CN104916335A - 一种液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，包括：气体贮存罐、气体过滤器、气体加热器、气体输入管、进气阀门、内层热隔板、中层热隔板、外层热隔板、内层隔板固定钢板、外层隔板固定钢板、气体输出管、排气阀门、抽气机及用于设备与设备之间相连的管道和阀门。本发明实现了在液态金属冷却池式反应堆内对主容器内液态金属进行冷热池分隔和辅助加热功能。系统结构简单，启动方便，可在一套系统上实现热分隔和辅助加热功能，提高了反应堆系统的利用率，降低了反应堆系统的复杂性，可有效提高反应堆的经济性和安全性。

Description

一种液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统

技术领域

本发明属于反应堆系统部件设计技术领域，具体涉及一种液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统。

背景技术

液态金属冷却池式反应堆采用一体化设计，所有的堆内部件均浸没于主容器的液态金属内，有效降低了一回路冷却剂丧失事故(LOCA)的发生概率；主容器内装载大量的液态金属，使反应堆具有良好的热惰性；液态金属具有良好的中子性能，可设计为增殖快堆。这些优点使液态金属冷却池式反应堆具有良好的固有安全性和经济性，是先进反应堆的重要候选堆型之一。

堆内热分隔系统是液态金属冷却池式反应堆的重要系统之一。热分隔系统将液态金属冷却池式反应堆主容器内的液态金属分为上部的热池和下部的冷池，用于减小热池向冷池传递的热量，维持热池和冷池的温差。在液态重金属冷却自然循环池式反应堆中，主冷却剂系统的驱动力主要来源于热池和冷池液态重金属由于温度不同而产生的密度差，堆内热分隔系统的性能将直接影响主冷却剂系统的自然循环能力。同时热分隔系统的隔热能力将影响液态金属冷却池式反应堆的热效率及事故情况下主容器内液态金属的自然循环能力，进而影响反应堆的经济性和安全性。

在现有的液态金属冷却池式反应堆中，堆内热分隔系统多采用单层或多层钢板结构的热分隔设计。在中国实验快堆(CEFR)中，堆内热分隔系统的水平方向采用彼此间隔的三层热隔板、竖直方向采用彼此间隔的双层钢板，隔板间隙内通有液态金属循环冷却。该方案可降低热分隔板两侧的温差，减小热隔板上的热应力，但是进入热隔板间隙内的液态金属采用强迫循环驱动，不适合采用自然循环驱动的液态重金属池式反应堆。中国科学院合肥物质科学研究院设计的一种液态金属冷却池式反应堆堆内冷热池分隔系统，该方案采用彼此间隔的双层热分隔板设计，依靠热隔板间隙内的空气达到热分隔效果，但是该方案的所设计的热分隔板彼此之间没有支撑，内层热隔板需要承受热池内液态金属的全部重量，外层热隔板需要承受冷池内液态金属的压力，该设计方案对于热隔板材料的选择和加工挑战较大，工程可行性不高。

比利时铅铋冷却反应堆(MYRRHA)、法国凤凰快堆(Phoenix)和印度原型快堆(PFBR)的设计中，热分隔系统仅为单层钢板，钢板上热应力较大，对材料属性要求较高，实现难度大，隔热效果不好。同时采用这种热分隔设计方案的反应堆均采用强迫循环，热池向冷池的传热对齐冷却剂循环能力影响有限，如果液态重金属冷却自然循环池式反应堆采用这种设计，不利于维持热池和冷池的温差，会降低主冷却剂系统的自然循环能力，影响反应堆的热效率和冷却剂系统的稳定运行。

堆内辅助加热系统是液态金属冷却池式反应堆的另一个重要系统。当反应堆处于低功率或停堆工况时，堆芯所产生的热量将不足以维持主容器内的液态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，当反应堆处于低功率或停堆工况时，必须对液态金属冷却池式反应堆主容器内的液态重金属进行辅助加热，以维持其为液态。

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是中国实验快堆(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行，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强迫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。而且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池式反应堆

