CN103996419A - 一种熔盐堆余热冷却装置及其方法 - Google Patents

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陈堃
何兆忠
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Abstract

本发明涉及一种熔盐堆余热冷却装置，其中的空气自然循环系统和熔盐自然循环系统在设置于熔盐池内的浸入型板式空冷器中进行换热，空冷器包括空冷器芯体和分别位于空冷器芯体的水平方向的末端的空气进口段和出口段，空冷器芯体由彼此叠置的多个传热板片形成；传热板片在竖直方向的末端被成对地两两焊合，在竖直方向的末端未焊合的相邻传热板片之间构成熔盐流道；传热板片在水平方向的末端被成对地两两焊合，在水平方向的末端未焊合的相邻传热板片之间构成空气流道；熔盐与空气分别在熔盐流道和空气流道中形成交叉流动换热。本发明采用非能动设计理念，无需外部提供动力，只依靠空气和熔盐的自然循环，实现了熔盐堆余热的非能动排出。

Description

一种熔盐堆余热冷却装置及其方法
技术领域
本发明涉及熔盐堆专设安全设施领域的核设备，更具体地涉及一种熔盐堆余热冷却装置及其方法。
背景技术
核反应堆停堆后，由于堆芯内的剩余裂变和裂变产物的衰变，产生的热量需要通过专门设置的余热排出系统将其载出堆芯。否则，堆内热量积累和温度升高可能导致堆芯损伤事故。池式熔盐堆在事故停堆后，堆芯的余热被载到熔盐池的缓冲盐中，同样需要一套系统对缓冲盐进行非能动冷却，需要一种高效的换热器实现事故工况下快速散热。
中国实验快堆提供一种非能动余热排出系统，清华大学核能技术设计研究院提供一种高温气冷堆的非能动余热排出系统，但是，这两个反应堆余热排出系统使用的的换热器，无论是管式换热器还是板式换热器，不能够应用至熔盐堆，在熔盐堆余热排出系统的应用中仍然存在着较多不足，列举如下：
1)换热效率低下，上述系统均涉及3个回路，即堆芯回路、余热排放热交换冷却回路和空冷器冷却回路，即3级循环回路以及两级换热。事故工况下，3级循环两级换热的模式不利于事故工况下快速排出热量。
2)结构复杂：其中的中间液体非能动传热回路通常由液/液换热器、空冷器、膨胀罐与管路及相应的保温设施组成，涉及的装置数量繁多；结构复杂发生故障的概率高；
3)容易出现局部过冷：高温液体在这样的闭合回路系统中要求必须持续非能动循环流动以及传出热量，因此对于冬季的低温天气特别是突然大幅度的降温存在系统局部过冷的风险，特别是对高温氟熔盐风险更为明显；
4)风险因素多：针对熔盐堆的危险性，上述设备与管路都需要满足抗震、抗台风，无论从从材料、制造工艺还是验收都需要经过一系列严格核安全级检验，其中任何一个环节出现问题，都可能导致余热排出系统功能的丧失。
国外有关核专家在长期研究中指出：研发熔盐堆的余热排出问题的关键就在于要突破换热器技术。目前已开发应用的换热器包括：熔盐堆双熔盐换热器IHX，以及印刷电路换热器PCHE和C/C-SiC板式换热器，后两者都属于板式换热器。根据经验可知在低压工况下板式换热器具有结构紧凑、高效与可靠的优势。但是，这些换热器均不能克服上述熔盐堆堆芯余热排出系统的不足。
因此，实有必要提供一种新的换热器，在熔盐堆寿期如40年或60年期间，能够始终保持冷却液体(液态熔盐等)在回路不间断自然循环循环流动，并且保证含有该换热器的整个余热排放系统在任何时间突发失电事故时仍然保持正常运行，依靠自然循环排出堆芯余热，防止发生熔堆造成核灾难，保护熔盐堆安全。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的换热效率较为低下的问题，本发明旨在提供一种熔盐堆余热冷却装置及其方法。
