CN105244064A - 一种液态重金属冷却反应堆冷却剂排空系统及排空方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种液态重金属冷却反应堆冷却剂排空系统及排空方法，属于液态重金属冷却反应堆辅助系统；冷却剂排空系统包括下降管道、上升管道、阀口、钨球塞和气体控制系统。本发明利用管道的连接设计，通过钨球塞与阀口配合的密封作用，使得液态重金属反应堆在无须通过液态重金属泵的情况下，通过管道内的气体压力，将冷却剂排出堆池内。本发明不依赖与液态金属接触的机械能动部件，可以实现液态重金属反应堆冷却剂的排出，确保反应堆内部构件维修或退役时合适的环境。

Description

一种液态重金属冷却反应堆冷却剂排空系统及排空方法

技术领域

本发明涉及核反应堆的冷却剂辅助系统，特别涉及到液态种金属冷却反应堆的辅助系统及排空方法。

背景技术

液态重金属反应堆冷却剂密度大，对于铅或铅合金的冷却剂，其密度超过水或钠的10倍。在进行堆内构建的检修或者维护，以及在反应堆最终退役时，都需要将冷却剂排出堆容器外，以便提供一个合适的环境进行操作。

传统压水堆或钠冷快堆在需要将冷却剂排空时，通过堆外的泵就可以将冷却剂“抽”出反应堆，但是对于液态重金属，通过泵“抽”冷却剂，在覆盖气体为1个大气压的情况下，最多只能“抽”出1米的高度(对于水为10米)，而这个高度则无法实现将冷却剂提升至堆顶盖以上(通常需要2米以上)，而随着堆内液面的下降，抽送的要求则更加高。

通常实现以上目的的手段具有如下几种：

(1)堆内布置一个备用泵，放置在堆底部附近，将冷却剂“推”出堆外，但所需的泵由于压头高(～5倍主泵压头)，并且运动部件长时间在液态重金属环境中浸泡，可能存在黏接而影响运动；

(2)预留孔道直通堆底，在需要进行排空操作时临时放置一个泵进入堆底，进行排空操作，但是操作极为复杂；

(3)采用覆盖气体增压的方式进行实现，通过在液态重金属的液位上面的覆盖气体增加压力，配合出口管道将液态重金属“压”出堆池，一方面提高了对堆顶盖的承压(0.1MPa提高到1MPa)和密封要求，另一方面当堆顶出现泄漏而又很难修复时，则无法进行冷却剂的排空。

目前为止，除了俄罗斯的核潜艇以外，还未有建造液态重金属反应堆，目前的概念设计通常均采取以上方式。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种结构简单，可靠性高的液态重金属冷却反应堆冷却剂排空系统及排空方法，不依赖与液态金属接触的机械能动部件，可以实现液态重金属反应堆冷却剂的排出，确保反应堆内部构件维修或退役时合适的环境。

为实现所述方法的功能，本发明利用管道的连接设计，通过钨球和配合封头的配合，获取在不同的两侧压力下的开启和关闭，实现冷却剂的进出，由下降管的气体加压最终实现冷却剂的流出和排空。

本发明采用的技术方案：一种液态重金属冷却反应堆冷却剂排空系统，由下降管道(1)、钨球(2)、配合封头(3)、排空管道(4)、挡板(5)、排空阀门(6)、钨球操作口(7)和压力控制系统(8)组成；其中下降管道(1)贯穿堆顶盖(9)，上端连接压力控制系统(8)和钨球操作口(7)，下降管道(1)下端布置在堆池(10)的底部，下降管道(1)底部连接有配合封头(3)；排空管道(4)连接至下降管道下端的侧面，连接处在排空管道(4)内布置有挡板(5)，排空管道上端贯穿出堆顶盖(9)，并布置有阀门(6)。

