CN106935284A - 一种聚变反应堆冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于聚变反应堆技术领域，具体涉及一种聚变反应堆冷却系统。本发明一种聚变反应堆的冷却系统，包括主回路、冷却水系统、过冷水系统、补气和压力控制系统、抽真空系统、过压保护系统以及冷却剂净化系统；该系统能够根据聚变发生装置的运行调整系统的运行状态，保证包层以及装置的安全；能够为包层提供稳定的冷却剂，以便包层能够在聚变发生装置中的高辐射、高热流密度等恶劣环境下进行相关的热工水力学实验、电磁实验、氚提取实验、中子辐照实验等。

Description

一种聚变反应堆冷却系统
技术领域
本发明属于聚变反应堆技术领域，具体涉及一种聚变反应堆冷却系统。
背景技术
聚变反应堆是提供人类社会未来能源的主体反应堆，其主要由等离子体产生装置、包裹等离子体的数百个包层、冷却系统和提氚系统等组成。包层是面向等离子体的主要部件，来自于等离子体的高热流密度和中子通量负载将在包层内加以利用，并在包层内产生大量核热沉积。冷却系统即是通过冷却剂将包层内核热沉积带出并加以利用的系统设施。
为加快聚变能的研发步伐，中国加入了国际热核实验反应堆(ITER)。ITER的一个重要功能就是通过实验验证包层的相关技术，为研发聚变反应堆包括中国聚变工程实验堆(CFETR)，示范堆(DEMO)等提供关键技术支撑。根据ITER协议，中国将在2号窗口进行测试包层模块(TBM)的热工、机械、中子学、电磁等相关实验。为保证TBM能够在ITER的实验环境下安全、稳定、有效的运行，针对TBM相关参数，并结合ITER的各实验工况，需要设计和建造冷却系统。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要提供一种聚变反应堆冷却系统，该系统能够根据聚变发生装置的运行调整系统的运行状态，保证包层以及装置的安全；能够为包层提供稳定的冷却剂，以便包层能够在聚变发生装置中的高辐射、高热流密度等恶劣环境下进行相关的热工水力学实验、电磁实验、氚提取实验、中子辐照实验等。
为了解决上述技术问题，本发明一种聚变反应堆冷却系统，包括主回路；所述主回路包括了风机PB-5002、加热器HT-5001、TBM模块、冷却器HX-5002以及连接上述设备的管路；风机PB-5002出口连接加热器HT-5001，加热器HT-5001与TBM模块相连，TBM模块与冷却器HX-5002连接，冷却器HX-5002再与风机PB-5002的入口相连；
主回路中冷却剂通过风机PB-5002增压后，流入加热器HT-5001加热，将冷却剂温度升高到满足TBM模块对冷却剂入口冷却剂温度的要求，冷却剂流入TBM模块，带出TBM模块的产热，然后流入冷却器HX-5002中降温，将冷却剂温度降低到满足风机PB-5002对冷却剂入口温度的要求，冷却剂再流入风机PB-5002，如此循环，冷却TBM模块。
进一步所述主回路还包括混合器TA-5001、冷却器HX-5002、过滤器Fl-5001；流量调节阀VC-5027、流量调节阀VC-5028；开关阀VG-5006、开关阀VG-5007；止回阀VK-5017以及连接上述设备的管路；
风机PB-5002出口依次连接开关阀VG-5007和止回阀VK-5017，止回阀VK-5017与回热器HX-5001第一进气口相连，回热器HX-5001第一出气口、加热器HT-5001依次串联后与TBM模块相连；TBM模块随后分为TBM模块主路和TBM模块旁路，TBM模块主路中，TBM模块依次通过流量调节阀VC-5028，与混合器TA-5001第一进气口连接；TBM模块旁路中，TBM模块依次通过流量调节阀VC-5027，与混合器TA-5001第二进气口连接；混合器TA-5001出气口与回热器HX-5001的第二进气口相连，回热器HX-5001的第二出气口与冷却器HX-5002第一进口连接，冷却器HX-5002第一出口依次经过过滤器FI-5001和开关阀VG-5006后与风机PB-5002的入口相连。
