CN102446564B - 一种非能动自然循环铅铋换热装置导出堆芯热量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于核能换热设备领域的涉及利用铅铋流体传热的一种非能动自然循环铅铋换热装置及导出堆芯热量的方法。具体说包括圆环形和方环形两种自然循环传热回路结构，是一种在双侧实现自然循环传热的装置；内环管内圈为一次侧铅铋合金流体通道，内环管外圈与外环管内壁之间为二次侧流体通道；在ADS加速器驱动系统次临界反应堆产生的热量，由液态铅铋合金经该装置内环管传给二回路的冷却剂。铅铋合金流经该装置与二次侧流体换热。两侧换热流体由于密度差的驱动形成自然循环，具有高效节能和安全可靠的非能动特点，该装置简单易行，省去复杂的铅铋泵，无需动力源，具有节能安全和可靠性高的特点。符合当前节能减排政策，容易进行市场推广。
Description
技术领域
本发明属于核能换热设备领域，特别涉及利用铅铋流体传热的一种非能动自然循环铅铋换热装置及导出堆芯热量的方法。具体说，在ADS次临界反应堆产生的热量，由该装置带出热量，以保证ADS反应堆安全运行，实现新能源的正常发电。
背景技术
ADS（accelerate driven system，加速器驱动系统）是最有前景的嬗变技术之一。它由中能强流质子加速器、外源中子产生靶和次临界反应堆构成，是一种高效的核废物嬗变炉。ADS的基本原理如下：由加速器产生的质子束轰击在次临界堆中的重金属靶件，引起散裂反应，再通过核内级联和核外级联产生中子，散裂中子靶为次临界堆提供外源中子。
在ADS中利用液态铅铋合金(PbBi)作为散裂靶兼冷却剂，除了具有很好的中子学性能之外，还具有优良的抗辐照性能、传热性能和安全特性，可以提高靶系统的寿命和次临界反应堆的安全性。由于ADS堆芯冷却剂采用的是铅铋合金这种特殊的材料，因此，有必要设计一种铅铋换热装置将热量有效导出。
现阶段国内ADS正处于起步阶段，研究大都集中于ADS反应堆堆芯中的中子物理研究，铅铋换热及其装置刚刚起步。目前，由于还没用建成ADS反应堆，国外也仅仅在实验回路上开展研究工作。1998年，法国、意大利、西班牙决定成立一个欧洲实验加速器驱动系统（XADS）的研发平台。为了满足技术研发的需要，参与者已经扩大到欧盟多数国家。意大利投入了很大力量，设计一台80MW的XADS。瑞典皇家理工学院（KTH）也承担了欧盟XADS计划的一部分，建造了试验设备，来测试铅铋冷却反应堆的稳态和瞬态热工水力特性。所有实验中采 取的换热主要是最简单套管式换热，意大利对U型管式换热进行了简单研究。但所有研究都基于强迫循环换热，需要动力支持，且铅铋泵的制造也是一种复杂的工艺。两侧换热流由密度差自然循环驱动的铅铋换热装置省略了铅铋泵这一环节，不需要动力源，更好更安全地实现热量的有效传递。
发明内容
本发明的目的是提供一种非能动自然循环铅铋换热装置及导出堆芯热量的方法，其特征在于，所述换热装置是一种在双侧实现自然循环传热的装置，包括圆环形和方环形两种自然循环传热回路结构；铅铋换热装置的基本回路结构如下：由铅铋合金加热器1、铅铋合金上充下泄泵7、铅铋合金贮存池6和铅铋合金换热装置3的一次侧铅铋合金流体通道10构成一回路，氩气贮存池8接在一次侧铅铋合金流体通道10和铅铋合金加热器1的公共通道上，铅铋合金贮存池6与一次侧铅铋合金流体通道10和铅铋合金上充下泄泵7连接；由铅铋合金换热装置3的二次侧流体通道9、二回路冷却器2和二回路流体上充下泄泵5构成二回路，二回路冷却剂贮存池4与二次侧流体通道9和二回路流体上充下泄泵5连接。
所述铅铋合金换热装置为圆环形自然循环传热回路的结构是换热装置外环管12内支撑相互连接的4个结构相同的内环管11；内环管11内圈为一次侧铅铋合金流体通道10，内环管11外圈与外环管12内壁之间为二次侧流体通道9；铅铋合金换热装置两端分别为下联箱13和上联箱14。
