CN103730172A

CN103730172A - 一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内辅助加热系统

Info

Publication number: CN103730172A
Application number: CN201410013423.7A
Authority: CN
Inventors: 赵鹏程; 陈钊; 周光明; 王桂梅; 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: CN103730172B

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堆内辅助加热系统。该系统由气体贮存罐、过滤器、气体加热器、风机、气体输入管、内层热隔板、外层热隔板、底部加热环、气体输出管、堆芯冷却剂入口挡板、管道固定钢板以及设备之间相连的管道和阀门组成。该系统实现了在液态金属冷却池式反应堆主容器内对液态金属进行辅助加热的功能，系统结构简单，启动方便，投入运行后可在反应堆处于低功率或停堆工况时依然能在主容器内建立液态重金属的大空间自然循环，确保液态重金属温度在熔点以上，有效提高反应堆的可靠性和安全性。

Description

一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内辅助加热系统

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堆内辅助加热系统。

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主容器内，大大降低了一回路冷却剂丧失事故（LOCA）发生概率；主容器内装载大量的液态重金属，使反应堆具有良好的热惰性；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，省去了价格昂贵、制造工艺复杂的液态金属驱动泵，反应堆一回路不会发生失流事故（LOFA），提高了反应堆的经济性和可靠性，因此液态重金属冷却自然循环池式反应堆具有良好的固有安全性和经济性，成为小型反应堆的重要候选堆型之一。

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主容器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，必须对主容器内的液态重金属进行加热，以维持其为液态。

辅助加热系统是液态重金属冷却自然循环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比利时的加速器驱动铅铋冷却反应堆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液态铅铋，维持主容器内的铅铋温度在凝固点以上。但是系统结构复杂，检查和维修不便，可靠性不高。

另一种方式的典型代表为中国实验快堆CEFR的辅助加热系统，当主容器冷却剂需要进行辅助加热时，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，则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，系统设计复杂；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主容器内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。

同时中国科学院合肥物质研究院对液态重金属冷却自然循环池式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。但是一旦反应堆主容器发生破裂时，堆池内的冷却剂将进入主容器和安全容器形成的环腔内，淹没热氮气输入管道，系统将无法正常运行，此时反应堆堆池内冷却剂将存在凝固的危险，不利于反应堆的事故后处理。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种启动方便，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，实现在堆芯底部对主容器内液态重金属进行辅助加热的功能。系统投入运行后，可在反应堆处于低功率或停堆工况时依然能在主容器内建立液态重金属的大空间自然循环，确保液态重金属的温度在熔点以上，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：一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内辅助加热系统，系统由气体贮存罐1、过滤器2、气体加热器3、风机4、气体输入管5、内层热隔板6、外层热隔板7、底部加热环8、气体输出管9、堆芯冷却剂入口挡板10、管道固定钢板11以及上述各部件之间相连的管道和阀门组成；其中内层热隔板6和外层热隔板7均由上部竖直段、中部水平段、下部竖直段组成，内层热隔板6和外层热隔板7彼此之间留有间隙，形成热隔板间隙12，外层热隔板7上部竖直段紧贴主容器13的内壁面，内层热隔板6的下部竖直段与堆芯径向间隔15～20cm，内层热隔板6和外层热隔板7的上端悬挂在堆顶盖14上，下端连接堆芯冷却剂入口挡板10并与堆芯15相连；在热隔板间隙12的上部竖直段、中部水平段和下部竖直段均设置有管道固定钢板11，管道固定钢板11连接内层热隔板6和外层热隔板7，在管道固定钢板11、堆顶盖14和堆芯冷却剂入口挡板10上开有气体输入管5、气体输出管9的通过小孔；气体贮存罐1与过滤器2相连后再连接气体加热器3，气体加热器3再通过风机4与气体输入管5一端相连接，气体输入管5通过堆顶盖14的开孔后的进入热隔板间隙12内，气体输入管5穿过热隔板间隙12、管道固定钢板11开孔和堆芯冷却剂入口挡板10上的开孔后，与底部加热环8的一端相连，底部加热环8位于堆芯15正下方，底部加热环8的另一端与气体输出管9连接，气体输出管9穿过堆芯冷却剂入口挡板10上的开孔、热隔板间隙12、管道固定钢板11开孔和堆顶盖14上的开孔后，再通过相应的阀门和管道与气体贮存罐1相连，从而建立气体的闭式循环空间。

当反应堆处于低功率或停堆工况时，系统启动，气体贮存罐1的出口阀门打开，往系统内充入气体后关闭，气体流入过滤器2内，经过滤后的气体进入气体加热器3内加热，被加热的气体在风机4的作用下进入气体输入管5，气体经气体输入管5引入底部加热环8，与环外的液态金属完成热交换后，通过气体输入管9引出主容器13，并重新流入过滤器2，完成一次气体的闭式循环。

