CN106531241A - 液态金属反应堆双壁管换热设备、破管检测和维护方法 - Google Patents

液态金属反应堆双壁管换热设备、破管检测和维护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液态金属反应堆双壁管换热设备、破管检测和维护方法，该换热设备包括多个相互独立的管束组件、壳侧导流部件、壳体、进口联箱、出口联箱、气体接管和阀门，其中，每个管束组件上端连接到壳体上、能够从壳体中取出，管束组件的进口接管与进口联箱连接，管束组件的出口接管与出口联箱连接，管束组件下部穿过壳侧导流部件，管束组件的双壁换热管的夹层填充低熔点合金并覆盖破壁检测气体，通过气体压力变化及时检测破管，提高换热设备在液态金属反应堆中使用安全性，该换热设备可以采用可独立更换的模块化管束组件，降低破口事故下换热设备的维修成本和维修强度。

Description

液态金属反应堆双壁管换热设备、破管检测和维护方法
技术领域
本发明涉及一种液态金属反应堆换热器，尤其涉及一种液态金属反应堆双壁管换热设备、用于液态金属反应堆双壁管换热设备的双壁换热管和管束组件、以及破管检测方法和换热设备的维护方法。
背景技术
作为一种可大规模发展的清洁能源，核能对于国家能源供应和环境保护具有重要的支撑作用。基于安全、高效、可持续等目标，目前国际上正在研发的第四代核能系统中，液态金属反应堆是最具发展前景的反应堆类型之一。
液态金属反应堆作为第四代快堆，一回路系统一般采用池式布置，即主泵、主换热器(或蒸汽发生器)、核燃料组件等都布置在反应堆主容器内部。由于主换热器直接布置在反应堆主容器内部，且一次侧使用强腐蚀的液态金属介质，对于液态金属反应堆主换热器结构安全性提出了更高要求。
换热管是主换热器结构最薄弱的环节。目前，国际上液态金属反应堆主换热器结构，如日本钠冷快堆JSFR、俄罗斯铅铋快堆SVBR、欧盟铅铋快堆MYRRHA和铅冷快堆ALFRED等，都是采用双层换热管结构设计以提高主换热器结构安全性。
传统压水堆蒸汽发生器，主要通过一回路稳压器液位变化和二回路中放射性含量大幅升高来检测破管事故，破管事故响应缓慢，易造成大量放射性物质外逸；同时，压水堆蒸汽发生器破管后，只需要找出破裂的换热管并堵管维修，即可以继续正常使用。
液态金属反应堆主换热器，由于布置在反应堆堆池内，要求快速检测出破管事故。液态金属反应堆主换热器采用双层换热管结构，夹层间隙增加了换热管热阻，且破管后不能直接堵管维修，需要将整个换热器更换，增加了运行维护难度和维修成本。
发明内容
为解决现有技术中的一个或多个问题，本发明的一个目的在于提供一种用于液态金属反应堆双壁管换热设备的双壁换热管，以便能够快速检测破管事故。
本发明的另一目的在于提供一种使用上述双壁换热管的管束组件。
本发明的又一目的在于提供一种液态金属反应堆双壁管换热设备，以便在束管组件破管时，更换维修。
本发明的目的还在于提供一种破管检测方法，以对破管的双壁换热管进行检测。
本发明的目的还在于提供一种液态金属反应堆双壁管换热设备的维护方法，以降低换热器的维护难度和维修成本。
为此，本发明一方面提供了一种双壁换热管，用于液态金属反应堆的换热设备中，包括外管和内管，其特征在于，外管和内管二者之间的管壁夹层间隙中填充有低熔点合金，该低熔点合金上部覆盖有破壁检测气体。
进一步地，上述外管采用抗液态金属腐蚀的不锈钢，内管采用抗冷却流体腐蚀的合金。
进一步地，上述破壁检测气体为惰性气体。
根据本发明的另一方面，提供了一种管束组件，包括多根双壁换热管，双壁换热管为根据上面所描述的双壁换热管，双壁换热管仅上端固定以缓解轴向热应力。
