CN106847350B - 一种液态金属冷却反应堆集成测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液态金属冷却反应堆集成测试装置，本发明采用池式结构整体设计，可实现液态金属能动和非能动双模式循环，主实验容器为装置主体，在池式容器内部，通过驱动泵为液态金属提供循环动力，基于电加热模拟堆芯热量产生为液态金属提供热源，并利用池式容器内部的主换热器和外部余热排出系统，可再现池式液态金属冷却反应堆内冷却剂循环流动、正常和事故工况下的热量交换与传输，同时，通过液态金属冷却剂工艺控制系统实现液态金属循环流动中的化学成分控制，可用于池式液态金属冷却反应堆堆内冷却剂整体循环流动、热量传输以及正常和事故工况下的安全特性研究。

Description

一种液态金属冷却反应堆集成测试装置
技术领域
本发明涉及一种新型环腔式多功能核能单元。
背景技术
液态金属，如铅、铅铋合金等，由于其良好的中子性能和导热性，被认为是ADS(Accelerator Driven Sub-critical System，加速器驱动次临界单元)靶材和第四代反应堆等先进核能单元冷却剂的首选材料(体现出铅冷快堆的背景。液态金属(铅基合金、钠等)冷却的反应堆目前国际上一般采用池式结构，堆池内含有主泵、堆芯、主换热器、余热排出单元、工艺控制单元等专用设备，由于液态金属特殊的物性以及反应堆中子辐照、高温等苛刻工况，上述关键设备在反应堆寿期内服役特性是需要。
目前欧美、俄罗斯、日本、韩国等国家均开展了液态金属冷却反应堆的方案设计和关键技术研发工作，如针对铅基合金冷却的反应堆。德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)建造了CORRIDA等液态铅铋合金材料腐蚀与THEYS热工实验回路装置，意大利新技术、经济与能源发展局(ENEA)建造了LECOR等纯铅与铅合金材料腐蚀和NACIE等热工实验回路装置，韩国首尔大学建造了HELIOS等铅合金热工实验回路装置。但上述实验装置均为管路结构形式，重点研究液态金属冷却反应堆冷却剂、结构材料与部分设备单项关键技术的研究，且采用的设备与未来真实反应堆差距较大，不具备工程价值与意义。
目前国际上仅意大利ENEA设计并建造了池式液态铅铋合金实验装置CIRCE，但该装置容器结构与尺寸有限，且不包含主泵驱动循环设备等，无法开展真实反应堆主泵驱动循环条件下反应堆关键设备集成测试的研究。另外，比利时SCK.CEN设计并计划建造ESCAPE池式实验装置，但是该装置中未考虑关键设备的结构尺寸和布局形式，对于关键设备仅做黑盒子的模化处理，仅重点针对铅基合金冷却反应堆的整体循环，无法对反应堆关键设备集成测试开展综合研究。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可模拟池式液态金属冷却反应堆工程技术集成测试装置，可以解决目前尚无综合集成测试装置开展堆工程技术的难题。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种液态金属冷却反应堆集成测试装置，包括：
主容器，用于存放液态金属；
热源，设置在所述主容器内，用于加热主容器内的液态金属；
主热量交换单元，设置在所述主容器内，与所述主容器内的液态金属进行热量交换，并且与外围主冷却单元连接并且进行热量交换；
驱动单元，用于驱动所述主容器内的液态金属循环；
主容器伴热单元，设置在所述主容器外，用于加热所述主容器；
主容器伴热保温单元，设置在所述主容器外，用于实施对所述主容器的保温；以及
辅助热量交换单元，设置在所述主容器内，与所述主容器内的液态金属进行热量交换，并且与外围辅助冷却单元连接并进行热量交换。
本发明还存在以下特征：
所述主容器为双层筒状结构，位于主容器的筒口处设置有顶盖，所述顶盖与主容器密封连接，所述辅助热量交换单元、驱动单元以及主热量交换单元均穿过顶盖且伸入主容器内。
所述主容器的下方设置有空气冷却单元，所述空气冷却单元的冷空气出口指向主容器筒体。
所述液态金属为钠、钠合金、铅、铅合金以及熔盐介质中的一种或者多种；
所述驱动单元包括下端伸入主容器内的循环管路，循环管路的上端伸出顶盖且与主泵连通。
所述热源包括多层电加热模拟组件，电加热模拟组件的内置加热元件为长轴细节径的铠装高绝缘氧化物粉末和金属发热体的可控电加热热源。
所述主热量交换单元与外围主冷却单元的热量交换介质为空气、水、有机物质以及固态颗粒流体中的一种或者多种；
所述主容器伴热单元为电加热装置或者高温气体加热装置，主容器伴热单元设置在主容器的外壁。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)装置采用池式主容器结构，尽可能真实的模拟池式反应堆运行工况，解决了无法进行池式反应堆真实工况下关键设备无法集成测试的难题，可开展反应堆全周期循环工况下关键设备的集成测试研究；
(2)装置整体采用池式结构设计，可实现液态金属能动和非能动双模式循环，各部件可独立拆卸以及整体拆装维护，可用于池式液态金属冷却反应堆堆内冷却剂整体循环流动、热量传输以及正常和事故工况下的安全特性研究。
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为本发明的液态金属冷却反应堆集成测试装置示意图。
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。
参照图1，对本发明的结构特征详述如下：
一种液态金属冷却反应堆集成测试装置，包括：
主容器1，用于存放液态金属；
热源3，设置在所述主容器1内，用于加热主容器1内的液态金属；
主热量交换单元4，设置在所述主容器1内，与所述主容器1内的液态金属进行热量交换，并且与外围主冷却单元5连接并且进行热量交换；
驱动单元2，用于驱动所述主容器1内的液态金属循环；
主容器伴热单元10，设置在所述主容器1外，用于加热所述主容器1；
主容器伴热保温单元11，设置在所述主容器1外，用于实施对所述主容器1的保温；以及
辅助热量交换单元6，设置在所述主容器1内，与所述主容器1内的液态金属进行热量交换，并且与外围辅助冷却单元7连接并进行热量交换。
所述主容器1为双层筒状结构，位于主容器1的筒口处设置有顶盖9，所述顶盖9与主容器1密封连接，所述辅助热量交换单元6、驱动单元2以及主热量交换单元4均穿过顶盖9且伸入主容器1内。
所述主容器1的下方设置有空气冷却单元8，所述空气冷却单元8的冷空气出口指向主容器1筒体。
所述液态金属为钠、钠合金、铅、铅合金以及熔盐介质中的一种或者多种；
所述驱动单元2包括下端伸入主容器1内的循环管路，循环管路的上端伸出顶盖9且与主泵连通。
所述热源3包括多层电加热模拟组件，电加热模拟组件的内置加热元件为长轴细节径的铠装高绝缘氧化物粉末和金属发热体的可控电加热热源。
所述主热量交换单元4与外围主冷却单元5的热量交换介质为空气、水、有机物质以及固态颗粒流体中的一种或者多种；
所述主容器伴热单元10为电加热装置或者高温气体加热装置，主容器伴热单元10设置在主容器1的外壁。
如图1所示，上述实施例中，主容器1为不锈钢圆柱形筒状结构，正常工况下，液态金属在装置内部通过驱动单元2的主泵为液态金属提供强迫循环动力，经热源3中的模拟堆芯加热，再经主热量交换单元与外围主冷却单元5进行一、二次侧回路介质的热量交换，完成一次循环；
或者在停泵等事故工况下，由液态金属经堆池内部外围主冷却单元5以及辅助热量交换单元6，进行换热，逐步形成自然循环；装置外部包含有主容器伴热单元10与主容器伴热保温单元11等，为液态金属提供热量补偿等。
所述驱动单元2的主泵为长轴立下液下轴封机械泵，可实现密度高于水10倍的液态金属流体的循环驱动；所述热源3中的模拟堆芯采用多层电加热模拟组件组装，其模拟组件内置加热元件为长轴细节径的铠装高绝缘氧化物粉末和金属发热体的可控电加热热源，可实现高温液态金属兆瓦级高功率密度热源。所述主热量交换单元为多管束“三明治”结构形式，内外层采用耐热不锈钢材料，中间夹层采用高热导率的金属粉末，可以避免因换热器管侧和壳侧两端换热介质高温差下高热应力下的破裂；
所述外围主冷却单元5以及外围辅助冷却单元7采用全封闭式耐高温和耐高压不锈钢主体材料，冷却循环介质可为高压单相水、水-蒸汽两相流体、超高温惰性气体等介质。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种液态金属冷却反应堆集成测试装置，其特征在于：包括：
主容器(1)，用于存放液态金属；
热源(3)，设置在所述主容器(1)内，用于加热主容器(1)内的液态金属；
主热量交换单元(4)，设置在所述主容器(1)内，与所述主容器(1)内的液态金属进行热量交换，并且与外围主冷却单元(5)连接并且进行热量交换；
驱动单元(2)，用于驱动所述主容器(1)内的液态金属循环；
主容器伴热单元(10)，设置在所述主容器(1)外，用于加热所述主容器(1)；
主容器伴热保温单元(11)，设置在所述主容器(1)外，用于实施对所述主容器(1)的保温；以及辅助热量交换单元(6)，设置在所述主容器(1)内，与所述主容器(1)内的液态金属进行热量交换，并且与外围辅助冷却单元(7)连接并进行热量交换；
所述主容器(1)为双层筒状结构，位于主容器(1)的筒口处设置有顶盖(9)，所述顶盖(9)与主容器(1)密封连接，所述辅助热量交换单元(6)、驱动单元(2)以及主热量交换单元(4)均穿过顶盖(9)且伸入主容器(1)内；
所述主容器(1)的下方设置有空气冷却单元(8)，所述空气冷却单元(8)的冷空气出口指向主容器(1)筒体。
2.根据权利要求1所述的液态金属冷却反应堆集成测试装置，其特征在于：所述液态金属为钠、钠合金、铅、铅合金以及熔盐介质中的一种或者多种；
3.根据权利要求1所述的液态金属冷却反应堆集成测试装置，其特征在于：所述驱动单元(2)包括下端伸入主容器(1)内的循环管路，循环管路的上端伸出顶盖(9)且与主泵连通。
4.根据权利要求1所述的液态金属冷却反应堆集成测试装置，其特征在于：所述热源(3)包括多层电加热模拟组件，电加热模拟组件的内置加热元件为长轴细节径的铠装高绝缘氧化物粉末和金属发热体的可控电加热热源。
5.根据权利要求1所述的液态金属冷却反应堆集成测试装置，其特征在于：所述主热量交换单元(4)与外围主冷却单元(5)的热量交换介质为空气、水、有机物质以及固态颗粒流体中的一种或者多种；
6.根据权利要求1所述的液态金属冷却反应堆集成测试装置，其特征在于：所述主容器伴热单元(10)为电加热装置或者高温气体加热装置，主容器伴热单元(10)设置在主容器(1)的外壁。
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