等)，可以使得所述複合步驟中獲得的金屬複合材料塊具有適當(合格)的抗熱循環疲勞性能。這種金屬複合材料塊適合用來製造本實用新型的複合材料加熱塊。該抗熱循環疲勞性能比如可以按照如下方法測定。
從所獲得的金屬複合材料塊上，沿著與其厚度垂直的方向切割，獲得層B的外表面積(即非焊接面B的表面積)為200mmX50mm的樣品。將該樣品放置在600°C的馬弗爐中 保溫30min，然後將該樣品取出，在室溫(25°C)的水中淬火。淬火時，只有層B的外表面接觸水。將此加熱-淬火步驟總共重複6次後，該金屬複合材料塊的複合界面處無開裂現象即判定為抗熱循環疲勞性能合格。
已知的是，爆炸焊接法可以實現大面積的焊接，並且界面結合率大(大於99%)。因此，通過使用爆炸焊接法來製造本實用新型的複合材料加熱塊，可以獲得加熱壁面積可以為任意數值範圍(比如O. 015飛m2或更大)的加熱塊，從而適應不同的測量或評估用途或要求。
根據本實用新型，按照以下方式(I)和/或(Γ )與方式(2)和/或(2』 )的組合(即，方式(I)與方式(2)的組合、方式(I)與方式(2』 )的組合、方式(I)與方式(2)和(2』 )的組合、方式(I』 )與方式(2)的組合、方式(Γ )與方式(2』 )的組合、方式(Γ )與方式(2)和(2』 )的組合、方式(I)和(Γ )與方式(2)的組合、方式(I)和(Γ )與方式(2』 )的組合、方式(I)和(I』)與方式(2)和(2』 )的組合等，不一一列舉)，在所獲得的金屬複合材料塊上鑽取至少一個孔A和至少一個孔B (鑽孔步驟)，其中所述孔A與所述孔B彼此完全獨立(SP所述孔A與所述孔B不存在交疊和連通等)，所述孔A的直徑大於所述孔B的直徑，並且所述孔A僅位於所述第一金屬材料塊A (相應於最終的層A)中(即所述孔A的深度不及所述複合界面，並且所述孔A不以任何方式處於所述第二金屬材料塊B或最終的層B中)，(I)沿著與所述複合界面平行的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體(比如側壁)中鑽至少一個孔A (可以是通孔或盲孔，優選盲孔)，(1』)沿著與所述複合界面成夾角Θ的方向，僅從所述第一金屬材料塊A —側開始(優選從所述非焊接面A —側開始)，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽至少一個孔A，其中0° < Θ <90° (優選0°左右)，並且所述孔A的深度必須不及所述複合界面(盲孔)；(2)沿著與所述複合界面平行的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體(比如側壁)和/或所述第二金屬材料塊B的塊體(比如側壁)中(優選僅向所述第一金屬材料塊A的塊體比如側壁中)鑽至少一個孔B (可以是通孔或盲孔，優選盲孔)，(2』)沿著與所述複合界面成夾角Θ』的方向，僅從所述第一金屬材料塊A—側開始(優選從所述非焊接面A —側開始)，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽至少一個孔B，其中0° < Θ 』 < 90°(優選0°左右)，所述孔B為盲孔，並且所述孔B的深度選自i)不及所述複合界面(此情況最優選);ii)到達所述複合界面；和/或iii)穿越所述複合界面並進入所述第二金屬材料塊B的塊體中。至此，根據本實用新型，在所述第二金屬材料塊B或層B的外側表面(比如前述的非焊接面B)上，沒有任何的孔在此開放或開口，以確保其發揮加熱壁面的功能。[0089]根據本實用新型，優選的是，所述孔A和所述孔B均完整地處於所述第一金屬材料塊A或層A中，不觸及或不處於所述複合界面或者所述第二金屬材料塊B或層B中。S卩，所述鑽孔步驟優選僅在所述第一金屬材料塊A中(僅針對所述第一金屬材料塊A)進行。此時，所述孔A和所述孔B在所述非焊接面A的表面上和/或所述第一金屬材料塊A (或層A)的側壁上開口或開放。
