CN103730171A

CN103730171A - 一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆辅助加热系统

Info

Publication number: CN103730171A
Application number: CN201410013413.3A
Authority: CN
Inventors: 赵鹏程; 王桂梅; 周光明; 陈钊; 陈红丽
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2014-01-12
Filing date: 2014-01-12
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2034-01-12
Also published as: CN103730171B

Abstract

本发明公开了一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆辅助加热系统。该系统包括气体贮存罐、过滤器、气体加热器、气体输入母管、气体主输入阀门、气体主输入管、抽气口、气体主输出阀门、气体主输出管、气体应急输入阀门、气体应急输入管、气体应急输出阀门、气体应急输出管、气体输出母管、抽气机以及设备之间相连的管道及其他阀门。该系统实现了在液态重金属冷却自然循环池式反应堆主容器和安全容器形成的环腔内对堆内液态重金属进行辅助加热的功能，系统结构简单，运行时无需增加和启动堆内构件，具有独立性和可靠性，可有效提高反应堆的安全性。

Description

一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆辅助加热系统

技术领域

本发明属于反应堆系统部件设计技术领域，具体涉及一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆辅助加热系统。

背景技术

液态重金属冷却自然循环池式反应堆采用一体化设计，所有的堆内部件均浸没在一个容器内，同时利用液态重金属良好的自然循环特性，主冷却剂系统采用自然循环驱动，极大降低了一回路冷却剂丧失事故的发生概率，具有良好的固有安全性和经济性。其的简单工作过程是：冷却剂由冷池进入堆芯，在自然循环驱动力的作用下冷却堆芯后汇入热池，热池的冷却剂进入主热交换器，将热量传递给二回路冷却剂并汇入冷池，形成一回路冷却剂的循环。

液态重金属冷却自然循环池式反应堆采用液态重金属作为冷却剂，当反应堆功率很低时，堆芯所产生的热量将不足以维持堆池内的液态重金属温度在熔点以上。若冷却剂一旦发生凝固，将会对反应堆堆本体的系统和设备造成严重的破坏。因此，当反应堆功率很低时，必须对液态重金属冷却剂进行加热，以维持其为液态。

辅助加热系统是液态重金属冷却池式反应堆的重要组成部分，目前液态金属冷却池式反应堆的辅助加热系统，主要有以下几种方式：

其中一种方式的典型代表为中国实验快堆CEFR的辅助加热系统，当反应堆处于低功率或停堆工况时，如果此时主泵仍能正常运行，使用主泵驱动堆池内的冷却剂钠，依靠主泵与钠的摩擦生热，对冷却剂进行加热。同时在二回路和事故余热排出系统中间回路布有电跟踪加热器，电跟踪加热器直接加热二回路和事故余热排出系统中间回路内的液态钠，然后分别通过置于堆池内的主热交换器和余热排出系统独立热交换器，将热量传递给主容器内的钠，同时依靠主泵维持堆池内冷却剂的正常循环，将热量传递给整个主容器内的冷却剂；如果此时主泵无法正常运转，仅依靠布置在二回路和事故余热排出系统中间回路上的电跟踪加热器将热量传递给主容器内的液态钠。但是这种辅助加热方式适用于采用驱动循环的液态金属冷却池式反应堆，同时当主泵无法运行，主要依靠二回路和事故余热排出系统中间回路给堆池冷却剂进行辅助加热时，会导致反应堆热池内冷却剂的流动出现反转，给堆内系统和设备带来较大的热应力危害。因此，这种辅助加热方式不适合于主冷却剂系统采用自然循环驱动的液态重金属冷却反应堆。

另一种典型方式为比利时设计的加速器驱动的铅铋冷却反应堆MYRRHA的辅助加热系统，该系统直接置于主容器底部，系统中安装电加热器，以此来直接加热堆池内的铅铋冷却剂，维持堆池内的铅铋温度在凝固点以上。但这种方式的加热装置安装在主容器内，增加了堆内结构的复杂性，同时需要考虑铅铋对电加热器的腐蚀作用，且系统检查和维修也不方便。