另一种典型方式为比利时设计的铅铋冷却反应堆(MYRRHA)的辅助加热系统，该系统直接置于堆芯下部，系统中安装电加热器，以此来直接加热主容器内的液态铅铋，维持主容器内的铅铋冷却剂温度在熔点以上。但这种方式的加热装置位于反应堆冷池内部，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研究科学院所设计的一种液态金属冷却池式反应堆堆内冷热池分隔系统具备辅助加热功能，该方案设计在反应堆处于停堆工况下时，打开与热隔板间隙相连的进气阀门和排气阀门，启动气体加热器和风机分别加热和驱动气体对主容器内的液态金属进行辅助加热，系统结构简单，启动方便。但是该方案在进行辅助加热时，对热池和冷池内的液态金属都进行加热，会降低热池和冷池的温差，不利于当反应堆处于低功率或停堆工况时主容器内液态金属自然循环的建立；同时该系统在进行辅助加热时，所导入的热气体温度相对热隔板间隙内的空气温度高，密度较小，因此气体均浮在气体输入管周围，部分起来还未通过热隔板与堆池内的液态金属进行热交换就被抽气机抽出。以上这两个因素将会导致整个系统的辅助加热效率降低。

发明内容

本发明的目的之一是针对液态金属冷却池式反应堆冷热池分隔和堆内液态金属辅助加热的需要，克服现有技术适用范围较窄、系统结构复杂、维修不便的不足，提供一种启动方便、可靠性高，不但适用于强迫循环，而且适用于自然循环的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，以提高液态金属冷却池式反应堆的经济性和安全性。

本发明提供一种液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，包括：气体贮存罐、气体过滤器、气体加热器、气体输入管、进气阀门、内层热隔板、中层热隔板、外层热隔板、内层隔板固定钢板、外层隔板固定钢板、气体输出管、排气阀门、抽气机及用于设备与设备之间相连的管道和阀门；所述内层热隔板、中层热隔板和外层热隔板依次平行铺设成上部竖直、中部水平和下部竖直的组合板，所述内层热隔板和中层热隔板之间留有间隙，形成内层热隔板间隙，所述中层热隔板和外层热隔板之间留有间隙，形成外层热隔板间隙；所述外层热隔板的上部竖直段紧贴主容器的内壁面，所述内层热隔板的下部竖直段与堆芯径向间隔为15～20cm，所述内层热隔板、中层热隔板和外层热隔板的上端均悬挂在堆顶盖上，下端连接堆芯冷却剂入口挡板并与所述堆芯相连；在所述内层热隔板间隙和外层热隔板间隙的上部竖直段、中部水平段和下部竖直段分别设置有所述内层隔板固定钢板和外层隔板固定钢板，在内层热隔板间隙正上方的所述堆顶盖部位、内层隔板固定钢板上均开有气体输入管的通过小孔，同时在内层热隔板间隙正上方的所述堆顶盖上开有气体输出管通过小孔；气体贮存罐与气体过滤器相连后再连接气体加热器，气体输入管一端与气体加热器相连接，一端装设进气阀门后通过所述堆顶盖上的开孔进入内层热隔板间隙，分别穿过上部竖直段、中部水平段和下部竖直段的所述内层隔板固定钢板上的小孔，进入内层热隔板间隙的底部，气体输出管一端通过所述堆顶盖上的开孔与所述堆顶盖相连，一端装设排气阀门后与抽气机相连，抽气机通过相应的管道和阀门与所述气体贮存罐相连，从而建立气体的闭式循环空间。

进一步的：所述气体输入管和气体输出管沿主容器中轴线对称布置，彼此之间的周向距离相等，每2个所述气体输入管的周向中间位置布置1个所述气体输出管；所述堆顶盖上的开孔同气体输入管与气体输出管的连接部位均装设膨胀节，同时做好密封处理，开孔的直径与膨胀节的外径相同。

进一步的：所述内层隔板固定钢板和外层隔板固定钢板为中心角为30°的环状结构，所述内层隔板固定钢板的外径与中层热隔板的内径相同，所述内层隔板固定钢板的内径与内层热隔板的外径相同；所述外层隔板固定钢板的外径与外层热隔板的内径相同，所述外层隔板固定钢板内径与中层热隔板的外径相同；所述内层隔板固定钢板上的开孔同气体输入管的连接部位装设有膨胀节，开孔的直径与膨胀节的外径相同。