根據本實用新型，在進行臨界熱流密度測量或評估時，在所述孔A中設置電加熱棒，在所述孔B中設置熱電偶或熱電阻，並以所述非焊接面B作為與冷卻工質直接接觸一側的表面(加熱壁面)。一般而言，所述孔A和孔B可以按照常規方式獲得(鑽孔)，並且其尺寸、數量和布局等也可以根據實際測量或評估需要適當設定，沒有特別的限定，並且可以直接適用本領域中與現有技術加熱塊相關的那些技術和參數等。舉例而言，所述孔A的直徑一般為8 30mm ;在存在多個孔A時，相鄰兩個孔A之間的中心距一般為2 30mm，但有時並不限於此。所述孔B的直徑一般為O. 5mnT5. 0mm。根據本實用新型，通過根據現有技術已知的任何方式設定所述孔A的數量和布局以及所述電加熱棒的加熱功率等，可以在本實用新型的複合材料加熱塊上實現2MW/m2以上的總熱流密度，而不導致該複合材料加熱塊發生故障或問題，而且由於採用電加熱棒加熱，加熱壁面熱流密度分布控制方便、準確。現有技術從未在低熱導率材料加熱壁面上成功地測量或評估過如此高的熱流密度。
根據本實用新型，根據需要，任選在所述鑽孔步驟之前，對所述金屬複合材料塊施以選自切割加工和壓機成型的至少一種機加工處理(機加工步驟)，由此獲得的塊體也稱為金屬複合材料塊。通過所述切割加工(比如裁剪、切削等)，比如可以將所述金屬複合材料塊加工成特定的目標尺寸或形狀等。另外，通過所述壓機成型加工(衝壓、拉拔、彎折等)，可以將所述金屬複合材料塊加工成更為複雜的目標形狀或結構等。另外，也可以通過該機加工步驟對所述第一金屬材料塊A或層A和/或所述第二金屬材料塊B或層B進行適當的厚度減薄處理(比如磨削或切割)，以使其滿足最終獲得的複合材料加熱塊中的相應厚度要求。在本實用新型的上下文中，機加工處理(比如厚度減薄)後的非焊接面A (或者第一金屬材料塊A或層A)和非焊接面B (或者第二金屬材料塊B或層B)依然被稱為非焊接面A (或者第一金屬材料塊A或層A)和非焊接面B (或者第二金屬材料塊B或層B)，而不加以區分。顯然的是，所述機加工處理必須維持所述金屬複合材料塊的複合狀態，以確保其製造加熱塊的預期功用。即，該機加工處理不得導致所述複合界面破壞(比如分層、斷裂等)，或者導致所述複合界面暴露至表面。
根據本實用新型，所述機加工步驟也可以在所述鑽孔步驟之後進行。顯然，此時除了滿足前述的所有要求以外，該機加工處理還必須不得破壞各孔的既有形狀和尺寸等幾何構造。
機加工可以按照常規的方式進行，在此不再贅述。
至此，通過前述的製造方法，獲得了本實用新型的複合材料加熱塊。根據本實用新型，所述複合材料加熱塊的加熱壁面面積可以為O. 015飛m2，優選O. 09、. 60m2，但有時可以更高。所謂複合材料加熱塊的加熱壁面面積，指的是本實用新型最終所獲得的複合材料加熱塊上所述非焊接面B的表面積。實際上，現有技術中從未就低熱導率材料實現過如此之大的加熱壁面面積。[0096]本實用新型還涉及該複合材料加熱塊作為加熱塊在臨界熱流密度測量或評估中的應用以及臨界熱流密度的測量或評估方法，該方法包括以本實用新型的複合材料加熱塊作為加熱塊，在所述孔A中設置電加熱棒，在所述孔B中設置熱電偶或熱電阻，並使所述第三表面和所述第四表面中的另一方(非焊接面B)與冷卻工質直接接觸，即以非焊接面B為加熱壁面。
根據本實用新型，還涉及一種臨界熱流密度測量或評估裝置，該裝置包括本實用新型的複合材料加熱塊、容納在所述孔A中的電加熱棒、容納在所述孔B中的熱電偶或熱電阻以及流通冷卻工質的流道，其中所述流道以所述第三表面和所述第四表面中的另一方(非焊接面B)為與冷卻工質接觸一側的表面的至少一部分。根據測量或評估裝置具體結構的不同，該非焊接面B的整個表面或其一部分被用於向冷卻工質提供熱量。