同时中国科学院合肥物质科学研究院对液态金属冷却反应堆的辅助加热系统进行了改进，其设计的方案启动方便，尤其适用于自然循环反应堆。但是当反应堆发生事故，且主容器发生破裂时，主容器和安全容器形成的环腔内会逐渐积累液态金属，淹没引入气体输入管道，系统将无法正常运行，此时反应堆内的冷却剂存在凝固的危险，对于反应堆的事故后处理极为不利。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服目前现有技术的不足，提供了一种启动方便，可靠性高，满足液态重金属冷却自然循环池式反应堆需求的辅助加热系统，实现了在主容器和安全容器环腔内对主容器内的液态重金属进行辅助加热的功能，运行时无需增加和启动堆内构件，同时系统采用独立性设计原则，可有效提高反应堆的可靠性和安全性。

本发明的技术解决方案：设计了一种液态重金属自然循环池式反应堆辅助加热系统，当反应堆处于低功率或停堆工况时，如果此时主容器完好，则通过引入气体直接加热主容器，在主容器外侧对反应堆内液态重金属进行辅助加热；如果此时主容器破裂，则通过位于主容器和安全容器环腔内的封闭气体管道，对依然维持在安全容器内的液态重金属进行加热，确保反应堆的冷却剂不发生凝固，提高反应堆的安全性。

一种液态重金属自然循环池式反应堆辅助加热系统，系统由气体贮存罐1、过滤器2、气体加热器3、气体输入母管4、气体主输入阀门5、气体主输入管6、抽气口7、气体主输出阀门8、气体主输出管9气体应急输入阀门10、气体应急输入管11、气体应急输出阀门12、气体应急输出管13、气体输出母管14、抽气机15以及设备之间相连的管道和其他阀门组成；其中主容器16位于安全容器17内部，主容器16和安全容器17上端均悬挂在堆顶盖18上，主容器16和安全容器17间存在一定的间隙，形成环腔20；系统内的各个加热子单元相互独立，每个加热子单元由气体主输入阀门5、气体主输入管6、抽气口7、气体主输出阀门8、气体主输出管9、气体应急输入阀门10、气体应急输入管11、气体应急输出阀门12、气体应急输出管13组成；每个加热子单元的气体主输入管6和气体应急输入管11均位于环腔20内，且气体主输入管6为开放管道，出气口19位于主容器16的正下方，气体应急输入管11为封闭的U型管，U型管的环形弯曲段位于主容器16底部；气体主输入阀门5和气体主输出阀门8分别位于气体主输入管6和气体主输出管9上，气体应急输入阀门10和气体应急输出阀门（12）分别位于气体应急输入管（11）和气体应急输出管（13）上；所有的加热子单元均围绕主容器（16）中轴线呈轴对称布置，彼此周向间距相等；抽气口（7）位于堆顶盖18上，且位于主容器16和安全容器17之间，每个加热子单元的周向中间位置布置一个抽气口7；气体贮存罐1与过滤器2相连，之后连接气体加热器3，随后与气体输入母管4相连，气体输入母管4与每个加热子单元的气体主输入管6、气体应急输入管11相连，气体主输入管6的出气口19连通环腔20，环腔20直接连通堆顶盖18上的抽气口7，抽气口7连接每个加热子单元的气体主输出管9，所有加热子单元的气体主输出管9连接到气体输出母管14上；每个加热子单元的气体应急输入管11连接加热子单元对应的气体应急输出管13，所有加热子单元的气体应急输出管13连接到气体输出母管14上。气体输出母管14连接抽气机15后通过相应的管道和阀门与气体贮存罐1相连，从而建立系统内气体的闭式循环空间。