所述的系统中的气体输入管5和气体输出管9，气体输入管5沿主容器13中轴线对称布置，每2个气体输入管5的周向中间位置布置1个气体输出管9。堆顶盖14、管道固定钢板11和堆芯冷却剂入口挡板10上的开孔同气体输入管5和气体输出管9的连接部位装设有膨胀节，并做好密封处理，开孔的孔径与膨胀节外径相同。

所述的底部加热环8采用沿主容器13中轴线径向向外叠加的中空加热圆环设计，各加热圆环之间相互贯通；所述底部加热环8的直径与堆芯15的直径相当。

所述的管道固定钢板11为中心夹角为15°的环状结构，外环的半径与外层热隔板7的外径相同，内环的半径与内层热隔板6的半径相同。

所述气体贮存罐（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）本发明实现在堆芯底部对主容器内的液态重金属进行辅助加热，可在反应堆处于低功率或停堆工况时依然能在主容器内建立液态重金属的大空间自然循环，并确保堆池内的液态重金属温度在熔点以上。与中国科学院合肥物质研究院设计的液态金属池式反应堆辅助加热相比，本发明的优点在于直接在堆芯入口处对主容器液态重金属进行辅助加热，可进一步提高自然循环反应堆主容器内冷却剂在低功率或停堆工况时的自然循环能力，并确保系统在主容器破裂时依然能对主容器内的液态重金属进行辅助加热；同时加热管直接与液态重金属接触，可使辅助加热系统的加热效率更高。

（2）本发明的底部加热环结构简单，且采用沿主容器中轴线径向向外叠加的中空加热圆环设计，可有效降低辅助加热系统给堆芯入口冷却剂带来的形阻。与比利时的加速器驱动铅铋冷却反应堆MYRRHA的辅助加热系统相比，本发明的优点在于可降低系统设计复杂性，同时仅需检测气体输入、输出管道内的压力变化，即可判断气体输入管道是否泄漏，维修和检查均较为方便，可有效提高系统的可靠性。与中国实验快堆的辅助加热系统相比，本发明的优点在于可使系统设计更为简单，同时不会带来辅助加热导致主容器内液态重金属反转而带来热应力危害的问题。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是系统中气体输入管、气体输出管安装孔在堆顶盖的布置图；

图3是系统中热隔板间隙上部竖直段内的管道固定钢板布置图；

图4是系统中气体输入管、气体输出管安装孔在堆芯冷却剂入口挡板的布置图；

图5是系统中底部加热环结构示意图。

图中，1为气体贮存罐、2为过滤器、3为气体加热器、4为风机、5为气体输入管、6为内层热隔板、7为外层热隔板、8为底部加热环、9为气体输出管、10为堆芯冷却剂入口挡板、11为管道固定钢板，12为热隔板间隙、13为主容器、14为堆顶盖、15为堆芯。

具体实施方式

本发明提供了一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内辅助加热系统，下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细描述：

图1是本发明的系统结构示意图。本发明由气体贮存罐1、过滤器2、气体加热器3、风机4、气体输入管5、内层热隔板6、外层热隔板7、底部加热环8、气体输出管9、堆芯冷却剂入口挡板10、管道固定钢板11以及上述各部件之间相连的管道和阀门组成；其中内层热隔板6和外层热隔板7均由上部竖直段、中部水平段、下部竖直段组成，内层热隔板6和外层热隔板7彼此之间留有间隙，形成热隔板间隙12，外层热隔板7上部竖直段紧贴主容器13的内壁面，内层热隔板6的下部竖直段与堆芯径向间隔15～20cm，内层热隔板6和外层热隔板7的上端悬挂在堆顶盖14上，下端连接堆芯冷却剂入口挡板10并与堆芯15相连；管道固定钢板11位于热隔板间隙12内，并连接内层热隔板6和外层热隔板7，在管道固定钢板11、堆顶盖14和堆芯冷却剂入口挡板10上开有气体输入管5、气体输出管9的通过小孔；气体贮存罐1与过滤器2相连后再连接气体加热器3，气体加热器3再通过风机4与气体输入管5一端相连接，气体输入管5通过堆顶盖14的开孔后的进入热隔板间隙12内，气体输入管5穿过热隔板间隙12、管道固定钢板11开孔和堆芯冷却剂入口挡板10上的开孔后，与底部加热环8的一端相连，底部加热环8位于堆芯15正下方，底部加热环8的另一端与气体输出管9连接，气体输出管9穿过堆芯冷却剂入口挡板10上的开孔、热隔板间隙12、管道固定钢板11开孔和堆顶盖14上的开孔后，再通过相应的阀门和管道与气体贮存罐1相连，从而建立气体的闭式循环空间。