根據本實用新型，所述臨界熱流密度測量或評估裝置比如是核電站熔融物堆內滯留(IVR)工程驗證試驗中ERVC壓力容器下封頭外壁臨界熱流密度測量用試驗臺架。在一個優選的實施方式中，本實用新型的試驗臺架可以實現高達2MW/m2以上(比如高達2. 4MW/ m2)的熱流密度，由此可以測到高達2. 4MW/m2的臨界熱流密度，從而保證了在各種試驗工況下(比如冷卻工質添加磷酸三鈉、硼酸或者納米粒子、改進流道形狀和出水口設計等)都能夠達到沸騰危機，從而測到CHF數值，為研發合適的ERVC方案或IVR技術提供真實而準確的試驗數據支持。
圖8是現有技術的熔融物堆內滯留(IVR)工程驗證試驗中ERVC壓力容器下封頭外壁臨界熱流密度測量試驗臺架(比如ULPU試驗臺架)的流道結構示意圖。其中，符號I代表紫銅加熱塊，2代表橡膠墊，用於密封流道，並使加熱塊和流道側壁板之間絕熱，3代表流道，其中充滿並流通冷卻工質(比如水)，4代表不鏽鋼或低合金鋼流道側壁板。
圖9是本實用新型試驗臺架的流道結構示意圖。其中，符號I代表本實用新型的複合材料加熱塊(圖中上表面為非焊接面A，下表面為非焊接面B，二者之間的實線代表複合界面),2代表橡膠墊，用於密封流道，並使加熱塊和流道側壁板之間絕熱,3代表流道，其中充滿並流通冷卻工質(比如水)，4代表不鏽鋼或低合金鋼流道偵彳壁板。
通過對比圖8和圖9可見，本實用新型的熔融物堆內滯留(IVR)中ERVC壓力容器下封頭外壁臨界熱流密度測量試驗臺架可以直接適用現有技術的相應試驗臺架，只是將現有技術的加熱塊直接替換為本實用新型的複合材料加熱塊並使得非焊接面B位於流道一側即可(即，使該非焊接面B成為與冷卻工質接觸一側的表面的至少一部分，S卩加熱壁面)。
根據本實用新型，通過使所述流道以所述非焊接面B (由低熱導率材料構成的表面，用作加熱壁面)為與冷卻工質接觸一側的表面的至少一部分(如圖9所示，使該非焊接面B與所述冷卻工質直接接觸，即非焊接面B為加熱壁面)，即使由低熱導率材料構成的加熱壁面的CHF值很高(比如2MW/m2以上，比如高達2. 4MW/m2)，也可以達到沸騰危機。而且，加熱塊採用電加熱棒加熱，單根加熱棒或者加熱棒組的加熱功率可以根據需要隨意調節，因此可以方便、準確地控制加熱壁面(即非焊接面B)熱流密度的大小和分布，從而可以獲得精確的CHF值。鑑於此，採用以真實壓力容器材料(例如SA-508 Gr. 3 Cl. I鋼)為複合材料加熱塊的加熱壁面(其非焊接面B為加熱壁面或加熱壁)時，可以獲得真實核反應堆壓力容器外壁面的CHF值，為研發合適的ERVC方案或IVR技術提供更為準確的試驗數據支持。
特別地，根據本實用新型的複合材料加熱塊的加熱壁面可以常時保持(或耐受)熱流密度為2. OMW/m2以上(比如高達2. 4MW/m2以上)，或者所述加熱壁面的熱流密度可以達到
2.OMW/m2以上。這裡所謂的「常時保持(或耐受)熱流密度為2. OMW/m2以上」或者「可以達到2. OMW/m2以上」或者其類似用語可以理解為，在一定時間內連續保持熱流密度為2. OMW/m2以上而維持測量或評估的可靠性，不出現加熱塊燒毀、界面分層或開裂等故障(加熱塊工作正常)，比如連續5分鐘以上、優選連續10分鐘以上、優選連續20分鐘以上、優選連續30分鐘以上、優選連續40分鐘以上、優選連續50分鐘以上、優選連續55分鐘以上、優選連續I小時以上、優選連續I. 5小時以上、優選連續3小時以上、優選連續4小時以上、優選連續5小時以上、優選連續8小時以上、優選連續10小時以上、優選連續12小時以上或更高，但有時並不限於此；或者可以理解為，在所述2. OMW/m2以上的熱流密度下(以其為最高熱流密度)重複使用(循環使用)一定次數(循環次數)而維持測量或評估的可靠性，不出現加熱塊燒毀、界面分層或開裂等故障(加熱塊工作正常)。該循環次數比如為10次以上、優選20次以上、優選40次以上、優選50次以上、優選100次以上、優選200次以上、優選300次以上、優選400次以上、優選500次以上、優選800次以上、優選1000次以上或更高，但有時並不限於此。