当反应堆处于低功率或停堆工况时，启动辅助加热系统，气体贮存罐1的出口阀门打开，往辅助加热系统充入一定量的气体后，气体贮存罐1的出口阀门关闭；充入辅助加热系统的气体进入过滤器2，经过滤后的气体经气体加热器3加热后进入气体输入母管4，如果此时主容器16完好，则每个加热子单元的气体主输入阀门5、气体主输出阀门8均打开，气体应急输入阀门10、气体应急输出阀门12均关闭，热气体由气体输入母管4直接进入每个加热子单元的气体主输入管6，由出气口19进入主容器16和安全容器17形成的环腔20内，自下向上加热主容器16内的液态重金属，同时在抽气机15的作用下，由抽气口7进入各加热子单元的气体主输出管9，汇入气体输出母管14，并最终流入过滤器2，完成一次气体循环，实现系统的正常辅助加热功能；如果此时主容器16发生破裂，其内的液态重金属进入主容器16和安全容器17之间的环腔20内，将淹没气体主输入管6的出口19，此时关闭每个加热子单元的气体主输入阀门5、气体主输出阀门8，打开气体应急输入阀门10和气体应急输出阀门12，气体输入母管4内的热气体直接进入每个加热子单元的气体应急输入管11并加热管外的液态重金属，完成热交换后，在抽气机15的作用下，进入各加热子单元的气体应急输出管13并直接汇入气体输出母管14，最终流入过滤器2，完成一次气体循环，实现系统的应急辅助加热功能。

根据每个加热子单元的布置，在堆顶盖18上开设气体主输入管6和气体应急输入管11的通过小孔，在通过小孔与气体主输入管6和气体应急输入管11的连接部位装设膨胀节，并做好相应的密封处理。

根据每个加热子单元的周向中间位置，在堆顶盖18上开设抽气口7，在抽气口7与气体主输出管9的连接部位装设膨胀节，并做好相应的密封处理。

所述的加热子单元的个数可根据反应堆辅助加热功率大小进行增减。

所述的气体贮存罐（1）内贮存的气体为惰性气体。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）该系统中各个加热子单元彼此独立，任何1个或者2个加热子单元出现故障，仅需提高气体加热器和风机的功率，依靠剩余的加热子单元仍能确保系统正常运行，维持对主容器内液态重金属的辅助加热。系统设计体现了反应堆安全设计的独立性原则，可有效提高反应堆的可靠性和安全性。

（2）该系统可同时满足主容器完好和破裂情况下对主容器内的液态重金属辅助加热的要求，一旦反应堆发生事故且主容器破裂，通过每个加热子单元的气体应急输入管直接接触液态重金属进行加热，保证堆池内的冷却剂不发生凝固，为反应堆的事故后处理创造条件。与中国科学院合肥物质科学研究院设计的液态金属冷却池式反应堆辅助加热系统相比，本发明使辅助加热系统的应用范围扩展到主容器破裂的事故工况下。

（3）该系统采用惰性气体作为辅助加热介质，价值相对较便宜；惰性气体化学性质稳定，不会改变堆池内液态重金属的含氧量而加剧其对堆内结构材料的腐蚀；同时采用气体闭式循环，可防止放射性物质的逸散，有效提高了系统的经济性和安全性。