本发明提供一种熔盐堆余热冷却装置，包括空气自然循环系统和熔盐自然循环系统，所述空气自然循环系统和熔盐自然循环系统在设置于熔盐池内的浸入型板式空冷器中进行换热，其特征在于，所述空冷器包括空冷器芯体和分别位于所述空冷器芯体的水平方向的末端的空气进口段和空气出口段，所述空冷器芯体由彼此叠置的多个传热板片形成；其中，所述传热板片在竖直方向的末端被成对地两两焊合连接，而在竖直方向的末端未焊合连接的相邻传热板片之间构成熔盐流道；所述传热板片在水平方向的末端也被成对地两两焊合连接，而在水平方向的末端未焊合连接的相邻传热板片之间构成空气流道；熔盐与空气分别在所述熔盐流道和所述空气流道中形成交叉流动换热。
构成所述熔盐流道的两相邻所述传热板片的间距小于构成所述空气流道的两相邻所述传热板片的间距。
在竖直方向上，两两焊合连接的传热板片在顶端具有沿水平方向延伸并向上凸起的第一弧形面，相邻的所述第一弧形面之间构成熔盐进口导流结构。
在竖直方向上，两两焊合连接的传热板片在底端具有沿水平方向延伸并向下凸起的第二弧形面，相邻的所述第二弧形面之间构成熔盐出口导流结构。
在水平方向上，两两焊合连接的传热板片在第一末端具有沿竖直方向延伸并朝向所述空气进口段凸起的第三弧形面，相邻的所述第三弧形面之间构成空气进口导流结构。
在水平方向上，两两焊合连接的传热板片在第二末端具有沿竖直方向延伸并朝向所述空气出口段凸起的第四弧形面，相邻的所述第四弧形面之间构成空气出口导流结构。
构成所述空气流道的两传热板片之间设有支撑该传热板片以阻止其发生变形的定距支柱。
所述空冷器芯体的下部还具有从所述熔盐流道的下方突出延伸的熔盐导流槽。
所述空冷器芯体和/或所述熔盐导流槽具有环形横截面形状。
本发明还提供一种熔盐堆余热冷却方法，利用上述的熔盐堆余热冷却装置实现堆芯余热的非能动冷却。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明的熔盐堆余热冷却装置及其方法具有以下优点：1)将空气直接引入到熔盐堆池的板式空冷器中冷却熔盐，并且通过设计多种导流结构，提高了熔盐与空气的热交换效率；2)采用浸入型板式空冷器替代国外熔盐反应堆设计的双熔盐换热器DHX、熔盐空冷器NDHX、稳压罐与管路组成的系统装置，简化了系统，成本降低，减少设备占用空间，大幅度降低相应的设计与建造费用；3)省略了现有的中间液体循环回路，避免了多个设备与管路事故风险，提高了安全性。
附图说明
图1是根据本发明的一种熔盐堆余热冷却装置的空冷器的俯视平面图；
图2是沿图1中A-A线观察得到的纵向剖面视图；
图3是根据本发明的一种熔盐堆余热冷却装置的空冷器在熔盐池中的使用状态示意图；
图4是根据本发明的一个优选实施例的包括一种熔盐堆余热冷却装置的熔盐堆余热冷却装置的示意图；
图5是根据本发明的一种熔盐堆余热冷却装置在反应堆上的应用的一个优选方式示意图。
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一种熔盐堆余热冷却装置最主要的包括有板式空冷器，如图1-2所示，该板式空冷器102包括空冷器芯体2，空气进口段1和空气出口段3，导流槽29，该板式空冷器的俯视平面图具有环形横截面形状，该空气进口段1和空气出口段3分别位于空冷器芯体2的水平方向的相对端，即图1中的左端和右端。其中所述空冷器芯体2包括沿竖直方向彼此平行延伸的多个传热板片21，该传热板片21贯穿连接空气进口段1和空气出口段3；其中，传热板片21在竖直方向的末端被成对地两两焊合连接形成板片对，即图2中第一板片和第二板片、第三板片和第四板片、依次类推的两板片所示的上、下两端被焊合，而在上、下端未焊合连接的相邻两所述传热板片21之间(即上述板片对之间)构成熔盐流道22，所述在上端两两焊合连接的传热板片21被焊接成具有沿水平方向延伸并凸起的第一弧形面24’，所述相邻的第一弧形面24’之间构成熔盐进口导流结构24，为熔盐的流入进行导向。相似地，所述在下端两两焊合连接的传热板片21还被焊接成具有沿水平方向延伸并向下凸起的第二弧形面25’，所述相邻的第二弧形面25’之间构成熔盐出口导流结构25，为熔盐的流出进行导向，在此省略其局部示意图。此时熔盐流道22仅仅在上端和下端具有开口，从而供熔盐从上端穿流到下端。
