CN103824603A - 一种驱动高温液态金属循环流动冷却堆内部件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种驱动高温液态金属循环流动冷却堆内部件的方法，在高压(2MPa)椭性气体氩气压力的作用下，液态金属自左侧液态金属罐流出至堆内部件，载出核热的高温液态金属流至换热器与二回路工质换热后流入右侧液态金属罐。当液位降至规定值时，控制系统控制电磁换向阀切换，左右两侧液态金属罐分别卸气和充气至规定压力。控制液控单向阀导通，液态金属将自右侧液态金属罐流经堆内部件，高温液态金属经过换热后进入左侧液态金属罐。周期性地循环驱动高温液态金属稳定地流动，实现对反应堆堆内部件的冷却。该系统由于采用高压椭性气体驱动高温液态金属流动，克服了电磁泵驱动高温液态金属的限制，解决了先进反应堆高温液态金属循环流动的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种驱动高温（大于350℃）液态金属循环流动冷却堆内部件的方法，属于先进核反应堆热工水力学领域。
背景技术
先进反应堆选择液态金属作为冷却剂的主要包括聚变堆和裂变堆两个方面。目前，聚变堆主要是采用液态锂铅或液态锂冷却偏滤器和包层；先进裂变核反应堆中采用液态金属作为冷却剂的有第四代堆型发展的钠冷快中子堆、氟锂铍熔盐堆和加速器驱动铅铋冷却快中子反应堆等。
液态金属由于具有中子产额高、载热能力强、冷却效果好，且安全性好等明显优点，可将系统中的核反应热迅速传递出去，获得高出口温度，从而提高热电转换效率，是目前先进反应堆主选冷却剂。其缺点是高温流动的液态金属对结构腐蚀性强，且高温条件下驱动其流动比较困难。
现行采用液态金属作为冷却剂的反应堆，大多采用高温电磁泵或大型高温机械泵驱动。由于制造技术、工艺及材料等的限制，液态金属在其运行段的工作温度均难以超350℃。为了驱动液态金属流动，需要将出口温度高于350℃的高温液态金属降低温度运行，或高温运行条件下增加驱动泵的更换频率。该方法不仅需要增加系统部件和成本，而且降低了系统的热电转换效率。而先进反应堆的设计原则是在材料高温性能许可条件下，尽可能追求冷却剂高出口温度，以获得尽可能高的热电转换效率，降低电价，提高商业堆型的竞争性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有高温液态金属流动驱动技术的不足，提出一种高温强磁场条件下采用高压椭性气体驱动高温液态金属稳定流动的方法。该方法克服了电磁泵驱动高温液态金属的限制(小于350℃)，解决了先进反应堆高温液态金属稳定循环流动的难题，不仅可有效冷却堆内高功率密度核热部件，还可尽可能提高出口温度，从而实现高热电转换效率。
本发明采用的技术方案为：一种驱动高温液态金属循环流动冷却堆内部件的方法，主要采用高温液态金属循环流动冷却系统实现。本高温液态金属循环流动冷却系统由液控单向阀、堆内部件、电磁换向阀、液态金属罐、液位计、换热器、供气罐、缓冲罐、压缩机及管道与阀门等组成。在椭性气体氩气压力的作用下，液态金属(反应堆冷剂如锂铅合金、锂、铅铋合金、钠、氟锂铍等)自左侧液态金属罐流出至堆内部件(冷却)，载出核热后高温液态金属流至换热器与二回路工质换热后流入右侧液态金属罐。当液位降至规定值时，控制系统控制电磁换向阀切换，左右两侧液态金属罐分别卸气和充气至规定压力。控制液控单向阀导通，液态金属将自右侧液态金属罐流经堆内部件，高温液态金属经过换热后进入左侧液态金属罐。周期性地循环驱动高温液态金属稳定地流动，实现对反应堆内部件(聚变堆如包层、偏滤器，裂变堆如堆芯)的冷却。