根據本實用新型，所述循環次數按照如下方式測量。
向複合材料加熱塊供應熱量，使其加熱壁面的熱流密度達到規定(最高)熱流密度，在該規定熱流密度下保持20分鐘，然後停止熱量供應，使該複合材料加熱塊在流道內冷卻工質的作用下冷卻至40°C。按照同樣的方式重複實施此加熱-冷卻步驟。每重複一次即計為一次循環。
實施例
以下採用實施例進一步詳細地說明本實用新型，但本實用新型並不限於這些實施例。
在以下實施例中，作為舉例，以鋼板作為所述第二金屬材料塊B，以銅板作為所述第一金屬材料塊A，但本實用新型並不限於此。
在實施例中，抗熱循環疲勞性能按照如下方法測定。
從所獲得的複合板上，沿著與其厚度垂直的方向切割，獲得面積為200mmX50mm的長方形樣品。將該樣品放置在600°C的馬弗爐中保溫30min，然後將該樣品取出，在室溫(250C )的水中淬火。淬火時，只使鋼板層的表面接觸水。將此加熱-淬火步驟總共重複6次後，該複合板的複合界面處無開裂現象即判定為抗熱循環疲勞性能合格。
在實施例中，複合材料加熱塊的循環次數按照如下方式測量。
向複合材料加熱塊供應熱量，使其加熱壁面的熱流密度達到規定(最高)熱流密度，在該規定熱流密度下保持20分鐘，然後停止熱量供應，使該複合材料加熱塊在流道內冷卻工質的作用下冷卻至40°C。按照同樣的方式重複實施此加熱-冷卻步驟。每重複一次即計為一次循環。
實施例I
I準備步驟
銅板為符合GB/T14594-2005規定的TU2無氧銅(熱導率為390W/ (m -K)，採用閃光法測量)。長度2000_，寬度600_，厚度60_。[0115]鋼板為反應堆壓力容器鋼(SA-508 Gr. 3 Cl. I)。長度2100mm，寬度700mm，厚度6mm ο
2複合步驟
利用爆炸焊接法將所述鋼板和所述銅板面對面焊接在一起，獲得由鋼板層和銅板層構成的複合板。該複合板在按照JB4730-2005標準，採用超聲波探傷儀進行探傷(掃查方式採用100%掃查)時，界面結合率達到99. 5%，並且抗熱循環疲勞性能經測試後顯示合格。
3機加工步驟
從該複合板上切下長度1000mm，寬度IlOmm的坯料。採用衝壓法將該坯料加工成半徑600mm,寬度100mm,厚度約65mm的1/4圓弧形毛還。接著，將該毛還在退火溫度300 °C下保溫6h。隨爐冷卻後，採用線切割法將該毛坯的鋼板層減薄至2. 5_，然後用砂紙打磨鋼板層的外表面，使其表面粗糙度達到Ra 6.3 ym (與真實反應堆壓力容器外表面的粗糙度一致)。接著，採用線切割法將該毛坯的寬度加工至100mm。然後，採用線切割法將該毛坯的 銅板層的厚度減薄為57mm。
接著，通過進一步的機加工，使得最終所獲得的複合材料塊(或複合材料加熱塊)的總體結構如圖2 (a)所示，在弧長方向分為8區。在圖2 (a)中，最下為第I區，順次編號，最上為第8區。其中，第I區的材料塊對應的圓心角為16. 5°，其他各區對應的圓心角為10. 5°。為了降低區間傳熱，每一區之間採用線切割法加工出寬度5mm，深度47mm的絕熱槽(共7條)，該槽的底部距離複合界面(即圖2 (a)中用3指示的實線)約10mm。
在圖2(a)中，複合材料塊的上表面為銅板層表面(較厚)，下表面為鋼板層表面(較薄)，中間的分隔線(用3箭頭指示的實線)代表複合界面。
4鑽孔步驟