附图说明

图1是本发明的布置图；

图2是本发明的每个加热子单元的气体主输入管、气体主输出管道的示意图；

图3是本发明每个加热子单元气体主输入管、气体应急输入管和抽气口在堆顶盖上的布置图。

图中：1为气体贮存罐，2为过滤器，3为气体加热器，4为气体输入母管，5为气体主输入阀门，6为气体主输入管，7为抽气口，8为气体主输出阀门，9为气体主输出管，10为气体应急输入阀门，11为气体应急输入管，12为气体应急输出阀门，13为气体应急输出管，14为气体输出母管，15为抽气机，16为主容器，17为安全容器，18为堆顶盖，19为出气口，20为环腔。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆辅助加热系统，系统由气体贮存罐1、过滤器2、气体加热器3、气体输入母管4、气体主输入阀门5、气体主输入管6、抽气口7、气体主输出阀门8、气体主输出管9气体应急输入阀门10、气体应急输入管11、气体应急输出阀门12、气体应急输出管13、气体输出母管14、抽气机15以及设备之间相连的管道和其他阀门组成；其中主容器16位于安全容器17内部，主容器16和安全容器17上端均悬挂在堆顶盖18上，主容器16和安全容器17间存在一定的间隙，形成环腔20；系统内的各个加热子单元相互独立，每个加热子单元由气体主输入阀门5、气体主输入管6、抽气口7、气体主输出阀门8、气体主输出管9、气体应急输入阀门10、气体应急输入管11、气体应急输出阀门12、气体应急输出管13组成；每个加热子单元的气体主输入管6和气体应急输入管11均位于环腔20内，且气体主输入管6为开放管道，出气口19位于主容器16的正下方，气体应急输入管11为封闭的U型管，U型管的环形弯曲段位于主容器16底部；气体主输入阀门5和气体主输出阀门8分别位于气体主输入管6和气体主输出管9上，气体应急输入阀门10和气体应急输出阀门12分别位于气体应急输入管11和气体应急输出管13上；所有的加热子单元均围绕主容器16中轴线呈轴对称布置，彼此周向间距相等；抽气口7位于堆顶盖18上，且位于主容器16和安全容器17之间，每个加热子单元的周向中间位置布置一个抽气口7；气体贮存罐1与过滤器2相连，之后连接气体加热器3，随后与气体输入母管4相连，气体输入母管4与每个加热子单元的气体主输入管6、气体应急输入管11相连，气体主输入管6的出气口19连通环腔20，环腔20直接连通堆顶盖18上的抽气口7，抽气口7连接每个加热子单元的气体主输出管9，所有加热子单元的气体主输出管9连接到气体输出母管14上；每个加热子单元的气体应急输入管11连接加热子单元对应的气体应急输出管13，所有加热子单元的气体应急输出管13连接到气体输出母管14上。气体输出母管14连接抽气机15后通过相应的管道和阀门与气体贮存罐1相连，从而建立系统内气体的闭式循环空间。

图2是本发明的每个加热子单元的气体主输入管、气体主输出管道的示意图。考虑到反应堆内温度较高，每个加热子单元的气体主输入管6、气体应急输入管11均会存在一定程度的膨胀，因此气体主输入管6、气体应急输入管11的管径至少要比环腔20间隙小15～20cm左右；所述的每个加热子单元的气体输入管6、气体主输出管气体应急输入管11的管径和个数可以根据反应堆辅助加热功率的大小增减。

图3是本发明每个加热子单元气体主输入管、气体主输出管和抽气口在堆顶盖的布置图。由于气体主输出管9与抽气口7在堆顶盖18上直接相连，堆顶盖18温度较高，因此气体主输出管9会存在一定程度的膨胀，因此在抽气口7和气体主输出管9的连接部位同样需要装设膨胀节；在堆顶盖18上根据与气体主输入管6和气体应急输入管11相连的膨胀节外径开设通过小孔，同时根据与气体主输出管9相连的膨胀节外径开设抽气口，在通过小孔与气体主输入管6、气体应急输入管11以及对应膨胀节的连接部位做好相应密封处理，防止气体泄漏。

所述的加热子单元的个数可根据反应堆辅助加热功率大小进行增减。同时由于各个加热子单元采用轴对称布置，可在环腔20内对主容器14内的液态金属进行均匀加热，防止周向加热不均给主容器带来较大的热应力危害。表1是铅铋冷却反应堆处于额定工况时辅助加热系统的主要技术参数。

所述的气体贮存罐1内贮存的气体为惰性气体，可采用氩气、氮气等惰性气体。

下面以某铅铋冷却自然循环池式反应堆所设计的堆内辅助加热系统为例，对辅助加热系统的主要技术参数和相关运行工况进行阐述。

整个反应堆的的额定功率为10MW，铅铋（LBE）装量在550吨左右，铅铋的熔点在125℃。所设计的这种液态重金属冷却自然循环池式反应堆辅助加热系统，包括氮气贮存罐、过滤器、氮气加热器、氮气输入母管、氮气主输入阀门、氮气主输入管、抽气口、氮气主输出阀门、氮气主输出管、氮气应急输入阀门、氮气应急输入管、氮气应急输出阀门、氮气应急输出管、氮气输出母管、抽气机以及设备之间相连的管道及其他阀门。相关的部件静态连接方式、气体流动过程和权利要求1所陈述的一致。由于该反应堆设计有非能动事故余热排出系统RVACS，RVACS布置在安全容器外部，同时主容器和安全容器均布置于堆坑内。