其中，反应堆正常运行时，钨球(2)位于排空系统外，配合封头(3)此时完全开启，系统内和堆池(10)内连通。

排空方法实现步骤如下：

(1)反应堆正常运行时，钨球(2)位于系统外，配合封头(3)此时完全开启，冷却剂排空系统和堆池(10)连通；

(2)冷却剂排空前，将钨球(2)由钨球操作口(7)放入下降管道(1)内，钨球(2)由于重力作用下降至配合封头(3)内，钨球操作口(7)关闭；

(3)压力控制系统(8)增加压力，钨球由于上部压力大，因此钨球向下与配合封头压紧，实现密封效果，随着压力增加，下降管道(1)内和排空管道(4)内的冷却剂从排空管道(4)出口处压出；

(4)当冷却剂液位下降到下降管道底部附近，通过压力控制系统(8)停止并逐步减小压力，此时堆池(10)内压力大于冷却剂排空系统内压力，钨球(2)将被冷却剂向上冲开，冷却剂将充入排口系统中，下降管道(1)和排空管道(4)中的液位重新上升；

(5)重复(3)-(4)的过程，则将实现堆池(10)内的冷却剂经由配合封头(3)和排空管道(4)排出反应堆。

本发明的有益效果：本发明利用管道的连接设计，以及钨球和封头的配合，不依赖与液态金属接触的任何机械能动部件，实现一种新的液态重金属冷却反应堆冷却剂排空系统。本发明克服了已有方案的缺点：(1)无须使用液态重金属泵及任何与液态重金属接触的能动机械设备，仅使用气体控制系统和阀门进行操作；(2)对反应堆顶盖设计以及堆密封无任何要求。此外，采用了钨球的控制方式，可以在正常运行时不布置于堆内，以免由于液态重金属对系统的侵蚀、腐蚀等引起的氧化物等杂质导致粘结，只在需要使用时置入。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明在液态重金属排空系统排出冷却剂时的状态示意图；

图3为本发明在液态重金属排空系统充入冷却剂时的状态示意图。

具体实施方式

本发明的排空系统，能够基于现有技术，通过布置较为简单的设备，通过气体压力实现液态重金属反应堆的冷却剂排空功能，确保反应堆内部构件维修或退役时合适的环境。相比起以往方式，具备设备简单，易实现，占用空间小和可靠性高等优点。

如图1所示，本发明排空系统系统由下降管道1、钨球2、配合封头3、排空管道4、挡板5、排空阀门6、钨球操作口7和压力控制系统8组成；其中下降管道1贯穿堆顶盖9，上端连接压力控制系统8和钨球操作口7，下降管道1下端布置在堆池10的底部，连接有配合封头3；排空管道4连接至下降管道1下端的侧面，连接处在排空管道4内布置有挡板5，排空管道4上端贯穿出堆顶盖9，并布置有阀门6。

其中，反应堆正常运行时，钨球2不置于反应堆内，位于排空系统外，配合封头3此时完全开启，排空系统和堆池10连通。

其实现步骤如下：

A.反应堆正常运行时，钨球2位于排空系统外，配合封头3此时完全开启，冷却剂排空系统和堆池10连通；

B.冷却剂排空前，将钨球2由钨球操作口7放入下降管道1内，钨球2的密度大于液态重金属例如铅，由于重力作用下降至配合封头3内，钨球操作口7关闭；

C.压力控制系统8增加压力，由于上部压力大，钨球2向下运动与配合封头3压紧，实现密封效果，随着压力增加，下降管道1内和排空管道4内的冷却剂从排空管道4出口处压出，见图2；

D.当冷却剂液位下降到下降管道1底部附近，通过压力控制系统8停止并逐步减小压力，此时堆池10内压力大于系统内压力，钨球2将被冷却剂向上冲开，冷却剂将充入排空系统中，下降管道1和排空管道4中的液位重新上升，在此过程中，挡板5用以阻止钨球2移动到排空管道4中，见图3。