内层热隔板6和外层热隔板7的上部竖直段和下部竖直段为沿主容器13中轴线径向向外叠加，彼此留有间隙的圆桶型钢板，内层热隔板6和外层热隔板7的中部水平段为沿轴向向下叠加，彼此留有间隙的圆环钢板。

图2是系统中气体输入管、气体输出管在堆顶盖上的布置图。气体输入管5和气体输出管9沿主容器13的中轴线轴对称布置，在底部加热环8内形成对称的气体流场，可增强辅助加热效果，同时气体输入管5和气体输出管9的个数和管径可以根据反应堆辅助加热功率大小进行增减；所有的气体输入管5和气体输出管9均位于热分隔间隙12内，每2根气体输入管5的周向中间位置布置1根气体输出管9；考虑到反应堆内温度较高，气体输入管5和气体输出管9会出现一定程度的膨胀，气体输入管5和气体输出管9的最大管径要比热隔板间隙12小3～5cm，同时根据气体输入管5和气体输出管9的管径选择与之匹配的膨胀节，根据膨胀节的外径在堆顶盖上开设气体输入管5和气体输出管9的通过小孔；膨胀节布置于通过小孔和气体输入管5、气体输出管9的连接部位，并做好相应的密封处理。

图3是本发明中热隔板间隙上部竖直段内的管道固定钢板布置图。在热隔板间隙12的上部竖直段、中部水平段和下部竖直段均设置有管道固定钢板11；管道固定钢板11为中心夹角为15°的环状结构，外环的半径与外层热隔板7的内半径相同，内环的半径与内层热隔板6的外半径相同；每个管道固定钢板11上均开有小孔，同时根据气体输入管5和气体输出管9的管径选择与之匹配的膨胀节，根据膨胀节的外径在堆顶盖上开设气体输入管5和气体输出管9的通过小孔；膨胀节布置于通过小孔和气体输入管5、气体输出管9的连接部位，并做好相应的密封处理。

图4是本发明中气体输入管、气体输出管安装孔在堆芯冷却剂入口挡板的布置图。图中，在堆芯冷却剂入口挡板10上开设了小孔，各小孔沿主容器13的中轴线对称布置，每2个气体输入管5通过小孔周向中间位置开设一个气体输出管9通过小孔，所有的小孔均位于内层热隔板6和外层热隔板7之间；同时根据气体输入管5和气体输出管9的管径选择与之匹配的膨胀节，根据膨胀节的外径在堆顶盖上开设气体输入管5和气体输出管9的通过小孔；膨胀节布置于通过小孔和气体输入管5、气体输出管9的连接部位，并做好相应的密封处理。

图5是本发明底部加热环的结构示意图。图中的底部加热环8采用沿主容器13中轴线径向向外叠加的中空加热圆环设计，各加热圆环之间相互贯通，底部加热环8的直径与堆芯15的直径相当；中空加热圆环的层数和管径可以根据反应堆辅助加热功率大小进行增减；在本发明中，加热圆环设计可尽可能小的降低了堆芯入口冷却剂带来的局部阻力，采用周向加热，可使堆芯15入口冷却剂得到的加热更为均匀。同为为了保证系统的稳定运行，将底部加热环8置于距堆芯15底部15～20cm处，并通过相应的钢管或钢片将底部加热环8焊接固定在堆芯冷却剂入口挡板10上。

当反应堆处于低功率或停堆工况时，系统启动，气体贮存罐1的出口阀门打开，往系统内充入气体后关闭，气体流入过滤器2内，经过滤后的气体进入气体加热器3内加热，被加热的气体在风机4的作用下均匀分配给各气体输入管5，气体经气体输入管5引入底部加热环8，与环外的液态金属完成热交换后，通过气体输出管9引出主容器13，重新汇集后流入过滤器2，完成一次气体的闭式循环。

系统中的过滤器2可以除去风机内的灰尘和杂物等，以免赃物污染系统管道和设备。气体加热器3是加气体的主要热源。风机4为整个系统的气体循环提供动力，可通过调节气体加热器3功率与风机4转速以调节系统的辅助加热功率。

系统所采用的用于辅助加热的气体为惰性气体，可采用氩气、氮气等。

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，由气体贮存罐、过滤器、气体加热器、风机、气体输入管、内层热隔板、外层热隔板、底部加热环、气体输出管、堆芯冷却剂入口挡板、管道固定钢板以及设备之间相连的管道和阀门组成。相关的气体流动过程和权利要求1中所陈述的流程一致，在此不再赘述。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℃。