进一步的：所述气体贮存罐内贮存的气体为惰性气体。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用惰性气体直接对液态金属冷却池式反应堆的热池进行加热，三层热隔板设计形成的外层热隔板间隙，可在系统进行辅助加热时保持对冷池形成隔热，集中对热池进行加热可使反应堆处于低功率或停堆工况时维持热池和冷池的温差，增强主容器内冷却剂的自然循环能力，提高系统的辅助加热效率。相对于中国科学院合肥物质科学院设计的热分隔系统，本发明的优点在于可提高反应堆处于低功率或停堆工况时主冷却剂系统的自然循环能力，系统的辅助加热效率更高；与中国实验快堆(CEFR)设计的使用二回路及事故余热排出系统对反应堆内液态金属进行辅助加热方案相比，本发明的优点在于系统结构简单，无需启动堆内构件，进行辅助加热时不会出现冷却剂逆转而给堆内构件带来热应力危害，系统不但适用于强迫循环液态金属冷却反应堆，同时适用于自然循环液态重金属冷却反应堆，整个系统的经济性、安全性更高，适用性更广。

(2)本发明设计的三层热隔板彼此之间装设有隔板固定钢板，有效提高了系统的稳定性和安全性。与中国科学院合肥物质科学研究院设计的热分隔系统相比，本发明的优点在于系统的可靠性更高，工程实用性更强；与中国实验快堆(CEFR)的热隔板设计方案相比，本发明的优点在于系统的适用性更广，无论是自然循环冷却还是强迫循环冷却的反应堆均可采用本发明作为其热分隔系统设计方案。

(3)本发明设计通过气体输入管将热气体导入内层热隔板间隙的底部，同时气体输入管沿主容器中轴线对称布置，热气体自下往上对热池内的液态金属进行均匀加热，与中国科学院合肥物质科学研究院设计的堆内冷热池分隔系统相比，本发明的优点在于可以有效提高系统的辅助加热效率，同时系统在进行辅助加热时，各气体输入管道彼此之间独立运行，1-2个气体输入管道发生故障无法正常工作时，仅需增大其他气体输入管道的输入热功率即可满足整个液态金属冷却池式反应堆的辅助加热需求，系统的设计具有独立性和冗余性。

附图说明

图1所示为本发明一种液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统结构示意图。

图2所示为本发明中堆顶盖上气体输入管、气体输出管布置示意图。

图3所示为本发明的内层、外层隔板固定钢板与内、中、外热隔板的连接关系的1/4示意图。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

如图1所示，本发明提供一种液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，包括：气体贮存罐1、气体过滤器2、气体加热器3、气体输入管4、进气阀门5、内层热隔板6、中层热隔板7、外层热隔板8、内层隔板固定钢板9、外层隔板固定钢板10、气体输出管11、排气阀门12、抽气机13以及设备与设备之间相连的管道和阀门。气体贮存罐1与气体过滤器2相连后再连接气体加热器3，气体输入管4一端与气体加热器3相连接，一端装设进气阀门5后通过堆顶盖15上的开孔进入内层热隔板间隙20，分别穿过上部竖直段、中部水平段和下部竖直段的内层隔板固定钢板9上的小孔，进入内层热隔板间隙20的底部，气体输出管11一端通过堆顶盖15开孔与堆顶盖15相连，一端装设排气阀门12后与抽气机13相连，抽气机13通过相应的管道和阀门与气体贮存罐1相连，从而建立气体的闭式循环空间。其中内层热隔板6、中层热隔板7和外层热隔板8依次平行铺设成上部竖直、中部水平和下部竖直的组合板，内层热隔板6和中层热隔板7之间留有间隙，形成内层热隔板间隙20，中层热隔板7和外层热隔板8之间留有间隙，形成外层热隔板间隙21，外层热隔板8的上部竖直段紧贴主容器16的内壁面，内层热隔板6的下部竖直段与堆芯19径向间隔为15～20cm，内层热隔板6、中层热隔板7和外层热隔板8的上端均悬挂在堆顶盖15上，下端连接堆芯冷却剂入口挡板14并与堆芯19相连；在内层热隔板间隙20和外层热隔板间隙21的上部竖直段、中部水平段和下部竖直段分别设置有内层隔板固定钢板9和外层隔板固定钢板10，在内层热隔板间隙20正上方的堆顶盖15部位、内层隔板固定钢板9上均开有气体输入管4的通过小孔，同时在内层热隔板间隙20正上方的堆顶盖15上开有气体输出管11通过小孔。

