CN103280247B - 一种氟盐冷却高温堆的非能动余热排出系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氟盐冷却高温堆的非能动余热排出系统，包括设置有空气热交换器的空气冷却塔，非能动余热排出系统还包括：设置有反应堆堆芯的熔盐池，熔盐池中填充有第一熔盐；固定设置于熔盐池中用于支撑反应堆堆芯的支撑环，支撑环在临近熔盐池的底部的部分上设有供第一熔盐穿过的流道；支撑环和熔盐池之间设置有径向延伸的分流板，从而将支撑环外的第一熔盐分为上下两个部分；分流板上设置有至少一个限流装置；该至少一个限流装置的正上方设置有浸没在第一熔盐中的熔盐热交换器，熔盐热交换器通过管路与空气热交换器形成封闭的循环回路，循环回路中填充有第二熔盐。该非能动余热排出系统通过流过反应堆堆芯的熔盐进行热量交换，大大提高热传递的效率。

Description

一种氟盐冷却高温堆的非能动余热排出系统
技术领域
本发明涉及反应堆的安全设施技术领域，更具体地涉及一种氟盐冷却高温堆的非能动余热排出系统。
背景技术
在核反应堆的应用领域，当发生事故而触发反应堆紧急停堆后，由于堆芯内的剩余裂变和裂变产物的衰变，产生的衰变热需要通过专门设置的余热排出系统将其载出至最终热阱。否则，堆内热量积累和温度升高可能导致核安全事故。采用非能动的安全设计理念是当今先进核反应堆的发展趋势。
美国设计的AP1000先进压水堆设计的非能动余热载出系统，在非能动热交换器出口管线上设置常关的气动阀来控制正常运行工况下的流量。事故工况下通过空气压力丧失或者控制信号触发下打开气动阀使系统投入使用。由于需要一系列阀门的动作，依靠外界信号的启动，因此依旧存在失效的可能性。中国原子能研究院设计的中国实验快堆，但是它是通过能动的入口风门和出口风门来控制系统是否投入使用。
美国科学家本世纪初提出了氟盐冷却高温堆（Fluoridesalt-cooledHightemperatureReactors，FHRs）的概念，并设想采用碳化硅密封、石墨包敷的燃料颗粒（TRISO）作为核燃料，用氟化熔盐作为反应堆的冷却剂，工作在常压下（小于10个大气压），反应堆出口温度设计为700℃-1000℃。氟盐冷却高温堆被认为集成了熔盐堆、高温气冷堆、钠冷快堆和压水堆的优点，具有安全性、经济性、防核扩散和高效率利用核燃料等特点。
如果氟盐冷却高温堆借鉴池式钠冷快堆非能动事故余热排放的设计理念，由于熔融的氟盐作为反应堆的冷却剂，温度比较高，空冷塔内氟盐和空气温差大，在热备用状态下，散失的热量较大，降低了堆芯的热效率。显然，这种池式钠冷快堆非能动事故余热排放系统并不适用氟盐冷却高温堆。
总之，针对氟盐冷却高温堆的余热排出系统无论能动亦或非能动皆无相关现有技术见诸报道或公开。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种针对氟盐冷却高温堆的具有非能动安全特性的非能动余热排出系统。
本发明所述的非能动余热排出系统包括设置有空气热交换器的空气冷却塔，所述非能动余热排出系统还包括：设置有反应堆堆芯的熔盐池，所述熔盐池中填充有第一熔盐；固定设置于所述熔盐池中用于支撑所述反应堆堆芯的支撑环，所述支撑环在临近所述熔盐池的底部的部分上设有供所述第一熔盐穿过的流道；所述支撑环和所述熔盐池之间设置有径向延伸的分流板，从而将所述支撑环外的第一熔盐分为上下两个部分；所述分流板上设置有至少一个限流装置；该至少一个限流装置的正上方设置有浸没在所述第一熔盐中的熔盐热交换器，所述熔盐热交换器通过管路与所述空气热交换器形成封闭的循环回路，所述循环回路中填充有第二熔盐。
所述限流装置是流体二极管。
所述空气冷却塔具有入口风门和出口风门，所述入口风门设置于所述空气冷却塔的下方，而所述出口风门设置于所述空气冷却塔的上方。
所述限流装置至少有两个，并对称地设置于所述分流板上。
所述循环回路上设有熔盐膨胀罐。
所述熔盐膨胀罐的顶端设有惰性气体进口接管阀。
所述第一熔盐和所述第二熔盐是相同或不相同的熔盐。
所述循环回路中的管路与空气热交换器的外部均设置有加热装置。
所述循环回路还设置有用于检测循环回路的温度的温控装置。