而在竖直方向的末端未焊合连接的传热板片21则在水平方向的末端被成对地两两焊合连接，即图1中的第二板片和第三板片、第四板片和第五板片、依次类推的两板片所示的左、右端两两焊合连接，如图1所示，而在左、右端未焊合连接的两传热板片21之间则构成为空气流道23，用来供空气从所述空气进口段1穿流到所述空气出口段3，如图3所示。其中，所述在左端两两焊合连接的传热板片21被焊接成具有沿竖直方向延伸并朝向空气进口段1凸起的第三弧形面26’，所述相邻的第三弧形面26’之间构成空气进口导流结构26，为空气的进入进行导向。优选地，所述在右端两两焊合连接的传热板片21还被焊接成具有沿竖直方向延伸并朝向空气出口段3凸起的第四弧形面27’，所述相邻的第四弧形面27’之间构成空气出口导流结构27，为空气的流出进行导向。
熔盐与空气分别在所述熔盐流道22和空气流道23中形成交叉流动换热。
如图3所示，由于空气进口段1有源源不断的空气补充，形成了冷流段，经过空气流道23之后冷空气温度升高成为热空气，形成热流段，从空气出口段3排出。热流段和冷流段由于温度不同，造成了密度不同，从而形成驱动力，驱动空气进入浸入型板式空冷器102的空气流道23进行换热。这样就形成了空气从大气-空气进口段1-浸入型板式空冷器102-空气出口段3的自然循环回路。
熔盐流道22中的熔盐由于受到空气的冷却降温，密度增大，熔盐池100的高温熔盐密度小，低温熔盐和高温熔盐产生密度差，从而形成驱动力，促使熔盐不断从上端的熔盐流道开口进入浸入型板式空冷器102的熔盐流道22进行换热。这样就形成了熔盐从熔盐池100-浸入型板式空冷器102-熔盐导流槽29-熔盐池100的自然循环回路。
根据本发明的一个优选实施例，构成所述熔盐流道22的两相邻所述传热板片21的间距小于构成所述空气流道23的两相邻所述传热板片21的间距。其原理是，传输相同热量空气体积比熔盐体积大很多，因此空气流道23的横截面积要比熔盐流道22的横截面积大很多，从而实现最大程度的热交换。
根据本发明的一个优选实施例，为了防止各平行设置的传热板片21在长期的使用在流动熔盐的压力下中逐渐变形，构成所述空气流道23的两传热板片21之间设有支撑该传热板片21的定距支柱28，该定距支柱28的数量根据换热器的结构或大小而定，主要是用于加强换热器的强度。
特别优选地是，所述空冷器芯体2的下部还具有从所述熔盐流道22的下方突出延伸的熔盐导流槽29，进一步增强对熔盐流动的驱动力。优选该熔盐导流槽29具有半圆弧形横截面形状。
根据本发明的一个实施例的熔盐堆余热冷却装置如图4所示，包括熔盐池100，板式空冷器102，以及通过板式空冷器102连接的进风管110和出风管107。反应堆堆芯位于熔盐池100中，该熔盐池100中填充有缓冲熔盐。板式空冷器102设置于所述熔盐池100内，进风管110与所述板式空冷器102的空气进口段2相连，出风管107与所述板式空冷器102的空气出口段3相连。出风管107的另一个末端连接有冷却塔112。进风管110的进口设有进风门111，冷却塔112的出口设有出风门108。所述进风管110和出风管107的外壁设有隔热保温材料109。空气从非能动进风门111进入，通过进风管110流进板式空冷器102，空气在板式空冷器102内被加热后进入出风管107，最后通过冷却塔112从出风门108排出，将热量传至最终的热阱——大气，实现对熔盐堆余热的非能动排出。
该熔盐堆余热冷却装置还包括保护气系统。该保护气系统包括依次通过减压器104和阀门105与熔盐池100连接的气罐103，以及设置于所述熔盐池100上的泄压阀106。该保护气系统一方面将熔盐与空气隔开，防止熔盐被氧化，另一方面可以为系统提供一定的压力。
根据本发明的一个优选实施例，如图5所示，所述熔盐池100为圆柱形，所述浸入型板式空冷器102贴靠于所述熔盐池100的圆周壁设置。所述熔盐池100中分别设置4个板式空冷器102，其中，每两个板式空冷器102共用一个冷却塔112，所述板式空冷器102的各传热板片21与所述熔盐池100的圆周壁弧度一致。
根据本发明的一个优选实施例，所述板式空冷器102浸入所述熔盐池100中熔盐0.5m以下，确保熔盐能从上端经过空冷器芯体2流到熔盐流道22中。
反应堆正常运行时，堆芯只有极少热量载到熔盐池中，此时不用考虑熔盐的冷却，整个冷却系统处于备用状态，进风门111与出风门108处于关闭状态。