当反应堆处于正常运行状态时，进气阀门5和排气阀门12均处于关闭状态，系统起到热分隔作用，将主容器16内的液态金属分为热池17和冷池18；当反应堆处于低功率或停堆工况时，进气阀门5和排气阀门12打开，打开与气体贮存罐1相连的阀门，气体进入系统并流入气体过滤器2过滤，经过滤后的气体进入气体加热器3，经加热后的气体通过气体输入管4引入内层热隔板间隙20的底部，热气体自下向上加热热池17内的液态金属，在抽气机13的作用下，经热交换后的气体进入与堆顶盖15相连的气体输出管11，由气体输出管11引入抽气机13，并最终连接气体贮存罐1，从而完成气体的一次闭式循环，实现系统的辅助加热功能。

图2是本发明堆顶盖15上气体输入管4、气体输出管11布置示意图。本发明的气体输入管4沿主容器16中轴线对称布置，彼此之间周向距离相等，每2个气体输入管4的周向中间位置布置1个气体输出管11。在堆顶盖15上根据气体输入管4和气体输出管11的布置开设对应的管道通过小孔，小孔与气体输入管4、气体输出管11的连接部位装设有膨胀节并做好密封处理，小孔的直径与膨胀节的外径相等。

图3是本发明的内层、外层隔板固定钢板与内、中、外热隔板的连接关系的1/4示意图。本发明中内层隔板固定钢板9的外径与中层热隔板7的内径相同，内层隔板固定钢板9的内径与内层热隔板6的外径相同；外层隔板固定钢板10的外径与外层热隔板8的内径相同，外层隔板固定钢板10的内径与中层热隔板7的外径相同。在内层隔板固定钢板9上开有气体输入管4的通过小孔，小孔与气体输入管4的连接部位装设有膨胀节，小孔的直径与膨胀节的外径相等。

气体贮存罐1内贮存的气体为惰性气体，如氩气、氦气等。

实施例：

下面以某铅铋冷却自然循环池式反应堆所设计的多功能堆内热分隔系统为例，对系统的主要技术参数和相关运行工况进行阐述。

整个反应堆的额定热功率为10MW，主容器16内液态铅铋(LBE)装量约为550t，铅铋的熔点为125℃。所设计的这种液态重金属冷却自然循环反应堆多功能堆内热分隔系统，由气体贮存罐1、气体过滤器2、气体加热器3、气体输入管4、进气阀门5、内层热隔板6、中层热隔板7、外层热隔板8、内层隔板固定钢板9、外层隔板固定钢板10、气体输出管11、排气阀门12、抽气机13以及设备与设备之间相连的管道和阀门组成。相关部件的静态连接方式、系统的运行过程分别与权利要求1以及发明内容中系统工作原理所陈述的一致。

系统的热分隔能力设计标准为在反应堆处于额定运行工况时，热池向冷池传递的热量在反应堆额定功率的1％以内，通过理论计算和CFD的数值模拟结果，对设计的热分隔系统的内、中、外层热隔板厚度、热隔板间隙大小等主要技术参数进行优化，所最终确定的设计方案中，内层隔板间隙20、外层隔板间隙21的辐射传热量占反应堆额定功率的0.7％，低于1％，达到了设计标准。表1中罗列了系统进行堆内冷热池分隔时的主要技术参数。

由于所设计的反应堆采用非能动事故余热排出系统RVACS，RVACS、主容器16和安全容器都布置在堆坑内，RVACS位于安全容器外部。当反应堆处于低功率或停堆工况时，将多功能热分隔系统、RVACS系统、堆坑及堆坑混凝土空气冷却系统作为一个整体来研究和分析，系统损失的热量是由堆顶盖空气的对流散热、与主冷却剂系统相连设备的导热散热以及堆坑空气冷却系统的对流散热组成。对系统进行辅助加热的气体为氮气，提供辅助加热的热源。

当反应堆处于低功率或停堆工况时，计算系统进行辅助加热时多功能热分隔系统相关运行参数，如表1所示，罗列了系统进行堆内液态金属辅助加热时的主要技术参数。

表1铅铋冷却自然循环池式反应堆多功能热分隔系统主要技术参数

序号	技术参数	单位	数值
				1	反应堆额定热功率	MW	10
2	热隔板系统辅助加热功率	KW	46.8
				3	热池铅铋温度	℃	380
4	冷池铅铋温度	℃	250
				5	内层、中层、外层热隔板厚度	mm	20
6	内层、外层热隔板间隙	mm	120
				7	气体输入管个数	个	4
8	气体输出管个数	个	4
				9	每个气体输入管输入功率	KW	11.7
10	每个气体输入管的管径	mm	100
				11	每个气体输入管的流速	m/s	22.7
12	每个气体输入管进/出口温度	℃	250/300
				13	内层、外层隔板固定钢板厚度	mm	20

