本发明涉及一种铅铋快堆热工水力验证性实验系统及方法，具体涉及一种铅铋合金熔化凝固特性实验系统及方法。
背景技术：
1、铅冷快堆是六种四代反应堆堆型之一，铅铋合金作为反应堆的冷却剂具有诸多优势，如铅铋合金沸点高，使反应堆内不会出现沸腾现象，也很难出现传热恶化现象，可以有效提高反应堆的运行范围和安全限值；铅铋合金化学性质稳定，不会与水或者空气发生剧烈的化学反应，极大地简化了冷却剂泄漏事故的处理，提高了反应堆的经济性和安全性；铅铋合金中子弹性散射截面较大，中子平均自由程较短，因此中子的泄漏率较低、反射效果好，比较容易设计成为小型模块化反应堆等。但铅铋合金作为一种液态金属，其在常温下呈固体状态，因此，针对某些特殊的移动式小型反应堆，若铅铋合金始终置于一回路中，则反应堆在启停及事故工况下会存在铅铋合金的相变过程，在此过程中，铅铋合金会对反应堆内构件产生应力影响，尤其是燃料元件及蒸汽发生器传热管等较薄的管道，因此研究铅铋合金在不同温度梯度下的熔化凝固特性对铅铋快堆的安全至关重要。
2、现有铅铋合金熔化凝固特性实验系统，主要是研究铅铋合金在不同温度梯度下熔化或凝固时对构件的应力影响，该实验系统不具备完整的测量手段及产生较高温度梯度的设备，且难以满足具有稳定反馈功能及调节能力的要求。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决现有铅铋合金熔化凝固特性实验系统，不具备完整的测量手段及不能产生较高温度梯度、且难以满足具有稳定反馈功能及调节能力要求的技术问题，而提供了一种铅铋合金熔化凝固特性实验系统及方法。
2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种铅铋合金熔化凝固特性实验系统，其特殊之处在于：包括注入模块、实验模块、导热油模块、空气模块、加热模块、采集板以及信号处理器；
4、注入模块包括惰性气体瓶、与惰性气体瓶连接的铅铋合金储存罐；惰性气体瓶的出口管路上设置有第一压力传感器；铅铋合金储存罐上设置有第二压力传感器与第一温度传感器；惰性气体瓶与铅铋合金储存罐之间的管路上设置有第三阀门；
5、实验模块包括实验罐、设置于实验罐上的第三压力传感器、第二温度传感器、多个电加热棒和液位传感器；实验罐为夹层结构，夹层用于通入压缩空气或导热油；实验罐的进口与铅铋合金储存罐的出口连接，且实验罐的进口与铅铋合金储存罐的出口之间的管路上设置有第一阀门；实验罐的夹层进口处设置有第五压力传感器和第四温度传感器，实验罐的夹层进口分别与导热油模块的出口、空气模块的出口连接，且实验罐的夹层进口与空气模块的出口之间设置有第五阀门，实验罐的夹层进口与导热油模块的出口之间设置有第六阀门；实验罐的夹层出口与导热油模块的进口连接，实验罐的夹层出口处设置有第六压力传感器和第五温度传感器，且实验罐的夹层出口与导热油模块的进口之间的管路上设置有第七阀门；第七阀门与实验罐的夹层出口之间的管路上设置有用于排气的第八阀门；
6、电加热棒上设置有应变片，应变片用于获得铅铋合金熔化及凝固时电加热棒壁面的应力特征；
7、加热模块设置于铅铋合金储存罐、实验罐以及所有管路的外部；
8、所有压力传感器、温度传感器、应变片、加热模块及液位传感器分别通过采集板连接信号处理器。
9、进一步地，所述导热油模块包括高温油泵、高温导热油箱、鼓风式散热器及加热器；
10、高温油泵的进口与高温导热油箱的出口连接，高温油泵的出口与加热器的进口连接，且高温油泵的出口与加热器的进口之间的管路上设置有第一流量计；加热器的出口通过第六阀门与实验罐的夹层进口连接；
11、鼓风式散热器的进口通过第七阀门与实验罐的夹层出口连接，鼓风式散热器的出口与高温导热油箱的进口连接；