所述熔盐池的外部设置有保护容器。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明针对氟盐冷却高温堆，通过在分流板上设置限流装置（例如流体二极管），确保了在反应堆正常运行过程中，流体二极管处于反向流动状态，只有极少量的熔盐经过流体二极管，大量熔盐冷却剂经过主要冷却回路进行冷却；而在事故工况下，限流装置正向流动，大量熔盐通过该限流装置，经熔盐热交换器，带走事故下反应堆的余热。另外，将熔盐热交换器浸没在第一熔盐中，可以防止熔盐池破裂时熔盐热交换器暴露，如此既能保证该系统在事故状态下的正常工作，也能提高备用工况下，反应堆堆芯的热效率。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的非能动余热排出系统的结构示意图；
图2是根据本发明的又一个实施例的非能动余热排出系统的循环回路的示意图。
其中：
10熔盐池
11支撑环
12分流板
13流体二极管
14，140熔盐热交换器
15流道
16熔盐膨胀罐
17进口接管阀
20空气冷却塔
21，210空气热交换器
22入口风门
23出口风门
30反应堆堆芯
40a冷管路
40b热管路
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
根据本发明的一个实施例的非能动余热排出系统如图1所示，包括熔盐池10和空气冷却塔20。
反应堆堆芯30布置在填充有第一熔盐的熔盐池10中，围绕着该反应堆堆芯30设置的支撑环11在熔盐池10内固定连接，该支撑环11为环绕反应堆堆芯30的圆筒壁，从而将熔盐池内的熔盐大体划分为内部熔盐和外部熔盐这两个部分。在该支撑环11的外壁与熔盐池10的内壁之间设置有大体径向延伸的分流板12，从而将支撑环11和熔盐池10之间的熔盐（外部熔盐）大体划分为上下两个部分。在本实施例中，该分流板12上对称地设置有两个流体二极管13，该流体二极管13具有不同流体阻力的正反流动状态，能够大体控制外部熔盐的流动方向（关于流体二极管可参考专利：US8291976B2）。在各流体二极管13的上方均设置有被第一熔盐浸没的熔盐热交换器14，该熔盐热交换器14通过管路40a，40b与空气热交换器21形成封闭的循环回路。循环回路中循环流动的是第二熔盐。在本实施例中，该循环回路中的第二熔盐与熔盐池6内的第一熔盐是不同种类的两种本领域所公知的熔盐，以满足各种要求。管路40可被人为区分为冷管路40a和热管路40b。支撑环11在临近熔盐池10的底部的部分上设有流道15，内部熔盐和外部熔盐可以通过该流道15在熔盐池的底部附近进行流动。空气热交换器21设置于空气冷却塔20内。该空气冷却塔20的下方设有入口风门22，空气冷却塔20的上方设有出口风门23。
根据本发明的非能动余热排出系统的工作原理如下：
（1）在正常运行工况下，在主循环泵所提供的水力压头作用，流体二极管13处于反向流动状态，由于流体二极管13的反向流动具有较大的流体阻力，因此确保大部分冷熔盐（第一熔盐）作为内部熔盐从反应堆堆芯30流过，仅有少量的冷熔盐通过流体二极管13往上流动。
（2）在事故工况下，主循环泵停止运转，反应堆堆芯30的余热使得热熔盐（第一熔盐）上升至熔盐池6的上部，而冷熔盐（第一熔盐）处于熔盐池6的下部，当熔盐池6内的上下温差达到一定值时，流体二极管3处于正向流动状态，由于流体二极管13的正向流动具有较小的流体阻力，熔盐池6内建立起自然循环通道，这样，反应堆堆芯30的余热被传导至第一熔盐中。熔盐热交换器14的内外的第二熔盐和第一熔盐的热交换增强，循环回路中的第二熔盐的温度升高，熔盐池6中的第一熔盐的温度降低。由于空气热交换器21和熔盐热交换器14之间存在一定的高度差，循环回路中的第二熔盐的温度升高后产生提升压头，成为循环回路自然循环的驱动力并使其沿热管路40b流至空气冷却塔20中的空气热交换器21，在流经空气冷却塔20时，与空气热交换器21外部的空气进行热交换，温度降低后再沿冷管路40a流回熔盐热交换器14。冷空气经由空气冷却塔20下方的入口风门22进入，在空气热交换器21外侧被加热。热空气向上流出空气冷却塔20，将热量传至最终的热阱——大气。