根据以上假设，对当反应堆处于低功率或停堆工况时，计算额定工况下的辅助加热系统主要技术参数。表1是铅铋冷却反应堆辅助加热系统处于额定工况时的主要技术参数。

表1铅铋冷却反应堆辅助加热系统处于额定工况时的主要技术参数

系统不但适用于液态重金属冷却自然循环池式反应堆，同样适用于液态重金属冷却或液态金属冷却的驱动循环池式反应堆。对于采用驱动循环的液态重金属或液态金属冷却池式反应堆，当反应堆处于低功率或停堆工况，如果主泵正常运行，则所述的系统底部加热环8直接加热堆芯入口的冷却剂，主泵维持主容器13内的液态重金属循环，能极大提高辅助加热效率；如果主泵因失电或故障而无法正常运行，则系统的运行可以使主容器13内的液态重金属建立自然循环，提高辅助加热效率，确保主容器13内的液态金属温度在熔点以上。

总之，本发明实现了在液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆池内对液态重金属进行辅助加热的功能，系统结构简单，启动方便，投入运行后可在反应堆处于低功率或停堆工况时，维持堆池内液态重金属的自然循环流动，确保液态重金属温度在熔点以上，有效提高反应堆的可靠性和安全性。

本发明未详细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堆内辅助加热系统，其特征在于：所述系统由气体贮存罐（1）、过滤器（2）、气体加热器（3）、风机（4）、气体输入管（5）、内层热隔板（6）、外层热隔板（7）、底部加热环（8）、气体输出管（9）、堆芯冷却剂入口挡板（10）、管道固定钢板（11）以及上述各部件之间相连的管道和阀门组成；其中内层热隔板（6）和外层热隔板（7）均由上部竖直段、中部水平段、下部竖直段组成，内层热隔板（6）和外层热隔板（7）彼此之间留有间隙，形成热隔板间隙（12），外层热隔板（7）上部竖直段紧贴主容器（13）的内壁面，内层热隔板（6）的下部竖直段与堆芯径向间隔15～20cm，内层热隔板（6）和外层热隔板（7）的上端悬挂在堆顶盖（14）上，下端连接堆芯冷却剂入口挡板（10）并与堆芯（15）相连；在热隔板间隙（12）的上部竖直段、中部水平段和下部竖直段均设置有管道固定钢板（11），管道固定钢板（11）连接内层热隔板（6）和外层热隔板（7），在管道固定钢板（11）、堆顶盖（14）和堆芯冷却剂入口挡板（10）上开有气体输入管（5）、气体输出管（9）的通过小孔；气体贮存罐（1）与过滤器（2）相连后再连接气体加热器（3），气体加热器（3）再通过风机（4）与气体输入管（5）一端相连接，气体输入管（5）通过堆顶盖（14）的开孔后的进入热隔板间隙（12）内，气体输入管（5）穿过热隔板间隙（12）、管道固定钢板（11）开孔和堆芯冷却剂入口挡板（10）上的开孔后，与底部加热环（8）的一端相连，底部加热环（8）位于堆芯（15）正下方，底部加热环（8）的另一端与气体输出管（9）连接，气体输出管（9）穿过堆芯冷却剂入口挡板（10）上的开孔、热隔板间隙（12）、管道固定钢板（11）开孔和堆顶盖（14）上的开孔后，再通过相应的阀门和管道与气体贮存罐（1）相连，从而建立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堆内辅助加热系统，其特征在于：所述气体输入管（5）和气体输出管（9），气体输入管（5）沿主容器（13）中轴线对称布置，每2个气体输入管（5）的周向中间位置布置1个气体输出管（9）；堆顶盖（14）、管道固定钢板（11）和堆芯冷却剂入口挡板（10）上的开孔同气体输入管（5）和气体输出管（9）的连接部位装设有膨胀节，并做好密封处理，开孔的孔径与膨胀节外径相同。

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堆内辅助加热系统，其特征在于：所述底部加热环（8）采用沿主容器（13）中轴线径向向外叠加的中空加热圆环设计，各加热圆环之间相互贯通；所述底部加热环（8）的直径与堆芯（15）的直径相当。

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堆内辅助加热系统，其特征在于：所述管道固定钢板（11）为中心夹角为15°的环状结构，外环的半径与外层热隔板（7）的外径相同，内环的半径与内层热隔板（6）的半径相同。

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堆内辅助加热系统，其特征在于：气体贮存罐（1）内贮存的气体为惰性气体。