根据本发明的又一方面，提供了一种液态金属反应堆双壁管换热设备，包括：多个相互独立的管束组件、壳侧导流部件、壳体、进口联箱、出口联箱、气体接管和阀门，其中，每个管束组件上端连接到壳体上、能够从壳体中取出，管束组件的进口接管与进口联箱连接，管束组件的出口接管与出口联箱连接，管束组件下部穿过壳侧导流部件，管束组件为根据上面所描述的管束组件。
进一步地，上述壳侧导流部件设置防短路挡板和/或支撑隔板。
本发明还提供了一种破管检测方法，用于液态金属反应堆双壁管换热设备中，包括监测各双壁换热管中破壁检测气体的压力，根据破壁检测气体的压力变化判断破管情况，其中，当破壁检测气体压力降低表示液态金属侧管壁破裂，当破壁检测气体压力升高表示冷却流体侧管壁破裂，其中，双壁换热管为根据权利要求上面所描述的双壁换热管。
本发明还提供了一种液态金属反应堆双壁管换热设备的维护方法，包括：利用破管检测方法对双壁换热管进行破管检测；当破壁检测气体压力降低表示液态金属侧管壁破裂，则切断惰性气体供应，关闭并排空换热设备，更换损坏的管束组件；当破壁检测气体压力升高表示冷却流体侧管壁破裂，切断冷却流体供应，关闭并排空换热设备，更换损坏管束组件。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1)双壁管结构，夹层填充低熔点焊接保证换热效率，夹层上部覆盖气体可快速检测破管事故，有效防止大量放射性物质外逸，避免液态金属和冷却流体接触发生反应。
2)换热器整体采用多个管束组件结构，某根换热管破裂后，只需更换对应管束组件而无需将整个换热器更换，降低了换热器维护强度和成本；多个管束组件批量制造，降低了制造难度和制造成本。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明一实施例的液态金属反应堆换热设备的整体结构的主视图；
图2是根据本发明一实施例的液态金属反应堆换热设备的整体结构的俯视图；
图3是根据本发明一实施例的液压金属反应堆换热设备的接触式双壁刺刀管的结构示意图；以及
图4是图3所示接触式双壁刺刀管的横截面示意图。
附图标记说明
1、管束组件； 1-1、换热管(1-1)；
1-2、管壁凹槽； 2、壳侧导流部件；
2-1、防短路挡板； 2-2、支撑隔板；
3、壳体； 4、进口联箱；
5、出口联箱； 6、气体接管；
7、阀门。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供了一种液态金属反应堆双壁管换热设备，采用双壁管组件式管束结构设计，通过双壁管夹层气体快速检测破管事故，有效防止放射性物质大量外逸；在夹层间隙填充低熔点合金，降低双壁管热阻，避免破管后两侧流体直接接触；破管事故发生后，只需要更换破损的管束组件，而其余管束组件可继续正常使用，降低了液态金属反应堆换热器的维修成本和维修强度。
图1至图4示出了根据本发明的一些实施例。
如图1和图2所示，本发明的液态金属反应堆换热设备包括3个管束组件1、壳侧导流部件2、壳体3、进口联箱4、出口联箱5和气体接管6，其中，每个管束组件1能够独立地从换热器壳体3中取出，并通过进口联箱4和出口联箱5相互连接起来。
给水从进口联箱4进入管束组件1，通过双壁刺刀式换热管1-1与壳侧液态金属换热，生成的过热蒸汽从出口联箱5流出；液态金属从换热器壳体3的入口窗进入换热器内，自上而下沿管外向下流出换热器。
当某个管束组件1的换热管破裂后，通过关闭对应阀门隔离该管束组件1，其他管束组件1可以继续正常使用；后期只需更换对应管束组件1，而无需将整个换热器更换。
3个管束组件1采用环形排列，具有降低换热设备对反应堆直径尺寸的技术效果。
换热设备的多个相互独立的管束组件1通过法兰连接集成到壳体3上；管束组件1内的换热管1-1仅上端固定以缓解轴向热应力，采用不同金属的双壁换热管，外管采用抗液态金属腐蚀的不锈钢，内管采用抗冷却流体腐蚀的合金，管壁夹层填充气体可快速检测破管事故；壳侧导流部件3顶部设置防短路挡板3-1消除非布管区域旁流，内部设置支撑隔板3-2防止管束振动。