所述铅铋合金换热装置为方环形自然循环传热回路的结构是在方环形的外环管12内支撑一个方环形的内环管11，内环管11内圈为一次侧铅铋合金流体通道10，内环管外圈与外环管12内壁之间为二次侧流体通道9；铅铋合金换热装置两端分别为下联箱13和上联箱14。
所述非能动自然循环铅铋换热装置导出堆芯热量的方法是来自ADS堆芯产生热量，经过下联箱13，由载热液体铅铋合金流入铅铋合金换热装置3的一次侧 铅铋合金流体通道10，将热量传给换热管道内环管11，由于在ADS堆芯受热，其在内环管一次侧铅铋合金流体通道10入口温度为400℃，出口温度为300℃，内环管11与二次侧流体通道9内的二回路冷却剂进行热量交换，受到冷却的液体铅铋合金流出至上联箱14，具有较低温度的液体铅铋合金流入铅铋合金加热器1，继续吸收堆芯热量，由此实现热量的导出，完成一个循环。
所述一次侧铅铋合金要实现自然循环，需要加入氩气进行拉抬，以提升其自然循环能力。铅铋共晶合金LBE的熔点虽然比钠稍高，但其化学活性比较弱，具有传热性能和安全特性。
所述二次侧的冷却剂应能将一回路铅铋合金冷却到所需的水平。在340℃高温下连续工作，热分解率低，与LBE不发生化学反应，自燃点远远超过运行温度。因此冷却剂选择为沸腾水、甘油和氢化三联苯；采取逆流式换热，即铅铋合金流动方向和二次侧工质流动方向相反的方式。
本发明的突出优点是该装置简单易行，省去复杂的铅铋泵，无需动力源，具有节能安全和可靠性高的特点。符合当前节能减排政策，容易进行市场推广。ADS是为了新能源可选择先进技术之一，非能动自然循环铅铋换热装置也必然有重要应用前景。
附图说明
图1是自然循环铅铋换热装置布置回路示意图。
图2是一种圆环形非能动自然循环铅铋换热装置俯视图。
图3是一种方环形非能动自然循环铅铋换热装置示俯视图。
图4是圆环形和方环形铅铋合金换热装置的剖面侧视图，其中a为图2的A-A剖面图；b为图2的B-B剖面图；c为图3的C-C剖面图。
具体实施方式
本发明提供一种非能动自然循环铅铋换热装置。下面结合附图予以说明。
图1是自然循环铅铋换热装置布置回路示意图。图中，由铅铋合金加热器1、铅铋合金上充下泄泵7、铅铋合金贮存池6和铅铋合金换热装置3的一次侧铅铋合金流体通道10构成一回路，氩气贮存池8接在一次侧铅铋合金流体通道10和铅铋合金加热器1的公共通道上，铅铋合金贮存池6与一次侧铅铋合金流体通道10和铅铋合金上充下泄泵7连接；由铅铋合金换热装置3的二次侧流体通道9、二回路冷却器2和二回路流体上充下泄泵5构成二回路，二回路冷却剂贮存池4与二次侧流体通道9和二回路流体上充下泄泵5连接。
本装置工作原理是来自ADS堆芯产生热量，经过下联箱13，由载热液体铅铋合金流入铅铋合金换热装置3的一次侧铅铋合金流体通道10，将热量传给换热管道内环管11，由于在ADS堆芯受热，其在内环管一次侧铅铋合金流体通道10入口温度为400℃，出口温度为300℃，内环管11与二次侧流体通道9内的二回路冷却剂（如低压沸腾水的入口温度为20℃，出口温度为100℃）进行热量交换，受到冷却的液体铅铋合金流出至上联箱14，具有较低温度的液体铅铋合金流入铅铋合金加热器1，继续吸收堆芯热量，由此实现热量的导出，完成一个循环。其中，一次侧铅铋合金要实现自然循环，需要加入氩气进行拉抬，以提升其自然循环能力。铅铋共晶合金LBE的熔点虽然比钠稍高，但其化学活性比较弱，具有传热性能和安全特性。二次侧的冷却剂应能将一回路铅铋合金冷却到所需的水平。在340℃高温下连续工作，热分解率低，与LBE不发生化学反应，自燃点远远超过运行温度。因此冷却剂选择为沸腾水、甘油和氢化三联苯；采取逆流式换热，即铅铋合金流动和二次侧工质采取反向流动，如图4（a、b、c）所示。