按照圖2(a)所示的數量和布局(但本實用新型並不限於此)，在複合材料塊中銅板層的側壁上沿與複合界面平行的方向鑽總共175個直徑為9. 22mm的通孔(9. 22±0. 01mm)，作為用於容納電加熱棒的孔(孔A，圖2 (a)中用I箭頭指示)。其中，在第2至第8區中，第I排(指的是圖2 (a)中最靠近下表面的那一排)的孔中心距離複合界面約11. 61mm，第2排的孔中心距離複合界面約24. 61mm，而第3排的孔中心距離複合界面約37. 61mm。在第I區中，第I排的孔中心距離複合界面約11. 61mm，第2排的孔中心距離複合界面約24. 61mm。每排中各孔之間的間隔以在各排中均勻分布即可。
採用電火花打孔法或鑽孔法在複合材料塊中銅板層的側壁上加工出孔直徑為I. 0±0. 05mm的熱電偶孔(即孔B，在圖2 (a)和圖2 (b)中用2箭頭指示)，共計72個。
圖3以第8區為例，舉例說明了熱電偶孔的布局，其他區與此類似，但本實用新型並不限於此。
圖3中，圖3 (a)為第8區加熱塊的側面視圖(示意圖)，圖3 (b)為第8區加熱塊的俯視圖(示意圖)。圖3(a)中，加熱塊上表面為銅板層表面，下表面為鋼板層表面，中間的分隔線(用7箭頭指示的實線)代表複合界面，6代表孔A或電加熱棒孔。根據圖3，將用於容納用來監測加熱塊的下表面(加熱壁面)溫度的熱電偶的熱電偶孔編號為1、2和3 (如圖3 (a)中箭頭指示)，在加熱塊的左右兩側各一個，S卩1L、1R、2L、2R、3L、3R (具體如圖3 (b)中所標示)。其中1、3號熱電偶孔的中心距絕熱槽邊緣的弧線距離為10mm，2號熱電偶孔位於第8區中央。1、2和3號熱電偶孔的深度均為33mm，並且各自中心到複合界面的徑向距離均為I. 5mm。4號熱電偶孔(如圖3 (b)中所示，左右側面各一個，即4L、4R)與2號熱電偶孔處在圓弧的同一條半徑(第8區中央)上，深度為33mm，但4號熱電偶孔位於2號熱電偶孔的內側，二者之間的徑向距離為6. 5mm。4號熱電偶孔用於容納檢測加熱塊溫度的熱電偶。根據2號和4號熱電偶孔中熱電偶的溫度值、兩者之間的距離以及銅的熱導率，通過傅立葉導熱定律，就可以算出加熱壁面中心附近的熱流密度。
5號熱電偶孔(圖3 (a)和3 (b)中用5箭頭指示)布置在第8區上表面的表面中心，深度10_，容納用於檢測加熱塊內部最高溫度的熱電偶。
至此，獲得了實施例I的複合材料加熱塊，其總加熱壁面積約為94200mm2。
5壁面CHF測量步驟
將前述獲得的複合材料加熱塊直接安裝在圖4所簡要示出的現有技術試驗臺架上。根據該圖4的簡略構成，該試驗臺架主要包括由複合材料加熱塊I (使鋼板層表面朝向流道2 —側，即鋼板為加熱壁面)和流道側壁板3構成的流道2 (該流道2的更詳細結構 也可參見圖9)、換熱器4、流量計5和預熱水箱6等。其中，預熱水箱6內置有加熱器(未示出)，用以控制流道2入口處冷卻工質(包括去離子水、自來水、磷酸三鈉溶液、硼酸溶液、磷酸三鈉和硼酸混合溶液等)的溫度。在本測量過程中，加熱壁面外的冷卻工質被加熱而產生蒸汽，在流道2中形成氣液兩相流，最終在圖4中用粗和細兩種fif頭指不的迴路中建立兩相自然循環。在流道2中，用粗箭頭標示出了冷卻工質的流動方向。
測量開始前，在電加熱棒孔中安裝相應數量的Watlow公司製造的鎧裝電加熱棒(單根表面最大熱流密度為42 W/cm2，最大輸出功率為1144W，設計耐受最高溫度為700°C，在600°C及以下溫度可以長期安全地工作)，並且在熱電偶孔中安裝相應數量的鎧裝熱電偶(K分度)。其中，每一區的電加熱棒成為一組，並且各區的電加熱棒組是可以獨立控制的。為了更為精確地控制加熱壁面熱流密度的大小和分布，優選每一區的加熱棒也可以再分為幾組,每一組的加熱棒功率獨立控制。
測量開始前，迴路中充滿去離子水，並調節預熱水箱6中的加熱器，使水箱中冷卻工質的溫度保持在85°C。測量開始後，通過獨立地調節每一區的電加熱棒組的輸出功率，為第f 8區的加熱塊分別施加2. 5，2.6，4. I, 6.7，8.7，10. 3, 12. I, 12. 3 KW的總功率。根據公式「壁面熱流密度=電加熱棒組的總功率/加熱塊的加熱壁面面積」，計算出各區加熱塊加熱壁面熱流密度分別為O. 2，O. 25, O. 40, O. 65, O. 85, 1.0，1.18，1.2 MW/m2。此時，迴路中形成兩相自然循環。
