CN106601314A - 一种铅基反应堆冷却剂氧控系统和氧控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铅基冷却反应堆氧控系统和氧控方法，该氧控方法包括以下步骤：在反应堆运行初始阶段通过溶解质量交换器中氧源颗粒产生大量的氧，以使所有与铅合金冷却剂接触的结构材料表面都形成保护性氧化膜；当反应堆中的氧浓度到达目标氧浓度时，控制质量交换器的氧源颗粒的溶解产氧速率，以使反应堆中的氧浓度稳定在目标氧浓度；以及对反应堆关键部件处和铅合金冷却剂流动滞留区选择性地注入氧化性或还原性气体，对氧浓度进行精确控制。在本发明中，固相和气相氧控方法耦合使用在反应堆运行的不同阶段和工作区间，实现了快速精确氧控的目标，通过放置在冷池过滤净化装置对冷却剂中腐蚀等杂质进行在线净化，降低了堆芯堵流的风险。

Description

一种铅基反应堆冷却剂氧控系统和氧控方法

技术领域

本发明涉及第四代先进核能系统，尤其涉及铅基冷却反应堆氧控系统和氧控方法。

背景技术

铅基合金是加速器驱动的次临界系统(ADS)中散裂靶的首选材料和先进快堆的冷却剂重要候选材料。由于铅基合金特殊的热物理性质和化学性质，目前作为ADS散裂靶和先进快堆的冷却剂在世界范围内广泛研究。

但其对反应堆结构材料的腐蚀性成为其广泛运用的最大制约。铅基合金在中高温环境下对直接暴露在其中的结构材料具有很强腐蚀性。在铅基合金系统中，为了防止材料的腐蚀必须存在一定活性的溶解氧，溶解氧的活性必须足够多以避免材料氧化层的热力学溶解，起到保护材料的作用。但同时要低于氧化铅生成的氧活性，如果超出就会造成固态氧化铅析出，形成氧化物残渣，污染整个铅合金系统。总之，铅合金系统的操作条件必须要保证材料表面氧化层的动力学平衡和防止氧化物沉淀生成。由于以上原因，监测和控制铅合金中的溶解氧是缓解反应堆结构材料腐蚀的有效途径。

目前控制铅合金中氧浓度的方法主要有气相法和固相法两种，典型应用如下：

已有的一种适用于实现固相氧控反应的实验装置(专利号201310019545.2)，其中铅合金冷却剂是静态的，适用于固相氧控机理研究。

已有的一种流动工况下液态重金属氧浓度控制固液交换反应装置(已公开)，是回路中固相氧浓度控制，也仅适用于固相氧控机理研究。

已有的一种适用于实现氧控反应的实验装置(专利号201210219911.4)，仅适用气相氧控机理研究及为材料腐蚀研究提供合理的氧浓度环境。

已有的液态铅铋合金中氧含量控制装置及方法(已公开)，主要是回路中氧浓度控制装置及方法。

已有的一种适用于铅及铅基合金净化用冷阱(专利号201310011089.7)主要利用冷阱原理，配套冷却装置对铅合金冷却剂进行冷却促使不溶性杂质析出。

上述公开发表的文献显示仅在一些回路装置中有氧控的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于第四代先进核能系统的铅基冷却反应堆氧控系统，以实现快速、精确氧控。

本发明的目的还在于提供一种铅基冷却反应堆氧控方法，以实现快速、精确氧控。

为此，本发明一方面提供了一种铅基冷却反应堆氧控系统，包括气体控制单元和气体管路，用于对反应堆中的关键部件处和铅合金冷却剂流动滞留区注入氧化性或还原性气体；质量交换器，用于在高温和铅合金冲刷作用下溶解产氧；氧传感器，用于检测铅合金冷却剂各设定点的氧浓度；以及冷却剂在线总控系统，用于接收各设定点的氧传感器的反馈信息，通过控制质量交换器对反应堆的目标氧浓度进行控制；通过控制气体控制单元和气体管路对关键部件处和铅合金冷却剂流动滞留区的氧浓度进行精确控制。