当由于反应堆运行非正常或其他原因引起的熔盐温度上升至非安全值时，反应堆堆芯附近的熔盐温度开始升高，系统的进风门111与出风门108打开一定角度(0～90度)。此时，根据本发明的熔盐堆非能动余热排出系统包括两个自然循环回路：
(1)板式空冷器102的熔盐流道内的熔盐被空气冷却后密度增大，重力驱使向下流动，反应堆堆芯附近的熔盐被加热后密度减小，向上流动，并将反应堆堆芯的热量带到浸入型板式空冷器102，从而形成熔盐的自然循环回路；
(2)冷却塔112内的热空气比外界的空气温度高，密度低，产生了空气提升力，驱动冷空气从非能动进风门111被吸进浸入型板式空冷器102，冷空气被浸入型板式空冷器102加热后流冷却塔112，从而形成了空气的自然循环回路。
应当理解，针对本发明的熔盐堆余热冷却装置，其进风管与出风管除了如图4中所示间隔设置于熔盐池的顶端，同样可设置于熔盐池的侧面，只要与设置于熔盐池中的浸入型板式空冷器形成循环通路即可。
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 (10)

1.一种熔盐堆余热冷却装置，包括空气自然循环系统和熔盐自然循环系统，所述空气自然循环系统和熔盐自然循环系统在设置于熔盐池(100)内的浸入型板式空冷器(102)中进行换热，其特征在于，所述空冷器(102)包括空冷器芯体(2)和分别位于所述空冷器芯体(2)的水平方向的末端的空气进口段(1)和空气出口段(3)，所述空冷器芯体(2)由彼此叠置的多个传热板片(21)形成；其中，所述传热板片(21)在竖直方向的末端被成对地两两焊合连接，而在竖直方向的末端未焊合连接的相邻传热板片(21)之间构成熔盐流道(22)；所述传热板片(21)在水平方向的末端也被成对地两两焊合连接，而在水平方向的末端未焊合连接的相邻传热板片(21)之间构成空气流道(23)；熔盐与空气分别在所述熔盐流道(22)和所述空气流道(23)中形成交叉流动换热。
2.根据权利要求1所述的熔盐堆余热冷却装置，其特征在于，构成所述熔盐流道(22)的两相邻所述传热板片(21)的间距小于构成所述空气流道(23)的两相邻所述传热板片(21)的间距。
3.根据权利要求1所述的熔盐堆余热冷却装置，其特征在于，在竖直方向上，两两焊合连接的传热板片(21)在顶端具有沿水平方向延伸并向上凸起的第一弧形面(24’)，相邻的所述第一弧形面(24’)之间构成熔盐进口导流结构(24)。
4.根据权利要求1所述的熔盐堆余热冷却装置，其特征在于，在竖直方向上，两两焊合连接的传热板片(21)在底端具有沿水平方向延伸并向下凸起的第二弧形面(25’)，相邻的所述第二弧形面(25’)之间构成熔盐出口导流结构(25)。
5.根据权利要求1所述的熔盐堆余热冷却装置，其特征在于，在水平方向上，两两焊合连接的传热板片(21)在第一末端具有沿竖直方向延伸并朝向所述空气进口段(1)凸起的第三弧形面(26’)，相邻的所述第三弧形面(26’)之间构成空气进口导流结构(26)。
6.根据权利要求1所述的熔盐堆余热冷却装置，其特征在于，在水平方向上，两两焊合连接的传热板片(21)在第二末端具有沿竖直方向延伸并朝向所述空气出口段(3)凸起的第四弧形面(27’)，相邻的所述第四弧形面(27’)之间构成空气出口导流结构(27)。
7.根据权利要求1所述的熔盐堆余热冷却装置，其特征在于，构成所述空气流道(23)的两传热板片(21)之间设有支撑该传热板片以阻止其发生变形的定距支柱(28)。
8.根据权利要求1所述的熔盐堆余热冷却装置，其特征在于，所述空冷器芯体(2)的下部还具有从所述熔盐流道(22)的下方突出延伸的熔盐导流槽(29)。
9.根据权利要求8所述的熔盐堆余热冷却装置，其特征在于，所述空冷器芯体(2)和/或所述熔盐导流槽(29)具有环形横截面形状。
10.一种熔盐堆余热冷却方法，其特征在于，利用根据上述权利要求1-9中任一项所述的熔盐堆余热冷却装置实现堆芯余热的非能动冷却。
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