具体实现步骤如下：
S1:向第一液态金属罐9和第二液态金属罐11装入规定量的合金并保持真空密封，设置工作温度并加温至规定值；
S2:控制电磁换向阀8导通，由供气罐13向第一液态金属罐9充氩气至规定压力即2MPa，同时第二液态金属罐11排气阀打开，向缓冲罐14排出氩气至规定压力即1bar，电磁换向阀8关闭；
S3:控制第二液控单向阀2和第三液控单向阀3导通，在第一液态金属罐9内2MPa氩气压力的作用下高温液态金属流经堆内部件5，载带核热后的高温液态金属进入第二换热器7与二回路工质换热后流入第二液态金属罐11；
S4:当液位计10下降至规定位置时，控制第二液控单向阀2和第三液控单向阀3关闭、电磁换向阀8导通，由供气罐13向第二液态金属罐11充氩气至规定压力即2MPa，同时第一液态金属罐9排气阀打开，向缓冲罐14排出氩气至规定压力即1bar，电磁换向阀8关闭；
S5:控制阀门16打开，启动压缩机15工作，将缓冲罐14内的氩气压入供气罐13，压力达到规定值后关闭压缩机15和阀门16；
S6:控制第一液控单向阀1和第四液控单向阀4导通，在第二液态金属罐11内2MPa氩气压力的作用下液态金属流经堆内部件5，载带核热的高温液态金属进入第一换热器6与二回路工质换热后流入第一液态金属罐9；
S7:当液位计12下降至规定位置时，控制第一液控单向阀1和第二液控单向阀4关闭、电磁换向阀8导通，由供气罐13向第一液态金属罐9充氩气至规定压力即2MPa，同时第二液态金属罐11排气阀打开，向缓冲罐14排出氩气至规定压力即1bar，电磁换向阀8关闭；
S8:控制系统控制执行S5，完成一个周期循环，执行下一个周期循环。
所述步骤S1至S8中控制系统周期性地循环驱动高温液态金属稳定地流动，携带高能中子沉积的核热，实现对反应堆堆内部件(聚变堆如包层、偏滤器，裂变堆如堆芯)的冷却。
所述步骤S1中，设置的工作温度应高于合金熔点20℃。
所述步骤S3、S4、S6、S7中，电磁换向阀8应可靠地关断，不受外加强磁场的影响(如聚变堆内需要考虑磁屏蔽)，响应时间应小于等于30ms。
所述步骤S3、S4、S6、S7中，第一液控单向阀1、第四液控单向阀4组，第二液控单向阀2和第三液控单向阀3组应可靠地关断，不受反应堆强磁场环境的影响(如聚变堆内需要考虑磁屏蔽)，响应时间应小于等于30ms，且两组相互形成逻辑非的关系。
所述的步骤S3、S6中，高温液态金属的出口温度由反应堆辐射热流、高能中子沉积核热和液态金属的流动速度而定，为提高热电转换效率，液态金属冷却剂的出口温度应尽可能高，但受结构材料限制应小于480℃。
所述一个循环周期内，压力控制应依据液态金属流动规律设计并经过实验验证，以尽可能减小高温液态金属流速的波动。
本发明与现有技术相比的优点在于：现行采用液态金属作为冷却剂的反应堆，大多采用高温电磁泵驱动。由于制造技术、工艺及材料等的限制，液态金属在其运行段的工作温度均难以超350℃。为了驱动液态金属流动，需要将出口温度高于350℃的高温液态金属降低温度运行。该方法不仅需要增加系统部件和成本，而且降低了系统的热电转换效率。而先进反应堆的设计原则是在材料高温性能许可条件下，尽可能追求冷却剂高出口温度，以获得尽可能高的热电转换效率，降低电价，提高商业堆型的竟争性。基于此，本发明给出的方法可驱动反应堆内高温液态金属运行，从而实现高热电转换效率。
附图说明
图1为本发明中采用液态金属冷却堆内部件的系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的具体实施方式，以详细说明本发明的技术方案。