进一步地，上述质量交换器放置在反应堆冷池中，通过调节质量交换器的加热棒温度控制氧源颗粒的溶解产氧速率。

进一步地，上述铅基冷却反应堆氧控系统还包括过滤净化装置，用于对冷却剂中杂质进行在线净化。

进一步地，上述过滤净化装置设置在冷池换热器末端，其中，经过换热器冷却后的铅合金冷却剂中杂质析出、被过滤净化装置截流，防止杂志进入堆芯。

进一步地，上述关键部件处包括堆芯和换热器。

根据本发明的另一方面，提供了一种铅基冷却反应堆氧控方法，包括以下步骤：在反应堆运行初始阶段通过溶解质量交换器中氧源颗粒产生大量的氧，以使所有与铅合金冷却剂接触的结构材料表面都形成保护性氧化膜；当反应堆中的氧浓度到达目标氧浓度时，控制所述质量交换器的氧源颗粒的溶解产氧速率，以使反应堆中的氧浓度稳定在目标氧浓度；以及所述反应堆中氧浓度经过上述初步调控后，对反应堆关键部件处和铅合金冷却剂流动滞留区选择性地注入氧化性或还原性气体，对氧浓度进行精确控制。

进一步地，上述铅基冷却反应堆氧控方法还包括以下步骤：通过放置在冷池的过滤净化装置对冷却剂中杂质进行在线净化，低溶解度的杂质在冷池析出、被过滤净化装置截流，防止杂志进入堆芯。

进一步地，上述关键部件处包括堆芯和换热器。

进一步地，通过调节质量交换器的加热棒的温度控制氧源颗粒的溶解产氧速率。

进一步地，上述根据所述关键部件处或滞留区温度不同，设定不同的氧浓度目标值。

与现有技术相比，本发明的效果和优点如下：

(1)、本发明实现了铅基反应堆冷却剂中关键成分-氧含量实时在线控制和对冷却剂中腐蚀等杂质进行在线净化。

(2)、本发明通过堆池内固相氧控快速将大容积铅合金冷却剂中氧浓度控制至目标值，通过注入氧化性或还原性气体，实现对关键部件及铅合金冷却剂流动滞留区氧浓度进行精确控制，确保关键部件处结构材料表面形成致密的保护性氧化膜，减缓结构材料的腐蚀。

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为根据本发明一实施例的铅基反应堆冷却剂氧控系统的结构示意图；以及

图2为根据本发明一实施例的铅基反应堆冷却剂氧控方法的流程图。

附图标记说明

1、气体控制单元； 2、冷却剂在线总控系统；

3、过滤净化装置； 4、质量交换器；

5、氧传感器； 6、气体管路。

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。

本发明针对铅基反应堆设计了一种铅基冷却反应堆氧控系统，将气相和固相氧控方法耦合使用在反应堆运行的不同阶段和工作区间，以实现快速精确氧控的设计方案。其中，固相氧控着重维护堆本体内总体处于安全氧浓度氛围；气相氧控精准保证关键部件所在区域氧浓度平衡。通过两种氧控方式控制逻辑的有机结合，实现反应堆大容积铅合金冷却剂中氧浓度快速到达目标值，同时实现对关键部件及铅合金冷却剂流动滞留区氧浓度进行精确控制，确保关键部件处结构材料表面形成致密的保护性氧化膜，减缓结构材料的腐蚀。通过堆内过滤装置放置在冷池中过滤净化装置对冷却剂中腐蚀等杂质进行在线净化，低溶解度的杂质析出被过滤装置截流，防止杂质进入堆芯，降低堆芯堵流的风险。

图1和图2是根据本发明的铅基反应堆冷却剂工艺系统的一些实施例。

如图1所示，铅基反应堆冷却剂氧控系统包括气体控制单元1、冷却剂在线总控系统2、过滤净化装置3、质量交换器4、氧传感器5、以及气体管路6。

核主泵驱动铅基冷却剂流经质量交换器4，在高温和流动工况下，质量交换器4中氧源颗粒溶解产氧，向铅合金冷却剂中补充氧，以补充由于结构材料氧化而消耗的铅合金冷却剂中氧浓度，反应堆运行初始阶段通过溶解质量交换器4中氧源颗粒产生大量的氧，确保所有与铅合金冷却剂接触的结构材料表面都形成保护性氧化膜。

当到达目标氧浓度时，氧传感器5实时监测反应堆冷却剂中氧浓度信号，信号通过冷却剂在线总控系统2反馈给质量交换器4中内置加热棒，氧传感器5反馈信号显示反应堆中氧浓度低于目标氧浓度，增加内置加热棒的加热功率，增加氧源溶解产氧。氧传感器5反馈信号显示反应堆中氧浓度高于目标氧浓度时，则降低内置加热棒的加热功率，减少氧源溶解产氧。

反应堆中氧浓度初步调控后，通过气体控制单元1和气体管路6向反应堆关键部件和滞留区等部位注入氧化性或还原性气体对氧浓度进行精确控制，根据关键部件或流动滞留区温度不同，设定不同氧浓度目标值，氧化性或还原性气体通过气体控制单元1控制后经过气体管路6进入铅合金冷却剂中调节氧浓度。

其中，堆内过滤净化装置3放置在冷池换热器末端，冷却剂经冷却后，低溶解度的杂质析出被过滤净化装置3截流，防止杂质进入堆芯，降低堆芯堵流的风险。

根据本发明的氧控系统，在核主泵驱动下，铅合金冷却剂流经质量交换器4，质量交换器4中氧源颗粒在高温和铅合金冲刷作用下溶解产氧，初步、快速控制反应堆中铅合金冷却剂氧浓度，以快速补充由于反应堆运行前期结构材料表面氧化膜快速生成而消耗的铅合金冷却剂中氧浓度；再通过注入氧化性或还原性气体对铅合金冷却剂中关键部位处氧浓度进行精确控制，调节堆芯、换热器、铅合金冷却剂流动滞留区等关键部件处氧浓度在合适范围内，确保关键部件处结构材料表面形成致密的保护性氧化膜，减缓结构材料的腐蚀，延长堆运行寿命。通过放置在冷池的过滤净化装置对冷却剂中腐蚀等杂质进行在线净化，低溶解度的杂质在冷池析出被过滤装置截流，防止杂质进入堆芯，降低堆芯堵流的风险。

上述对氧浓度进行精确控制的机理如下：带有较多氧浓度的铅合金冷却剂进入堆芯，堆芯温度最高，氧化腐蚀最严重，氧化腐蚀到一定程度后包壳材料表面的氧化膜脱落，影响包壳结构完整性，通过补充氧以产生保护性致密氧化膜，能够减少包壳材料的溶解腐蚀及晶间腐蚀等，进而延长包壳材料的使用寿命。

如图2所示，本发明的铅基冷却反应堆氧控方法包括：

步骤S11：在反应堆运行初始阶段通过溶解质量交换器中氧源颗粒产生大量的氧，以使所有与铅合金冷却剂接触的结构材料表面都形成保护性氧化膜；

步骤S13、当反应堆中的氧浓度到达目标氧浓度时，控制所述质量交换器的氧源颗粒的溶解产氧速率，以使反应堆中的氧浓度稳定在目标氧浓度；以及

步骤S15、所述反应堆中氧浓度经过上述初步调控后，对反应堆关键部件处和铅合金冷却剂流动滞留区选择性地注入氧化性或还原性气体，对氧浓度进行精确控制。

根据本发明的氧控方法，通过固相氧控初步、快速控制反应堆中铅合金冷却剂氧浓度，以快速补充由于反应堆运行前期结构材料表面氧化膜快速生成而消耗的铅合金冷却剂中氧浓度；通过气相对铅合金冷却剂中氧浓度进行精确控制，调节堆芯、换热器、铅合金冷却剂流动滞留区等关键部件处氧浓度到合适范围内，确保关键部件处结构材料表面形成致密的保护性氧化膜，减缓结构材料的腐蚀，延长堆运行寿命；