在反应堆处于低功率或停堆工况时，将辅助加热系统、RVACS系统、堆坑及堆坑混凝土空气冷却剂系统作为一个整体进行研究分析，系统损失的热量是由堆顶盖空气对流散热Q₁、与主冷却剂相连的导热散热Q_L以及堆坑空气冷却系统的对流散热Q₂组成；提供给系统的热量Q由输入的氮气提供。

在这个系统中，有三种传热形式：

（1）对流换热：堆顶盖是大空间自然对流换热Q₁、堆坑冷却系统的空气对流换热Q₂；

（2）热传导：与主冷却剂系统相连系统的导热传热Q_L、RVACS上升管向下降管的导热传热Q_d、堆坑钢覆面向混凝土的导热Q_g；

（3）辐射换热（设备的辐射传热只能从温度高的物体给温度低的物体）：主容器向安全容器辐射换热Q_m、安全容器向隔热层辐射换热Q_an1、安全容器向RVACS上升管辐射换热Q_an2、隔热层向RVACS上升管辐射换热Q_ge、RVACS上升管向下降管的导热传热Q_d、RVACS下降管向堆坑钢覆面的辐射传热Q_s；

（4）当系统稳定之后，这些热传导之间的关系为:Q_m=Q_an1+Q_an2；Q_an1=Q_ge；Q_ge+Q_an2=Q_d；Q_d=Q_s；Q_s=Q_g=Q₂；Q1+Q_L+Q₂=Q。

在进行初步计算之前，首先对一些参数进行设置，这些设置包括：

（1）主容器内的液态铅铋温度为定值，取值225℃。由于液态铅铋的熔点为125℃，且我们所设计的反应堆冷停堆后的运行温度为225℃，因此选用这个温度进行计算。

（2）主容器壁面温度最低维持在225℃。在实际加热过程中，主容器的温度沿主容器高度方向分布，初步计算只是计算的一个平均值。初步估算时采用的温度值为LBE的温度。

（3）假设堆顶盖的温度为40℃，假设空气为理想气体，温度为20℃。

（4）主容器、安全容器、换热管、钢覆面用的都是316L，假设其发射率（黑度）为0.7。选择依据，在一些堆的辐射换热里面也是这么假设的。

（5）假设通过反应堆其他部件的导热散热量Q`为堆顶盖散热量的20%。

（6）假设隔热层具有很好的反射热的能力，能反射所有的辐射热。

（7）假设堆坑混凝土钢覆面的温度为80℃。

当反应堆处于低功率或停堆工况时，根据以上假设，分别计算主容器完好的正常工况，主容器破裂的事故工况时辅助加热系统相关运行参数，得到表1的铅铋冷却反应堆处于额定工况时辅助加热系统的主要技术参数。

表1铅铋冷却反应堆辅助加热系统正常工况、事故工况的主要技术参数

序号	技术参数	单位	数值
				1	反应堆热功率	MW	10
2	系统热功率	KW	46.8

3加热子单元个数	个	4
			4每个加热子单元功率	KW	11.7
5每个加热子单元气体主输入管管径	m	0.1
			6每个加热子单元气体主输出管管径	m	0.1
7每个加热子单元气体应急输入管管径	m	0.08
			8每个加热子单元气体应急输出管管径	m	0.08
9每个加热子单元气体主输入管气体流速	m/s	22.7
			10每个加热子单元气体应急输入管气体流速	m/s	35.5
11每个加热子单元气体主输入管气体进口温度	℃	300
			12每个加热子单元气体主输出管气体出口温度	℃	250
13每个加热子单元气体应急输入管气体进口温度	℃	300
			14每个加热子单元气体应急输出管气体出口温度	℃	220