本发明通过在分流板上设置流体二极管，确保在反应堆正常运行过程中，流体二极管处于反向流动状态，只有极少量的熔盐经过流体二极管，大量熔盐冷却剂经过主要冷却回路进行冷却；而在事故工况下，流体二极管正向流动，大量熔盐通过该流体二极管，经熔盐热交换器，带走事故下反应堆的余热。另外，将熔盐热交换器浸没在第一熔盐中，可以防止熔盐池破裂时熔盐热交换器暴露，如此既能保证该系统在事故状态下的正常工作，也能提高备用工况下，反应堆堆芯的热效率。
应该理解，虽然上述实施例中给出的是流体二极管的例子，但是任何的能够控制流体方向的限流装置均可根据需要用于本发明的实施例中。该限流装置在两个方向上的流体阻力不同，例如漏斗状的装置。
在本发明的又一个实施例中，由熔盐热交换器140通过管路与空气热交换器210形成的封闭的循环回路上设有熔盐膨胀罐16，如图2所示。该熔盐膨胀罐可以作为循环回路上的熔盐的注入口。该熔盐膨胀罐16的顶端设有惰性气体，如氦气进口接管阀17，用于补偿运行过程中温度变化造成的熔盐体积变化，并保持较为平稳的运行压力。
在本发明的又一个实施例中，循环回路中的第二熔盐与熔盐池中的第一熔盐是相同的熔盐。
在本发明的又一个实施例中，循环回路的除了熔盐热交换器之外的组件的外部均设置有加热装置，例如加热丝和保温层。空气热交换器和管路的外部均设置有加热装置。如果循环回路上设置有熔盐膨胀罐，该熔盐膨胀罐的外部同样设置有加热装置。
在本发明的又一个实施例中，循环回路中设置有温控装置，用于检测循环回路的温度。
在本发明的又一个实施例中，熔盐池的外部设置有保护容器。
在本发明的又一个实施例中，分流板上对称地设置有三个流体二极管，从而构成三套余热排出序列。由于每个序列均具有独立的将反应堆堆芯的余热排出的能力，因此，这几个并列设置的余热排出序列互不影响，只要有一套余热排出序列保持正常工作即可实现本发明的目的。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种氟盐冷却高温堆的非能动余热排出系统，包括设置有空气热交换器(21)的空气冷却塔(20)，其特征在于，所述非能动余热排出系统还包括：
设置有反应堆堆芯(30)的熔盐池(10)，所述熔盐池(10)的外部设置有保护容器，所述熔盐池(10)中填充有第一熔盐；固定设置于所述熔盐池(10)中用于支撑所述反应堆堆芯(30)的支撑环(11)，所述支撑环(11)为环绕所述反应堆堆芯(30)的圆筒壁，从而将第一熔盐划分为内部熔盐和外部熔盐，所述支撑环(11)在临近所述熔盐池(10)的底部的部分上设有供所述第一熔盐穿过的流道(15)，所述内部熔盐和所述外部熔盐通过所述流道(15)在所述熔盐池(10)的底部附近进行流动；
所述支撑环(11)的外壁和所述熔盐池(10)的内壁之间设置有径向延伸的分流板(12)，从而将所述外部熔盐分为上下两个部分；
所述分流板(12)上设置有多个流体二极管(13)；
各流体二极管(13)的正上方设置有浸没在所述第一熔盐中的熔盐热交换器(14)，所述熔盐热交换器(14)通过管路(40a，40b)与所述空气热交换器(21)形成封闭的循环回路，所述循环回路中填充有第二熔盐。
2.根据权利要求1所述的非能动余热排出系统，其特征在于，所述空气冷却塔(20)具有入口风门(22)和出口风门(23)，所述入口风门(22)设置于所述空气冷却塔(20)的下方，而所述出口风门(23)设置于所述空气冷却塔(20)的上方。
3.根据权利要求1所述的非能动余热排出系统，其特征在于，所述循环回路上设有熔盐膨胀罐(16)。
4.根据权利要求3所述的非能动余热排出系统，其特征在于，所述熔盐膨胀罐(16)的顶端设有惰性气体进口接管阀(17)。
5.根据权利要求1所述的非能动余热排出系统，其特征在于，所述第一熔盐和所述第二熔盐是相同或不相同的熔盐。
6.根据权利要求1所述的非能动余热排出系统，其特征在于，所述循环回路中的管路(40a，40b)与空气热交换器(21)的外部均设置有加热装置。
7.根据权利要求1所述的非能动余热排出系统，其特征在于，所述循环回路还设置有用于检测循环回路的温度的温控装置。
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