启动时或维修时，铅铋合金上充下泄泵7将铅铋合金贮存池6中的铅铋合金泵入或泵出回路，铅铋合金流经铅铋合金加热器1，到达铅铋合金换热装置3，充满整个回路后铅铋合金上充下泄泵7停运。二回路流体上充下泄泵5将二回路 冷却剂贮存池4中的二回路冷却剂泵入铅铋合金换热装置3，然后进入一个自身回路的换热器2直至充满整个回路后，二回路流体上充下泄泵5停运。
图2是一种圆环形非能动自然循环铅铋换热装置俯视图。图中，换热装置外环管12内支撑相互连接的4个结构相同的内环管11；内环管11内圈为一次侧铅铋合金流体通道10，内环管11外圈与外环管12内壁之间为二次侧流体通道9；铅铋合金换热装置两端分别为下联箱13和上联箱14。
图3是一种方环形非能动自然循环铅铋换热装置俯视图。在方环形的外环管12内支撑一个方环形的内环管11，内环管11内圈为一次侧铅铋合金流体通道10，内环管外圈与外环管12内壁之间为二次侧流体通道9；铅铋合金换热装置两端分别为下联箱13和上联箱14。上述圆环形和方环形两种自然循环铅铋换热装置所采取的自然循环流动方式相同，结构设计有一定区别。图3所代表的方环形结构，由于矩形造成回流的作用，促使换热增加，更均匀更好地带走堆芯所产生的热量。无论是图2的圆环形，还是图3的方环形结构，基本流动换热方式为：进入流入铅铋合金换热装置3的一次侧铅铋合金流体通道10，液体铅铋合金把热量传给内环管11；进而传给进入二次侧管道9的流动工质（如低压沸腾水），流动工质由于被加热产生密度差，靠自然循环流出二次侧管道9。在流动工质外的外环管12还要向环境散发热量。由此，实现热量的输运过程。
铅铋合金换热装置内单元环管的内环管小圆直径为5mm-20mm，外环管直径为30mm-100mm，长度约1m-3m。
Claims (3)
1.一种非能动自然循环铅铋换热装置导出堆芯热量的方法，所述换热装置是一种在双侧实现自然循环传热的装置，包括圆环形和方环形两种自然循环传热回路结构；铅铋换热装置的基本回路结构如下：由铅铋合金加热器（1）、铅铋合金上充下泄泵（7）、铅铋合金贮存池（6）和铅铋合金换热装置（3）的一次侧铅铋合金流体通道（10）构成一回路，氩气贮存池（8）接在一次侧铅铋合金流体通道（10）和铅铋合金加热器（1）的公共通道上，铅铋合金贮存池（6）与一次侧铅铋合金流体通道（10）和铅铋合金上充下泄泵（7）连接；由铅铋合金换热装置（3）的二次侧流体通道（9）、二回路冷却器（2）和二回路流体上充下泄泵（5）构成二回路，二回路冷却剂贮存池（4）与二次侧流体通道（9）和二回路流体上充下泄泵（5）连接；其特征在于，所述非能动自然循环铅铋换热装置导出堆芯热量的方法是来自ADS堆芯产生热量经过下联箱（13）由载热液体铅铋合金流入铅铋合金换热装置（3）的一次侧铅铋合金流体通道（10），将热量传给换热管道内环管（11），由于在ADS堆芯受热，其在内环管一次侧铅铋合金流体通道（10）入口温度为400℃，出口温度为300℃，内环管（11）与二次侧流体通道（9）内的二回路冷却剂进行热量交换，受到冷却的液体铅铋合金流出至上联箱（14），具有较低温度的液体铅铋合金流入铅铋合金加热器（1），继续吸收堆芯热量，由此实现热量的导出，完成一个循环。
2.根据权利要求1所述非能动自然循环铅铋换热装置导出堆芯热量的方法，其特征在于，所述一次侧铅铋合金要实现自然循环，需要加入氩气进行拉抬，以提升其自然循环能力，铅铋共晶合金LBE的熔点虽然比钠稍高，但其化学活性比较弱，具有传热性能和安全特性。
3.根据权利要求1所述非能动自然循环铅铋换热装置导出堆芯热量的方法，其特征在于，所述二次侧的冷却剂应能将一回路铅铋合金冷却到所需的水平，在340℃高温下连续工作，热分解率低，与LBE不发生化学反应，自燃点远远超过运行温度，因此冷却剂选择为沸腾水、甘油或氢化三联苯；采取逆流式换热，即铅铋合金流动和二次侧工质采取反向流动。
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