接著，保持f 7區加熱塊的壁面熱流密度不變，逐漸增大第8區加熱塊中電加熱棒的輸出功率，同時密切監測1，2，3號熱電偶的實時溫度變化。第8區加熱塊的功率加載過程、壁面熱流密度以及熱電偶2的溫度變化過程如圖5所示，其中壁面熱流密度根據前述公式「壁面熱流密度=電加熱棒組的總功率/加熱塊的加熱壁面面積」計算得出。在熱電偶2的溫度出現飛升(比如每秒溫度增幅超過5°C，見圖5 (c))時，即判定此時的壁面熱流密度為CHF值，並立即切斷電源。
根據實施例1，第8區加熱塊測得的CHF值為I. 8MW/m2 (見圖5 (b))。
實施例I (a)
通過改變實施例I的測量條件，比如以磷酸三鈉溶液或者Al2O3納米流體作為冷卻工質，迴路中採用強迫循環、增大流速、減小流道2的入口過冷度等，同時增加電加熱棒的輸出功率，可以使得第8區加熱壁面的熱流密度達到2. OMW/m2而不出現沸騰危機。此時，加熱塊內部測得的最高溫度(5號熱電偶測得)約為510°C，沒有超過電加熱棒的設計耐受最高溫度。連續保持該熱流密度5小時，或者在該熱流密度下循環使用100次，加熱塊依然工作正常。進一步地，當該區加熱塊加熱壁面的熱流密度達到2. 4MW/m2時(不出現沸騰危機)，加熱塊內部測得的最高溫度約為585°C，也沒有超過電加熱棒的設計耐受最高溫度。連續保持該熱流密度5小時，或者在該熱流密度下循環使用100次，加熱塊依然工作正常。
由此可見，本實用新型的複合材料加熱塊可以長期或頻繁地耐受2. OMW/m2以上(比如高達2. 4MW/m2)的壁面熱流密度而不致故障。
比較例I
在實施例I中，除了不使用鋼板，並省略複合步驟以外，以所述銅板代替所述複合板，與實施例I同樣地進行所述3.機加工步驟和所述4.鑽孔步驟，並且將各步驟中涉及的所有原本以複合界面為基準的尺寸數據加2. 5mm後換算為以下表面為基準的尺寸數據，製造出幾何形狀和幾何參數(比如總體形狀和尺寸、各區構成和尺寸、電加熱棒孔和熱電偶孔·的尺寸、數量和布局等)均與實施例I基本上完全相同的加熱塊，其總加熱壁面面積同樣約為 94200mm2。
比較例I製造的加熱塊由一整塊銅構成，上表面為銅，下表面也為銅，二者之間不存在複合界面，加熱壁面為紫銅，這相應於現有技術的加熱塊。
接著，與實施例I同樣地進行5.壁面CHF測量步驟，測定該加熱塊第8區的壁面CHF值。根據比較例1，第8區加熱塊測得的CHF值為I. 6MW/m2。根據前述實施例1，第8區加熱塊測得的CHF值為I. 8MW/m2。
實施例I與比較例I的測量結果的對比表明，在其他條件完全相同的情況下，在不同材質的加熱壁面上測得的CHF數據是不同的。由於實施例I製造的複合材料加熱塊具有與實際壓力容器完全相同的低合金鋼加熱壁面，因此與比較例I製造的現有技術加熱塊相比，前者獲得的CHF數據更準確、更能反映實際情況。
實施例2
I準備步驟
銅板為符合GB/T14594-2005規定的TU2無氧銅(熱導率為390W/ (m -K)，採用閃光法測量)。長度2200mm，寬度2200mm，厚度60mm。
鋼板為反應堆壓力容器鋼(SA-508 Gr. 3 Cl. I)。長度2200mm，寬度2200mm，厚度6mm ο
2複合步驟
利用爆炸焊接法將所述鋼板和所述銅板面對面焊接在一起，獲得由鋼板層和銅板層構成的複合板。該複合板在按照JB4730-2005標準，採用超聲波探傷儀進行探傷(掃查方式採用100%掃查)時，界面結合率達到99. 5%，並且抗熱循環疲勞性能經測試後顯示合格。
3機加工步驟