本发明具体实施方式是采用附图所示的液态金属冷却堆内部件系统原理图。
如图1所示，本发明中采用液态金属冷却堆内部件的系统包括第一液控单向阀1、第二液控单向阀2、第三液控单向阀3、第四液控单向阀4、堆内部件5、第一换热器6、第二换热器7、电磁换向阀8、第一液态金属罐9、第一液位计10、第二液态金属罐11、第二液位计12、供气罐13、缓冲罐14、压缩机15和阀门16。其中液态金属罐9、液控单向阀2、3、堆内部件5、换热器7、液态金属罐11连接成液态金属顺时针流动回路；液态金属罐11、液控单向阀1、4、堆内部件5、换热器6、液态金属罐9连接成液态金属逆时针流动回路；电磁换向阀8、供气罐13、缓冲罐14、压缩机15和阀门16连接成周期性交替向液态金属罐9或液态金属罐11充入或卸出氦气；液位计10测量液态金属罐9内的液位，液位计12测量液态金属罐11内的液位。
S1:根据堆内部件冷却剂质量流率和一个循环周期的时间确定向第一液态金属罐9和第二液态金属罐11装入规定量的合金，为避免液态金属氧化，保持真空密封，设置工作温度并加温至规定值。根据反应堆所选择的液态金属冷却剂熔点设置工作温度，通常大于熔点20℃以上，例如：锂铅合金设置为280℃、金属钠设置为35℃，铅铋合金设置为160℃、金属锂设置为110℃；
S2:控制电磁换向阀8导通，由供气罐13向第一液态金属罐9充氩气至规定压力2MPa，同时第二液态金属罐11排气阀打开，向缓冲罐14排出氩气至规定压力1bar，电磁换向阀8关闭；
S3:控制第二液控单向阀2和第三液控单向阀3导通，在第一液态金属罐9内的2MPa氩气压力作用下液态金属流经堆内部件5，载带核热后的高温液态金属进入第二换热器7与二回路工质换热后流入第二液态金属罐11；
S4:当液位计10下降至规定位置时，控制第二液控单向阀2和第三液控单向阀3关闭、电磁换向阀8导通，由供气罐13向第二液态金属罐11充氩气至2MPa，同时第一液态金属罐9排气阀打开，向缓冲罐14排出氩气至规定压力1bar，电磁换向阀8关闭；
S5:控制阀门16打开，启动压缩机15工作，将缓冲罐14内的氩气压入供气罐13，压力达到1bar后关闭压缩机15和阀门16；
S6:控制第一液控单向阀1和第四液控单向阀4导通，在液态金属罐11内2MPa氩气压力的作用下液态金属流经堆内部件5，载带核热的高温液态金属进入第一换热器6与二回路工质换热后流入第一液态金属罐9；
S7:当液位计12下降至规定位置时，控制第一液控单向阀1和第四液控单向阀4关闭、电磁换向阀8导通，由供气罐13向第一液态金属罐9充氩气至2MPa压力，同时第二液态金属罐11排气阀打开，向缓冲罐14排出氩气至1bar压力，电磁换向阀8关闭；
S8:控制系统控制执行S5，完成一个周期循环，执行下一个周期循环。
上述步骤S3、S4、S6、S7中，电磁换向阀8应可靠地关断，不受外加强磁场的影响(如聚变堆内需要考虑磁屏蔽)，响应时间应尽可能小，通过小于等于30ms。
上述步骤S3、S4、S6、S7中，第一液控单向阀1、第四液控单向阀4组，第二液控单向阀2和第三液控单向阀3组应可靠地关断，不受外加强磁场的影响(如聚变堆内需要考虑磁屏蔽)，响应时间应尽可能小，通过小于等于30ms，且两组相互形成逻辑非的关系。
上述步骤S3、S6中，高温液态金属的出口温度由反应堆辐射热流、高能中子沉积核热和液态金属流动速度而定，为提高热电转换效率，液态金属冷却剂的出口温度应尽可能高，但受结构材料限制应小于480℃。