系统中的气体过滤器2可以除去惰性气体内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是加热气体时的主要热源。抽气机13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功率与抽气机13转速以调节系统的辅助加热功率。

整个系统的气体输入管4彼此之间是相互独立的，当系统进行辅助加热时，如果此时1-2个气体输入管道4出现故障而无法正常运行，仅需要提高与其他气体输入管4相连的气体加热器3的功率、增大抽气机13的转速，即可提高依然正常工作的气体输入管4输入的热功率，满足液态金属冷却池式反应堆的辅助加热需求，系统的设计具有独立性和冗余性。同时，如果反应堆功率增大和减小，仅需对应增多和减少与内层热隔板间隙20相连的气体输入管4的个数即可满足液态金属冷却池式反应堆的辅助加热需求。

本发明实现了在液态金属冷却池式反应堆内对主容器内液态金属进行冷热池分隔和辅助加热功能。系统结构简单，启动方便，可在一套系统上实现热分隔和辅助加热功能，提高了反应堆系统的利用率，降低了反应堆系统的复杂性，可有效提高反应堆的经济性和安全性。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (4)

1.一种液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，其特征在于，包括：气体贮存罐、气体过滤器、气体加热器、气体输入管、进气阀门、内层热隔板、中层热隔板、外层热隔板、内层隔板固定钢板、外层隔板固定钢板、气体输出管、排气阀门、抽气机及用于设备与设备之间相连的管道和阀门；所述内层热隔板、中层热隔板和外层热隔板依次平行铺设成上部竖直、中部水平和下部竖直的组合板，所述内层热隔板和中层热隔板之间留有间隙，形成内层热隔板间隙，所述中层热隔板和外层热隔板之间留有间隙，形成外层热隔板间隙；所述外层热隔板的上部竖直段紧贴主容器的内壁面，所述内层热隔板的下部竖直段与堆芯径向间隔为15～20cm，所述内层热隔板、中层热隔板和外层热隔板的上端均悬挂在堆顶盖上，下端连接堆芯冷却剂入口挡板并与所述堆芯相连；在所述内层热隔板间隙和外层热隔板间隙的上部竖直段、中部水平段和下部竖直段分别设置有所述内层隔板固定钢板和外层隔板固定钢板，在内层热隔板间隙正上方的所述堆顶盖部位、内层隔板固定钢板上均开有气体输入管的通过小孔，同时在内层热隔板间隙正上方的所述堆顶盖上开有气体输出管通过小孔；所述气体贮存罐与气体过滤器相连后再连接所述气体加热器，所述气体输入管一端与气体加热器相连接，另一端装设进气阀门后通过所述堆顶盖上的开孔进入所述内层热隔板间隙，分别穿过上部竖直段、中部水平段和下部竖直段的所述内层隔板固定钢板上的小孔，进入所述内层热隔板间隙的底部，所述气体输出管一端通过所述堆顶盖上的开孔与所述堆顶盖相连，另一端装设排气阀门后与所述抽气机相连，所述抽气机通过相应的管道和阀门与所述气体贮存罐相连，从而建立气体的闭式循环空间。

2.如权利要求1所述的一种液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，其特征在于：所述气体输入管和气体输出管沿所述主容器中轴线对称布置，彼此之间的周向距离相等，每2个所述气体输入管的周向中间位置布置1个所述气体输出管；所述堆顶盖上的开孔同所述气体输入管与气体输出管的连接部位均装设膨胀节，同时做好密封处理，开孔的直径与所述膨胀节的外径相同。

3.根据权利要求1所述的一种液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，其特征在于：所述内层隔板固定钢板和外层隔板固定钢板为中心角为30°的环状结构，所述内层隔板固定钢板的外径与所述中层热隔板的内径相同，所述内层隔板固定钢板的内径与内层热隔板的外径相同；所述外层隔板固定钢板的外径与外层热隔板的内径相同，所述外层隔板固定钢板的内径与所述中层热隔板的外径相同；所述内层隔板固定钢板上的开孔同所述气体输入管的连接部位装设有膨胀节，开孔的直径与膨胀节的外径相同。

4.根据权利要求1所述的一种液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，其特征在于：所述气体贮存罐内贮存的气体为惰性气体。