從該複合板上切下直徑2000mm的圓形坯料。採用低速熱衝壓法，在使鋼板層成為外表面，使銅板層成為內表面的情況下，將該圓形還料加工成外半徑600mm,厚度約65mm的半球形封頭。接著，將該半球形封頭在退火溫度300°C下保溫6h。隨爐冷卻後，將其鋼板層的厚度均勻減薄至2. 5_。用砂紙打磨該鋼板層表面，使其粗糙度為Ra 6.3 μ m (與真實反應堆壓力容器外表面的粗糙度一致)。接著，將其銅板層的厚度均勻減薄至55_，同時確保封頭的內表面為規則的半球面。
如此獲得的複合材料塊(半球形封頭)如圖6所示意。在圖6(a)中，封頭的內表面為銅板層表面(較厚)，外表面為鋼板層表面(較薄)，即加熱壁面，中間的分隔線(在圖6 (a)和圖6 (b)中，用3箭頭指不的實線)代表複合界面。另外，圖6 (b)是圖6(a)的局部細節放大圖。
4鑽孔步驟
如圖6(a)所示，將該封頭沿半球母線方向分為9層，每一層對應的圓心角為10°。並且，按照圖6(a)所示的數量和布局(但本實用新型並不限於此)，在該封頭內表面沿半球半徑方向鑽直徑9. 22±0· 01mm，深50mm的盲孔(即孔A，在圖6 (a)和圖6 (b)中，用I箭頭指示)。整個封頭內表面共計加工出大約8500個電加熱棒孔。
另外，按圖6(a)所示的數量和布局，在每層加熱塊的中間兩排孔中，每隔5飛個電·加熱棒孔布置一個直徑4mm的小孔(即孔B，在圖6 (a)和圖6 (b)中，用2箭頭指示)，以放入用來檢測加熱塊加熱壁面溫度的熱電偶。這些熱電偶孔深53_，孔底部距複合界面約2_。整個封頭內表面共計布置大約300個這類熱電偶孔。另外，根據實際測量需要，還可以在整個封頭的內表面均勻布置一些(比如20個)直徑1mm，深度3mm的熱電偶孔，用於放置檢測加熱塊內部最高溫度的熱電偶。
至此，獲得了實施例2的複合材料加熱塊，其總加熱壁面面積約為2. 261 X IO6 mm2。通過使用該複合材料加熱塊來建造試驗臺架，可以更為精確地測量或模擬真實反應堆壓力容器鋼製外壁的CHF值，由此為研發合適的ERVC方案或IVR技術提供更為準確和精確的CHF數據支持，這是本實用新型的一大特點。
同樣地，本實用新型還可以利用常規的製造方法製造出具有圖7所示特定形狀和構造的管狀複合材料加熱塊，以適合特定的測量或評估用途。在圖7中，I箭頭指示孔A，2箭頭指示孔B，3箭頭指示複合界面。
除了前述特定的核能工程應用外，本實用新型的複合材料加熱塊還可以在熱能工程和工程熱物理等領域中用於臨界熱流密度(CHF)的精確測量或評估，尤其是用於熱導率較低的材料的壁面CHF值的精確測量或評估，特別是當壁面CHF值較大時，複合材料加熱塊能夠達到沸騰危機而不燒毀加熱棒。
以上雖然已結合實施例對本實用新型的具體實施方式
進行了詳細的說明，但是需要指出的是，本實用新型的保護範圍並不受這些具體實施方式
的限制，而是由附錄的權利要求
書來確定。本領域技術人員可在不脫離本實用新型的技術思想和主旨的範圍內對這些實施方式進行適當的變更，而這些變更後的實施方式顯然也包括在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求
1.一種複合材料加熱塊，其特徵是，包括經由複合界面結合的由第一金屬材料塊A構成的層A和由第二金屬材料塊B構成的層B， 其中第一金屬材料塊A的熱導率大於200W/ (m · K),第二金屬材料塊B的熱導率小於IOOW/(m · K)，所述第一金屬材料塊A具有規定了該第一金屬材料塊A的厚度Hl的第一主表面和第二主表面，所述第二金屬材料塊B具有規定了該第二金屬材料塊B的厚度H2的第三主表面和第四主表面，所述第一主表面和所述第二主表面中的一方與所述第三主表面和所述第四主表面中的一方被利用爆炸焊接法冶金結合為一體，由此獲得的金屬複合材料塊具有由所述第一金屬材料塊A與所述第二金屬材料塊B形成的複合界面， 其中，具有按照以下方式(I)和/或(I』)與方式(2)和/或(2』)的組合鑽取的至少一個孔A和至少一個孔B，其中所述孔A與所述孔B彼此完全獨立，所述孔A的直徑大於所述 