在一实施例的氧控方法中，还包括以下步骤：通过放置在冷池过滤净化装置对冷却剂中腐蚀等杂质进行在线净化，低溶解度的杂质在冷池析出被过滤装置截流，防止杂质进入堆芯，降低堆芯堵流的风险。

在一实施例的氧控方法中，上述关键部件处包括堆芯和换热器。

在一实施例的氧控方法中，通过调节质量交换器的加热棒的温度控制氧源颗粒的溶解产氧速率。

在一实施例的氧控方法中，根据所述关键部件处或滞留区温度不同，设定不同的氧浓度目标值，以实现更精确的控制。

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 (10)

1.一种铅基冷却反应堆氧控系统，其特征在于，包括：

气体控制单元(1)和气体管路(6)，用于对所述反应堆中的关键部件处和铅合金冷却剂流动滞留区注入氧化性或还原性气体；

质量交换器(4)，用于在高温和铅合金冲刷作用下溶解产氧；

氧传感器(5)，用于检测铅合金冷却剂各设定点的氧浓度；以及

冷却剂在线总控系统(2)，用于接收各设定点的氧传感器的反馈信息，通过控制所述质量交换器(4)对反应堆的目标氧浓度进行控制；通过控制所述气体控制单元(1)和气体管路(6)对所述关键部件处和铅合金冷却剂流动滞留区的氧浓度进行精确控制。

2.根据权利要求1所述的铅基冷却反应堆氧控系统，其特征在于，所述质量交换器(4)放置在反应堆冷池中，通过调节质量交换器(4)的加热棒温度控制氧源颗粒的溶解产氧速率。

3.根据权利要求1所述的铅基冷却反应堆氧控系统，其特征在于，还包括过滤净化装置(3)，用于对冷却剂中杂质进行在线净化。

4.根据权利要求3所述的铅基冷却反应堆氧控系统，其特征在于，所述过滤净化装置(3)设置在冷池换热器末端，其中，经过换热器冷却后的铅合金冷却剂中杂质析出、被过滤净化装置截流，防止杂志进入堆芯。

5.根据权利要求1所述的铅基冷却反应堆氧控系统，其特征在于，所述关键部件处包括堆芯和换热器。

6.一种铅基冷却反应堆氧控方法，其特征在于，包括以下步骤：

在反应堆运行初始阶段通过溶解质量交换器中氧源颗粒产生大量的氧，以使所有与铅合金冷却剂接触的结构材料表面都形成保护性氧化膜；

当反应堆中的氧浓度到达目标氧浓度时，控制所述质量交换器的氧源颗粒的溶解产氧速率，以使反应堆中的氧浓度稳定在目标氧浓度；以及

在反应堆中氧浓度经过上述步骤调控后，对反应堆关键部件处和铅合金冷却剂流动滞留区选择性地注入氧化性或还原性气体，对氧浓度进行精确控制。

7.根据权利要求6所述的铅基冷却反应堆氧控方法，其特征在于，还包括以下步骤：通过放置在冷池的过滤净化装置对冷却剂中杂质进行在线净化，低溶解度的杂质在冷池析出、被过滤净化装置截流，防止杂志进入堆芯。

8.根据权利要求6所述的铅基冷却反应堆氧控方法，其特征在于，所述关键部件处包括堆芯和换热器。

9.根据权利要求6所述的铅基冷却反应堆氧控方法，其特征在于，通过调节质量交换器(4)的加热棒的温度控制氧源颗粒的溶解产氧速率。

10.根据权利要求6所述的铅基冷却反应堆氧控方法，其特征在于，根据所述关键部件处或滞留区温度不同，设定不同的氧浓度目标值。