上述一个循环周期内，压力控制应依据液态金属流动规律设计并经过实验验证，以尽可能减小高温液态金属流速的波动。
通过上述步骤S1至S8中控制系统周期性地循环驱动高温液态金属稳定地流动，携带高能中子沉积的核热，实现对反应堆堆内部件(聚变堆如包层、偏滤器，裂变堆如堆芯)的冷却。
以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (7)
1.一种驱动高温液态金属循环流动冷却堆内部件的方法，其特征在于包含以下步骤：
S1:向第一液态金属罐和第二液态金属罐11装入规定量的合金并保持真空密封，设置工作温度并加温至规定值；
S2:控制电磁换向阀导通，由供气罐向第一液态金属罐充氩气至规定压力即2MPa，同时第二液态金属罐排气阀打开，向缓冲罐排出氩气至规定压力，电磁换向阀关闭；
S3:控制第二液控单向阀和第三液控单向阀导通，在第一液态金属罐内高压氩气压力作用下液态金属流经堆内部件，载带核热后的高温液态金属进入第二换热器与二回路工质换热后流入第二液态金属罐；
S4:当液位计下降至规定位置时，控制第二液控单向阀和第三液控单向阀关闭、电磁换向阀导通，由供气罐向第二液态金属罐充氩气至规定压力，同时第一液态金属罐排气阀打开，向缓冲罐排出氩气至规定压力，电磁换向阀关闭；
S5:控制阀门打开，启动压缩机工作，将缓冲罐内的氩气压入供气罐，压力达到规定值后关闭压缩机和阀门；
S6:控制第一液控单向阀和第四液控单向阀导通，在第二液态金属罐内高压氩气压力的作用下液态金属流经堆内部件，载带核热的高温液态金属进入第一换热器与二回路工质换热后流入第一液态金属罐；
S7:当液位计下降至规定位置时，控制第一液控单向阀和第二液控单向阀关闭、电磁换向阀导通，由供气罐向第一液态金属罐充氩气至规定压力，同时第二液态金属罐排气阀打开，向缓冲罐排出氩气至规定压力，电磁换向阀关闭；
S8:控制系统控制执行S5，完成一个周期循环，执行下一个周期循环。
2.根据权利要求1所述的一种驱动高温液态金属循环流动冷却堆内部件的方法，其特征在于：所述步骤S1至S8中控制系统周期性地循环驱动高温液态金属稳定地流动，携带高能中子沉积的核热，实现对反应堆堆内部件的冷却。
3.根据权利要求1所述的一种驱动高温液态金属循环流动冷却堆内部件的方法，其特征在于：所述步骤S1中，设置的工作温度应高于合金熔点20℃。
4.根据权利要求1所述的一种驱动高温液态金属循环流动冷却堆内部件的方法，其特征在于：所述步骤S3、S4、S6、S7中，电磁换向阀应可靠地关断，不受反应堆强磁场环境的影响，响应时间应小于等于30ms。
5.根据权利要求1所述的一种驱动高温液态金属循环流动冷却堆内部件的方法，其特征在于：所述步骤S3、S4、S6、S7中，第一液控单向阀、第四液控单向阀组，第二液控单向阀和第液控单向阀组应可靠地关断，不受反应堆强磁场环境的影响，响应时间应小于等于30ms，且两组相互形成逻辑非的关系。
6.根据权利要求1所述的一种驱动高温液态金属循环流动冷却堆内部件的方法，其特征在于：所述步骤S3、S6中，高温液态金属的出口温度由反应堆辐射热流、高能中子沉积核热和液态金属的流动速度而定，为提高热电转换效率，液态金属冷却剂的出口温度应尽可能高，但受结构材料限制应小于480℃。
7.根据权利要求1所述的一种驱动高温液态金属循环流动冷却堆内部件的方法，其特征在于：所述一个循环周期内，压力控制应依据液态金属流动规律设计并经过实验验证，以尽可能减小高温液态金属流速的波动。
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