12、高温油泵、加热器、实验罐的夹层、鼓风式散热器及高温导热油箱形成导热油回路；
13、鼓风式散热器用于对导热油降温；
14、加热器用于提高导热油温度。
15、进一步地，所述空气模块包括空气压缩机与气体储存罐；
16、空气压缩机的进口与外部大气连通，出口与气体储存罐的进口连接；空气压缩机用于对气体储存罐充入压缩空气；
17、气体储存罐上设置有第四压力传感器与第三温度传感器；气体储存罐的出口通过第五阀门与实验罐的夹层进口连接，且第五阀门与气体储存罐的出口之间的管路上设置有第二流量计。
18、进一步地，所述还包括保温单元；
19、保温单元包括包覆在加热模块外的保温层；
20、实验罐上设置有止回阀，止回阀用于排出实验罐内多余气体；
21、惰性气体瓶的出口与实验罐的气体入口连接，且惰性气体瓶与实验罐的气体入口之间的管路上设置有第四阀门，用于对实验罐中充入惰性气体保护实验罐中的铅铋合金；
22、高温导热油箱中设置有加热棒；
23、铅铋合金储存罐上设置有第二阀门，第二阀门用于排出铅铋合金储存罐中多余气体。
24、进一步地，所述惰性气体瓶为高纯氩气瓶；
25、加热模块采用电加热丝。
26、一种上述研究铅铋合金熔化凝固特性的实验方法，其特殊之处在于：包括铅铋合金熔化特性实验与铅铋合金凝固特性实验；
27、铅铋合金熔化特性实验为a实验或b实验：
28、a实验包括以下步骤：
29、a1】利用加热模块对铅铋合金储存罐、实验罐以及所有管路进行预热；
30、a2】待铅铋合金储存罐中的铅铋合金从固态变为液态时，打开第一阀门和第三阀门，使用惰性气体瓶将铅铋合金储存罐中的铅铋合金加注于实验罐内，关闭第一阀门和第三阀门，铅铋合金在实验罐内凝固为固态；
31、a3】待实验罐内的铅铋合金温度降至50℃以下时，开启实验罐中的多个电加热棒，持续为铅铋合金加热至铅铋合金完全熔化；
32、a4】利用信号处理器采集流量、压力、温度以及电加热棒上应变片的信息，获得铅铋合金熔化时电加热棒壁面的应力特征，完成铅铋合金熔化特性实验，关闭电加热棒；
33、b实验包括以下步骤：
34、b1】利用加热模块对铅铋合金储存罐、实验罐以及所有管路进行预热；
35、b2】待铅铋合金储存罐中的铅铋合金从固态变为液态时，打开第一阀门和第三阀门，使用惰性气体瓶将铅铋合金储存罐中的铅铋合金加注于实验罐内，关闭第一阀门和第三阀门，铅铋合金在实验罐内凝固为固态；
36、b3】待实验罐内的铅铋合金温度降至50℃以下时，打开第六阀门和第七阀门，开启导热油模块，持续为实验罐内的铅铋合金加热，保持导热油模块中的导热油温度大于等于200℃，直至实验罐内的铅铋合金完全熔化；
37、b4】利用信号处理器采集流量、压力、温度以及电加热棒上应变片的信息，获得铅铋合金熔化时电加热棒壁面的应力特征，完成铅铋合金熔化特性实验，关闭第六阀门、第七阀门和导热油模块；
38、铅铋合金凝固特性实验为c实验或d实验：
39、c实验包括以下步骤：
40、c1】利用加热模块对铅铋合金储存罐、实验罐以及所有管路进行预热；
41、c2】待铅铋合金储存罐中的铅铋合金从固态变为液态时，打开第一阀门和第三阀门，使用惰性气体瓶将铅铋合金储存罐中的铅铋合金加注于实验罐内，关闭第一阀门和第三阀门；
42、c3】打开第五阀门和第八阀门，开启空气模块，持续为实验罐内的铅铋合金降温，直至铅铋合金全部凝固；
43、c4】利用信号处理器采集流量、压力、温度以及电加热棒上应变片的信息，以研究铅铋合金凝固时对电加热棒壁面的应力特征，完成铅铋合金凝固特性实验，关闭第五阀门、第八阀门和空气模块；
44、d实验包括以下步骤：
45、d1】利用加热模块对铅铋合金储存罐、实验罐以及所有管路进行预热；