系统中的过滤器2可以除去管道内气体夹杂的灰尘和杂物等，以免赃物污染系统管道和设备。气体加热器3是加热气体的主要热源，抽气机15是系统气体循环的主要动力。

本发明未阐述的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆辅助加热系统，其特征在于：系统由气体贮存罐（1）、过滤器（2）、气体加热器（3）、气体输入母管（4）、气体主输入阀门（5）、气体主输入管（6）、抽气口（7）、气体主输出阀门（8）、气体主输出管（9）气体应急输入阀门（10）、气体应急输入管（11）、气体应急输出阀门（12）、气体应急输出管（13）、气体输出母管（14）、抽气机（15）以及设备之间相连的管道和其他阀门组成；其中主容器（16）位于安全容器（17）内部，主容器（16）和安全容器（17）上端均悬挂在堆顶盖（18）上，主容器（16）和安全容器（17）间存在一定的间隙，形成环腔（20）；系统内的各个加热子单元相互独立，每个加热子单元由气体主输入阀门（5）、气体主输入管（6）、抽气口（7）、气体主输出阀门（8）、气体主输出管（9）、气体应急输入阀门（10）、气体应急输入管（11）、气体应急输出阀门（12）、气体应急输出管（13）组成；每个加热子单元的气体主输入管（6）和气体应急输入管（11）均位于环腔（20）内，且气体主输入管（6）为开放管道，出气口（19）位于主容器（16）的正下方，气体应急输入管（11）为封闭的U型管，U型管的环形弯曲段位于主容器（16）底部；气体主输入阀门（5）和气体主输出阀门（8）分别位于气体主输入管（6）和气体主输出管（9）上，气体应急输入阀门（10）和气体应急输出阀门（12）分别位于气体应急输入管（11）和气体应急输出管（13）上；所有的加热子单元均围绕主容器（16）中轴线呈轴对称布置，彼此周向间距相等；抽气口（7）位于堆顶盖（18）上，且位于主容器（16）和安全容器（17）之间，每个加热子单元的周向中间位置布置一个抽气口（7）；气体贮存罐（1）与过滤器（2）相连，之后连接气体加热器（3），随后与气体输入母管（4）相连，气体输入母管（4）与每个加热子单元的气体主输入管（6）、气体应急输入管（11）相连，气体主输入管（6）的出气口（19）连通环腔（20），环腔（20）直接连通堆顶盖（18）上的抽气口（7），抽气口（7）连接每个加热子单元的气体主输出管（9），所有加热子单元的气体主输出管（9）连接到气体输出母管（14）上；每个加热子单元的气体应急输入管（11）连接加热子单元对应的气体应急输出管（13），所有加热子单元的气体应急输出管（13）连接到气体输出母管（14）上。气体输出母管（14）连接抽气机（15）后通过相应的管道和阀门与气体贮存罐（1）相连，从而建立系统内气体的闭式循环空间。

2.根据权利要求1所述的一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆辅助加热系统，其特征在于：根据每个加热子单元的布置，在堆顶盖（18）上开设气体主输入管（6）和气体应急输入管（11）的通过小孔，在通过小孔与气体主输入管（6）和气体应急输入管（11）的连接部位装设膨胀节，并做好相应的密封处理。

3.根据权利要求1所述的一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆辅助加热系统，其特征在于：根据每个加热子单元的周向中间位置，在堆顶盖（18）上开设抽气口（7），在抽气口（7）与气体主输出管（9）的连接部位装设膨胀节，并做好相应的密封处理。

4.根据权利要求1所述的一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆辅助加热系统，其特征在于：所述加热子单元的个数根据反应堆辅助加热功率大小进行增减。

5.根据权利要求1所述的一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆辅助加热系统，其特征在于：所述的气体贮存罐（1）内贮存的气体为惰性气体。