E.重复C-D的过程，则将实现堆池10的内冷却剂经由配合封头3和排空管道4排出反应堆。

参考一个典型的液态重金属冷却堆为一铅铋冷却的反应堆，主容器液位高度尺寸7米，直径5米，除去堆内构件和堆芯燃料，总共冷却剂为700吨(70立方米左右)。由于一般主泵、主换热器等关键设备更换时都不需要排空铅铋，只有在维修内部构件时和退役时需要，在总的寿期范围内一般不超过10次，因此对每次的时间要求一般不需要太苛刻，可以认为在一个月之内完成即可。

下降管道的总体积决定了一次排空操作所能形成的总体积，而排空管道的体积则对此无影响，因为在气体压出时，液位一直维持在下降管道内。因此，在设计时下降管道越大越好，但也不易过大，尽量配置在堆顶盖的空闲位置，否则会要求堆容器增大，继而增大反应堆的总体积。

不过需要注意到，在排空阶段的后期，堆池内液位降低，在排空系统充入铅铋的阶段，即使下降管内达到真空环境，下降管道内的铅铋液位也只能比堆池内高出1m。当排空阶段下降管道内压力升高往排空管道内压时，需要先将排空管道充满，然后才能排出堆外。因此必须将排空管道设计的越细越好。而且，在本系统运行的后期，效率将越来越低，不过，考虑到排空的主要目的在于维护堆内构件，因此确保最终液位低于堆芯底部栅板联箱即可，而通常堆芯底部栅板距离堆容器底部一般超过0.5m，因此只要最终剩余铅铋不超过0.5m则可认为此方案是有效的。此外，还可以对堆容器内进行适当加压，以提高本系统的每次运行的排空体积。

以具体实例的实施参数举例说明(以堆内覆盖气体为1个大气压为例)

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种液态重金属冷却反应堆冷却剂排空系统，其特征在于：所述系统能从液态重金属冷却反应堆堆底排出液态重金属冷却剂，包括：下降管道(1)、钨球(2)、配合封头(3)、排空管道(4)、挡板(5)、排空阀门(6)、钨球操作口(7)和压力控制系统(8)；其中下降管道(1)贯穿堆顶盖(9)，上端连接压力控制系统(8)和钨球操作口(7)，下降管道(1)的下端布置在堆池(10)的底部，下降管道(1)的底部连接有配合封头(3)；排空管道(4)连接至下降管道(1)下端的侧面，连接处在排空管道(4)内布置有挡板(5)，排空管道(4)上端贯穿出堆顶盖(9)，并布置有阀门(6)；反应堆正常运行时，钨球(2)放置在反应堆外，出口阀门(6)关闭；当需要进行冷却剂排空时，从钨球操作口(7)置入钨球(2)，通过操作压力控制系统(8)控制系统内压力变化，实现将冷却剂排出；排空完毕后，使用机械设备从钨球操作口(7)将钨球(2)取出。

2.一种液态重金属冷却反应堆冷却剂排空方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)反应堆正常运行时，钨球(2)位于反应堆外，配合封头(3)此时完全开启，所述排空系统和堆池(10)连通；

(2)冷却剂排空前，将钨球(2)由钨球操作口(7)放入下降管道(1)内，钨球(2)由于重力作用下降至配合封头(3)内，钨球操作口(7)关闭；

(3)压力控制系统(8)增加压力，钨球(2)上部压力增大，钨球(2)向下与配合封头(3)压紧，实现密封效果，随着压力增加，下降管道(1)内和排空管道(4)内的冷却剂从排空管道(4)出口处压出；

(4)当冷却剂液位下降到下降管道底部附近，通过压力控制系统(8)停止并逐步减小压力，此时堆池(10)内压力大于冷却剂排空系统内压力，钨球(2)将被冷却剂向上冲开，冷却剂将充入排空系统中，下降管道(1)和排空管道(4)中的液位重新上升；

(5)重复(3)-(4)的过程，则将实现堆池(10)内的冷却剂经由配合封头(3)和排空管道(4)排出反应堆。