46、d2】待铅铋合金储存罐中的铅铋合金从固态变为液态时，打开第一阀门和第三阀门，使用惰性气体瓶将铅铋合金储存罐中的铅铋合金加注于实验罐内，关闭第一阀门和第三阀门；
47、d3】打开第六阀门和第七阀门，开启导热油模块，持续为实验罐内的铅铋合金降温，保持导热油模块中的导热油温度小于等于100℃，直至铅铋合金全部凝固；
48、d4】利用信号处理器采集流量、压力、温度以及电加热棒上应变片的信息，以研究铅铋合金凝固时对电加热棒壁面的应力特征，完成铅铋合金凝固特性实验，关闭第六阀门、第七阀门和导热油模块。
49、进一步地，所述步骤b3】具体为：
50、待实验罐内的铅铋合金温度降至50℃以下时，打开第六阀门、第七阀门以及高温油泵，利用高温油泵使导热油在高温油泵、加热器、实验罐的夹层、鼓风式散热器及高温导热油箱形成的导热油回路中循环，同时打开加热器对导热油持续加热，保持导热油温度大于等于200℃，直至实验罐内的铅铋合金完全熔化。
51、进一步地，所述步骤c3】具体为：
52、打开第五阀门与第八阀门，利用空气压缩机将外部大气压缩并将其储存在气体储存罐中，同时压缩空气经过第五阀门与实验罐的夹层换热，持续为实验罐内的铅铋合金降温至其全部凝固，最终压缩空气通过第八阀门排出。
53、进一步地，所述步骤d3】具体为：
54、打开第六阀门、第七阀门以及高温油泵，利用高温油泵使导热油在高温油泵、加热器、实验罐的夹层、鼓风式散热器及高温导热油箱形成的导热油回路中循环，同时打开鼓风式散热器对导热油持续降温，保持导热油温度小于等于100℃，直至铅铋合金全部凝固。
55、进一步地，所述铅铋合金熔化特性实验或铅铋合金凝固特性实验完成后，还包括：
56、打开第一阀门，将铅铋合金从实验罐中回流至铅铋合金储存罐中，并对铅铋合金储存罐内充入氩气保护，直至铅铋合金储存罐内的压力降至0.3mpa时，关闭所有阀门，关闭信号处理器，切断电源，实验结束。
57、本发明的有益效果：
58、1、本发明一种铅铋合金熔化凝固特性实验系统，能够开展高效率加热及冷却工况下的铅铋合金熔化凝固应力实验，其效率可达15℃/min，可做到简便快捷的调节系统参数。
59、2、本发明一种研究铅铋合金熔化凝固特性的实验方法，可开展由电加热棒加热的铅铋合金熔化实验、由导热油加热铅铋合金的熔化实验、由导热油冷却铅铋合金的凝固实验、由空气冷却铅铋合金的凝固实验，可用于研究铅铋快堆在不同加热及冷却方式下铅铋合金熔化及凝固特性对燃料元件(即实验中用电加热棒代替)的应力特性。
1.一种铅铋合金熔化凝固特性实验系统，其特征在于：包括注入模块、实验模块、导热油模块、空气模块、加热模块、采集板以及信号处理器；
2.根据权利要求1所述一种铅铋合金熔化凝固特性实验系统，其特征在于：
3.根据权利要求2所述一种铅铋合金熔化凝固特性实验系统，其特征在于：
4.根据权利要求3所述一种铅铋合金熔化凝固特性实验系统，其特征在于：
5.根据权利要求4所述一种铅铋合金熔化凝固特性实验系统，其特征在于：
6.一种铅铋合金熔化凝固特性实验方法，基于权利要求1至5任一所述铅铋合金熔化凝固特性实验系统，其特征在于：包括铅铋合金熔化特性实验与铅铋合金凝固特性实验；
7.根据权利要求6所述一种研究铅铋合金熔化凝固特性的实验方法，其特征在于，步骤b3】具体为：
8.根据权利要求7所述一种研究铅铋合金熔化凝固特性的实验方法，其特征在于，步骤c3】具体为：
9.根据权利要求8所述一种研究铅铋合金熔化凝固特性的实验方法，其特征在于，步骤d3】具体为：
10.根据权利要求9所述一种研究铅铋合金熔化凝固特性的实验方法，其特征在于，所述铅铋合金熔化特性实验或铅铋合金凝固特性实验完成后，还包括：