孔B的直徑，並且所述孔A僅位於所述第一金屬材料塊A中， (O沿著與所述複合界面平行的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽取的至少一個孔A， (I』)沿著與所述複合界面成夾角Θ的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽取的至少一個孔A，其中0° < Θ <90°，並且所述孔A的深度不及所述複合界面； (2 )沿著與所述複合界面平行的方向，向所述第一金屬材料塊A的塊體和/或所述第二金屬材料塊B的塊體中鑽取的至少一個孔B， (2』)沿著與所述複合界面成夾角Θ』的方向，僅從所述第一金屬材料塊A—側開始，向所述第一金屬材料塊A的塊體中鑽取的至少一個孔B，其中0° < Θ』 <90°，所述孔B為盲孔，並且所述孔B的深度選自i)不及所述複合界面；ii)到達所述複合界面；和/或iii)穿越所述複合界面並進入所述第二金屬材料塊B的塊體中。
2.權利要求
I的複合材料加熱塊，其特徵是，所述第一金屬材料塊A由銅、鋁、銀、金、銅合金、招合金、銀合金和金合金中的任意一種製成，所述第二金屬材料塊B由鐵、鐵合金、鈦、鈦合金、錯、錯合金、鎳、鎳合金和鑰合金中的任意一種製成。
3.權利要求
2的複合材料加熱塊，其特徵是，所述第一金屬材料塊A由銅製成，所述第二金屬材料塊B由選自低合金鋼的鐵合金製成。
4.權利要求
I的複合材料加熱塊，其特徵是，所述層A的厚度與所述層B的厚度之比為8 50:I。
5.權利要求
I的複合材料加熱塊，其特徵是，所述孔A的直徑為8 30mm。
6.權利要求
I的複合材料加熱塊，其特徵是，所述孔B的直徑為O.5mnT5. 0mm。
7.權利要求
I的複合材料加熱塊，其特徵是，所述層A的厚度與所述層B的厚度之和為40 150mm。
8.權利要求
I的複合材料加熱塊，其特徵是，所述金屬複合材料塊是經過機加工的金屬複合材料塊，所述機加工選自切割加工和壓機成型的至少一種。
9.權利要求
I的複合材料加熱塊，其特徵是，該複合材料加熱塊加熱壁面的面積為O. 015 5m2。
10.一種臨界熱流密度測量或評估裝置，其特徵是，包括權利要求
1-9任一項的複合材料加熱塊、容納在所述孔A中的電加熱棒、容納在所述孔B中的熱電偶或熱電阻和流通冷卻工質的流道，其中所述流道以所述第三表面和所述第四表面中的另一方作為加熱壁面的至少一部分。
11.權利要求
10的臨界熱流密度測量或評估裝置，其特徵是，該臨界熱流密度測量或評估裝置是核電站熔融物堆內滯留中ERVC壓力容器下封頭外壁臨界熱流密度測量試驗臺架。
12.權利要求
10的臨界熱流密度測量或評估裝置，其特徵是，第二金屬材料塊B為核反應堆壓力容器鋼，並且所述加熱壁面的熱流密度可以達到2. OMW/m2以上。
專利摘要
本實用新型涉及一種複合材料加熱塊，其可在核能工程、熱能工程和工程熱物理等領域中用於臨界熱流密度(CHF)的精確測量或評估，尤其是用於熱導率較低的材料的表面CHF的精確測量或評估。本實用新型還涉及包括該複合材料加熱塊的臨界熱流密度測量或評估裝置。該複合材料加熱塊的特點是，製造方法簡單，特別適合用於由熱導率較低的材料(比如低合金鋼)製成的表面CHF的精確測量或評估，熱流密度耐受力高，可靠性好，並且容易操作和控制。
文檔編號G21C17/06GKCN202720902SQ201220036219
公開日2013年2月6日 申請日期2012年2月6日
發明者楊培勇, 王軍榮, 胡騰, 馬莉, 李震東 申請人:國核華清(北京)核電技術研發中心有限公司, 國家核電技術有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan