CN104882184A - 向ads反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置和方法，该装置包括带有加锌管的ADS反应堆，在所述ADS反应堆内设置有穿过所述加锌孔的加锌管1，所述加锌管1延伸到反应堆堆芯附近，在所述加锌孔上设置有可闭合的封盖，在所述封盖外部设置有盛装部和喷射部，以便于通过加锌孔向堆芯中加入锌粉或弱酸锌盐或含有锌元素的添加剂，从而使得堆芯内的冷却剂中含有锌元素，通过控制锌元素的加入量，在堆芯内部形成一层致密的氧化物薄膜，从而提高了反应堆的使用寿命和安全性。

Description

向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置及方法
技术领域
本发明涉及核反应堆安全领域，通过向ADS反应堆中加锌以提高反应堆的性能，具体涉及一种向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置及方法。
背景技术
从上个世纪80年代后期开始，ADS作为一种先进的嬗变堆型，逐渐成为国际研究的热点，美国、欧盟、日本等国家均将ADS次临界堆的研究列入国家中长期发展计划。它的组成包括：外源中子靶、中能强流质子加速器和次临界反应堆，是一种高效的核废物嬗变炉和焚烧炉，LBE(铅铋共晶合金)是目前ADS(加速器驱动的次临界系统)设计中首选的冷却剂材料和散裂靶。所述LBE指的是铅与铋的质量百分数分别为44％～45％和55％～56％的铅铋共晶合金。
在压水堆核电站中，一回路应力腐蚀破裂(PWSSCC)对压水堆结构材料的局部腐蚀最为严重，直接与设备的服役寿命相关，应力腐蚀严重时将迫使反应堆停止运行，此外，腐蚀产物在设备上的沉积是停堆辐射剂量的主要来源。一定条件下，在一回路加锌能够缓解这些安全隐患。早期，加锌技术首先应用于沸水堆，其加入浓度为5μg/L-15μg/L，80年代后期，加锌技术逐渐应用于压水堆中。加锌技术能够降低辐射剂量率、降低PWSCC、改善腐蚀产物沉积引起的轴向功率偏移异常(AOA)。
与压水堆和沸水堆相同，在采用LBE冷却的ADS反应堆运行中，LBE对结构材料同样能形成较强的腐蚀磨蚀作用。目前提出的解决方法有很多，但总体上可以归结为在结构材料的表面形成致密的一层膜。根据膜形成工艺和时机的不同又可分为浸泡、表面高温、离子注入、运行前、运行中等。但是由于受到冷却剂中氢含量和氧含量的限制，并没通过在ADS反应堆中加锌形成致密氧化膜的方案出现。
由于上述原因，本发明人对现有ADS反应堆技术进行了深入研究，以便设计开发出向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置及方法。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，该装置包括在顶部开设有加锌孔的ADS反应堆，其中，在所述ADS反应堆内设置有穿过所述加锌孔的加锌管，所述加锌管为直径3mm-5mm的圆形管，在所述加锌孔上设置有可闭合的封盖，在所述封盖外部设置有盛装部和喷射部，以便于通过加锌管向堆芯中加入锌粉或弱酸锌盐或含有锌元素的添加剂，从而使得堆芯内的冷却剂中含有锌元素，通过控制锌元素的加入量，在堆芯内部形成一层致密的氧化物薄膜，而且，所述加锌管内部的开口端朝上，使得从其内部喷出的锌元素随着铅铋合金向上流动，提高氧化物薄膜的形成效率；从而完成本发明。
具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：
(1)一种向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，该装置包括在顶部开设有加锌孔的ADS反应堆，在所述ADS反应堆内设置有穿过所述加锌孔的加锌管1，所述加锌管1延伸到反应堆堆芯附近，所述加锌管1用于向ADS反应堆中加入锌粉或弱酸锌盐或含有锌元素的添加剂。
(2)根据上述(1)所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，所述加锌管截面呈圆形，加锌管的内径为3mm-5mm。
(3)根据上述(1)所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，所述加锌管在靠近反应堆堆芯的一端具有预定的弧度，所述弧度使得加锌管在ADS反应堆内部的末端开口方向朝向反应堆的顶部。
(4)根据上述(1)所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，在所述加锌孔上设置有可闭合的封盖，在所述封盖外部设置有盛装部和喷射部。
(5)根据上述(4)所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，当ADS反应堆的冷却剂中不含水时，通过所述加锌孔向堆芯中加入含有锌元素的添加剂；
当ADS反应堆的冷却剂中含水时，通过所述加锌孔向堆芯中加入锌粉或弱酸锌盐或含有锌元素的添加剂。
(6)根据上述(5)所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，所述锌粉或弱酸锌盐的粒径为0.5um～10um，所述弱酸锌盐中锌元素的重量百分数为35％～42％。
(7)根据上述(5)或(6)所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，所述含有锌元素的添加剂包括水和弱酸锌盐，所述弱酸锌盐包括甲酸锌或乙酸锌。
(8)根据上述(7)所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，基于所述含有锌元素的添加剂的总重量，锌元素的重量分数为0.005-0.007wt％。
(9)根据上述(1)所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，在所述堆芯内设置有实时监测其内部冷却剂中锌元素浓度的监测装置，当所述监测装置监测到基于冷却剂的总重量，锌元素的重量分数低于为0.0015wt％时，向堆芯内添加锌粉或弱酸锌盐或含有锌元素的添加剂，直至基于冷却剂的总重量，锌元素的重量分数达到0.0025wt％以上为止。
(10)一种向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的方法，其特征在于，该方法是通过如上述(1)至上述(9)中所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置实现的。
根据本发明提供的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置包含带有加锌管的ADS反应堆，能够向堆芯内加入锌元素，形成致密的氧化物薄膜，从而提高反应堆的使用寿命和安全性。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的带有加锌管的ADS反应堆结构示意图。
附图标号说明：
1-加锌管
2-堆芯
3-蒸汽发生器
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明中所述的ADS是指加速器驱动的次临界系统，优选地是为加速器驱动次临界洁净核能系统。
根据本发明提供一种向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，该装置包括在顶部开设有加锌孔的ADS反应堆，其中，在所述ADS反应堆内设置有穿过所述加锌孔的加锌管1，所述加锌管延伸到反应堆堆芯附近，通过所述加锌管向堆芯中加入锌粉或弱酸锌盐或含有锌元素的添加剂，即所述加锌管主要用于向堆芯内加入锌元素，从而使得堆芯内形成致密的氧化物薄膜，提高堆芯的使用寿命，降低损坏风险，进一步地，所述氧化物薄膜具体形成在ADS反应堆内部的所有能够与铅铋合金相接触的金属表面上，对所述金属表面提供保护，包括反应堆内部的堆芯2和蒸汽发生器3的外表面，氧化物薄膜的成分主要包括AB2O4形式的尖晶石结构，其中A代表二价阳离子，主要是指Fe2+、Ni2+、Co2+和Zn2+等；B代表三价阳离子，主要是指Fe3+和Cr3+。
在一个优选的实施方式中，所述加锌管截面可以是圆形、矩形、多边形等，本发明中优选地设置成圆形，所述圆形加锌管的内径为3mm-5mm，能够满足加锌量和加锌速率即可。
在一个优选的实施方式中，所述加锌管的数量可以是一个或多个，本发明中优选地设置一个加锌管，一个加锌管即可以提供足够的锌元素以形成氧化物薄膜。
在一个优选的实施方式中，所述加锌管在靠近反应堆堆芯的一端具有预定的弧度，所述弧度使得加锌管在ADS反应堆内部的末端开口方向朝向反应堆的顶部，从而通过加锌管进入到反应堆内的锌元素能够随着铅铋合金向上流动，充分地分散在整个反应堆内部，提高氧化物薄膜分布的均匀性，也能提高高氧化物薄膜的形成速率。
在一个优选的实施方式中，在所述加锌孔上设置有可闭合的封盖，当加锌作业完成后，通过封盖密封加锌孔，防止堆芯内的冷却剂等物质从加锌孔流出；在所述封盖外部设置有盛装部和喷射部，所述盛装部为存放待加入堆芯的含锌物质，所述含锌物质包括锌粉或弱酸锌盐或含有锌元素的添加剂等，所述喷射部与盛装部相连，喷射部具有喷射动力源，用于将盛装部中的含锌物质通过加锌孔加入到堆芯中，并且所述喷射部能够记录加入的量，能够随时终止含锌物质的加入作业，以保证含锌物质加入量的精准。
在一个优选的实施方式中，当ADS反应堆的冷却剂中不含水时，如在非接触式金属冷却的反应堆中，通过所述加锌管向堆芯中加入含有锌元素的添加剂；当ADS反应堆的冷却剂中含水时，通过所述加锌管向堆芯中加入锌粉或弱酸锌盐或含有锌元素的添加剂，所述含有锌元素的添加剂中含义水，通过上述锌元素的添加方式，保证锌元素能够在有水的环境下进行反应，以便生产氧化物薄膜，在加锌的过程中，锌元素的质量流率为0.0003778kg/s～0.00181kg/s，以降低加入物质对冷却剂工作质量的影响，保证适宜的氧化物薄膜形成速率，另外，由于铅铋合金的水惰性，根据本发明提供的方法添加入水以后，加入的水不会影响冷却剂的性能。
在一个优选的实施方式中，所述锌粉或弱酸锌盐的粒径为0.5μm～10μm，所述锌粉纯度均在99％以上，进一步优选地，所述锌粉的纯度最好在99.99％以上，所述弱酸锌盐中锌元素的重量百分数为35％～42％，优选的为40％左右，并且锌粉和弱酸锌盐中的杂质对于氧化物薄膜的形成没有影响，也不影响铅铋合金的热物性。
在一个优选的实施方式中，所述含有锌元素的添加剂包括水和弱酸锌盐，可以是弱酸盐溶液，也可以是弱酸盐溶液与弱酸盐的混合物，所述弱酸锌盐包括甲酸锌或乙酸锌。
在进一步优选的实施方式中，含有锌元素的添加剂中，基于所述含有锌元素的添加剂的总重量，锌元素的重量分数为0.005-0.007wt％。
在一个优选的实施方式中，在所述堆芯内设置有实时监测其内部冷却剂中锌元素浓度的监测装置，当所述监测装置监测到基于冷却剂的总重量，锌元素的重量分数低于为0.0015wt％时，向堆芯内添加锌粉或弱酸锌盐或含有锌元素的添加剂，直至基于冷却剂的总重量，锌元素的重量分数达到0.0025wt％以上为止。
在一个优选的实施方式中，所述反应堆内的冷却剂即铅铋合金的流动方向如图1中的黑色箭头所示，从加锌管中出来的锌元素随着冷却剂向上流动，最终流经整个反应堆系统，使其内部所有与冷却剂接触的金属表面都能形成氧化物薄膜。
根据本发明提供的含有加锌管的反应堆，一般在其内部加入冷却剂以后即可以通过加锌管向其中加锌，随着反应堆的工作，其内部的氧化膜逐渐的磨损，冷却剂中的锌元素不断地补充至氧化膜中，使得堆芯得到氧化膜的充分保护，而冷却剂中的锌元素含量随着锌元素的消耗而不断下降，所以当检测到冷却剂中锌元素含量过低时开启加锌孔，向其内部加锌。
根据本发明提供的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的方法，该方法是通过采用上述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置实现的，设置带有加锌管的堆芯，通过所述加锌管在适宜的时机向堆芯内加入事宜数量的锌元素，使其形成致密的氧化膜。
根据本发明提供的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置包含带有加锌管的反应堆，能够向反应堆内加入锌元素，形成致密的氧化物薄膜，从而提高反应堆的使用寿命和安全性。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，该装置包括在顶部开设有加锌孔的ADS反应堆，在所述ADS反应堆内设置有穿过所述加锌孔的加锌管(1)，所述加锌管(1)延伸到反应堆堆芯附近，所述加锌管(1)用于向ADS反应堆中加入锌粉或弱酸锌盐或含有锌元素的添加剂。
2.根据权利要求1所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，所述加锌管截面呈圆形，加锌管的内径为3mm-5mm。
3.根据权利要求1所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，所述加锌管在靠近反应堆堆芯的一端具有预定的弧度，所述弧度使得加锌管在ADS反应堆内部的末端开口方向朝向反应堆的顶部。
4.根据权利要求1所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，在所述加锌孔上设置有可闭合的封盖，在所述封盖外部设置有盛装部和喷射部。
5.根据权利要求1所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，当ADS反应堆的冷却剂中不含水时，通过所述加锌孔向堆芯中加入含有锌元素的添加剂；
当ADS反应堆的冷却剂中含水时，通过所述加锌孔向堆芯中加入锌粉或弱酸锌盐或含有锌元素的添加剂。
6.根据权利要求5所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，所述锌粉或弱酸锌盐的粒径为0.5um～10um，所述弱酸锌盐中锌元素的重量百分数为35％～42％。
7.根据权利要求5或6所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，所述含有锌元素的添加剂包括水和弱酸锌盐，所述弱酸锌盐包括甲酸锌或乙酸锌。
8.根据权利要求7所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，基于所述含有锌元素的添加剂的总重量，锌元素的重量分数为0.005-0.007wt％。
9.根据权利要求1所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置，其特征在于，在所述堆芯内设置有实时监测其内部冷却剂中锌元素浓度的监测装置，当所述监测装置监测到基于冷却剂的总重量，锌元素的重量分数低于为0.0015wt％时，向堆芯内添加锌粉或弱酸锌盐或含有锌元素的添加剂，直至基于冷却剂的总重量，锌元素的重量分数达到0.0025wt％以上为止。
10.一种向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的方法，其特征在于，该方法是通过如权利要求1至权利要求9中所述的向ADS反应堆铅铋共晶合金中加锌的装置实现的。
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