当换热器的多个相互独立的小型管束组件的某换热管破裂后，只需更换对应管束组件而无需将整个换热器更换，降低了换热器维护强度和成本。同时，多个管束组件批量制造，降低了制造难度和制造成本。双壁管夹层内低熔点合金保证双壁管换热效率，气体压力变化可以快速检测破管事故，有效防止大量放射性物质外逸，避免液态金属和加热流体接触发生反应。
结合参照图1至图4，每个管束组件1由31根同心圆排列的接触式双壁刺刀式换热管1-1组成，管壁间隙1-2填充低熔点合金和覆盖气体。换热设备正常运行时，内部充满常压液态金属、高压冷却流体以及检测破管的中压惰性气体，根据惰性气体压力变化趋势判断破管情况。
惰性气体压力降低表示双壁管外管壁面破裂，应及时切断惰性气体供应，关闭并排空换热设备，更换损坏管束组件；惰性气体压力升高表示双壁管内管壁面破裂，应及时切断冷却流体供应，关闭并排空换热设备，更换损坏管束组件。
正常运行时，换热设备内充满常压液态金属、高压冷却流体以及检测破管的中压惰性气体，根据惰性气体压力变化趋势判断破管情况，其中：惰性气体压力降低表示液态金属侧管壁破裂，切断惰性气体供应，关闭并排空换热设备，更换损坏管束组件；惰性气体压力升高表示冷却流体侧管壁破裂，切断冷却流体供应，关闭并排空换热设备，更换损坏管束组件。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双壁换热管，用于液态金属反应堆的换热设备中，包括外管和内管，其特征在于，所述外管和内管二者之间的管壁夹层间隙中填充有低熔点合金，所述低熔点合金上部覆盖有破壁检测气体。
2.根据权利要求1所述的双壁换热管，其特征在于，所述外管采用抗液态金属腐蚀的不锈钢，内管采用抗冷却流体腐蚀的合金。
3.根据权利要求1所述的双壁换热管，其特征在于，所述破壁检测气体为惰性气体。
4.一种管束组件，包括多根双壁换热管，其特征在于，所述双壁换热管为根据权利要求1-3中任一项所述的双壁换热管，所述双壁换热管仅上端固定以缓解轴向热应力。
5.一种液态金属反应堆双壁管换热设备，其特征在于，包括：多个相互独立的管束组件(1)、壳侧导流部件(2)、壳体(3)、进口联箱(4)、出口联箱(5)、气体接管(6)和阀门(7)，其中，每个所述管束组件(1)上端连接到所述壳体(3)上、能够从所述壳体(3)中取出，所述管束组件的进口接管与所述进口联箱(4)连接，所述管束组件的出口接管与所述出口联箱(5)连接，所述管束组件(1)下部穿过所述壳侧导流部件(2)，所述管束组件(1)为根据权利要求4所述的管束组件。
6.根据权利要求5所述的液态金属反应堆双壁管换热设备，其特征在于，所述壳侧导流部件(2)设置防短路挡板(2-1)和支撑隔板(2-2)。
7.一种破管检测方法，用于液态金属反应堆双壁管换热设备中，其特征在于，包括监测各双壁换热管中破壁检测气体的压力，根据所述破壁检测气体的压力变化判断破管情况，其中，当所述破壁检测气体压力降低表示液态金属侧管壁破裂，当所述破壁检测气体压力升高表示冷却流体侧管壁破裂，其中，所述双壁换热管为根据权利要求1至3中任一项所述的双壁换热管。
8.一种根据权利要求5所述的液态金属反应堆双壁管换热设备的维护方法，其特征在于，包括：利用破管检测方法对双壁换热管进行破管检测；当所述破壁检测气体压力降低表示液态金属侧管壁破裂，则切断惰性气体供应，关闭并排空换热设备，更换损坏的管束组件；当所述破壁检测气体压力升高表示冷却流体侧管壁破裂，切断冷却流体供应，关闭并排空换热设备，更换损坏管束组件。
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