进一步所述主回路还包括备用风机PB-5001、开关阀VG-5004和止回阀VK-5018；备用风机PB-5001出口依次连接开关阀VG-5004和止回阀VK-5018，止回阀VK-5018与回热器HX-5001第一进气口相连，备用风机PB-5001入口经过开关阀VG-5015与过滤器FI-5001相连。
进一步所述主回路还包括主回路旁路；主回路旁路包括流量调节阀VC-5003和开关阀VG-5050；流量调节阀VC-5003和开关阀VG-5050串联后，流量调节阀VC-5003与回热器HX-5001第一进气口相连，开关阀VG-5050与回热器HX-5001第二出口和冷却器HX-5002第一进口之间的管路相连。
进一步所述主回路还包括回热器旁路；回热器旁路包括流量调节阀VC-5016和开关阀VG-5025；流量调节阀VC-5016和开关阀VG-5025串联后，流量调节阀VC-5016与加热器HT-5001相连，开关阀VG-5025与回热器HX-5001第一进气口相连。
进一步所述主回路还包括TBM模块旁路；TBM模块旁路包括开关阀VG-5030、开关阀VG-5001和开关阀VG-5016；TBM模块旁路运行时，开关阀VG-5030打开，开关阀VG-5001和开关阀VG-5016关闭，将主回路TBM模块与主回路其他设备隔开。
进一步所述主回路还包括隔离阀VG-5901、隔离阀VG-5902、隔离阀VG-5903、隔离阀VG-5904、隔离阀VG-5905和隔离阀VG-5906；隔离阀VG-5901和隔离阀VG-5902串联后设置在TMB模块与流量调节阀VC-5028之间的回路上；隔离阀VG-5903和隔离阀VG-5904串联后设置在TMB模块与流量调节阀VC-5027之间的回路上；隔离阀VG-5905和隔离阀VG-5906串联后设置在TMB模块与加热器HT-5001之间的回路上；当TBM模块出现事故时，隔离阀VG-5901、隔离阀VG-5902、隔离阀VG-5903、隔离阀VG-5904、隔离阀VG-5905和隔离阀VG-5906关闭，紧急切断TBM模块与主回路。
进一步该系统还包括补气与压力控制系统；所述补气与压力控制系统包括冷却剂源、压缩机PC-5001、高压罐TA-5003、低压罐TA-5004；
压缩机PC-5001为隔膜压缩机，用于给主回路补充冷却剂、高压罐TA-5003增压以及将低压罐TA-5004中的冷却剂抽到高压罐TA-5003中；高压罐TA-5003和低压罐TA-5004在主回路停止运行时，用作储存罐，储存回收主回路中的冷却剂；在主回路正常运行过程中，高压罐TA-5003的压力高于主回路设计运行压力，低压罐TA-5004的压力低于主回路设计运行压力；当主回路压力高于主回路设计运行压力时，主回路冷却剂流入低压罐TA-5004，当主回路压力低于主回路设计运行压力时，高压罐TA-5003冷却剂流入主回路，保持主回路压力稳定；当主回路充气升压时，高压罐TA-5003和低压罐TA-5004作为压缩机PC-5001的下游，作为缓冲罐来保持主回路压力平稳上升。
进一步所述补气与压力控制系统还包括开关阀VG-5013、开关阀VG-5012、开关阀VG-5014、开关阀VG-5041、开关阀VG-5042、开关阀VG-5043、开关阀VG-5044；流量调节阀VC-5008、流量调节阀VC-5009、流量调节阀VG-5040；止回阀VK-5015；
冷却剂源与开关阀VG-5013相连后分成两路：第一路依次与开关阀VG-5042、压缩机PC-5001、开关阀VG-5041、止回阀VK-5015、开关阀VG-5014后与高压罐TA-5003的进气口相连；第二路依次与开关阀VG-5012和流量调节阀VC-5040相连后，与低压罐TA-5004的进气口相连；低压罐TA-5004出口与开关阀VG-5043和流量调节阀VC-5009相连，之后与截止阀VK-5017和回热器HX-5001之间的管路连接；高压罐TA-5003出气口依次与开关阀VG-5044和流量调节阀VC-5008相连，之后与开关阀VG-5006和过滤器FI-5001之间的管路相连。
进一步所述补气与压力控制系统还包括开关阀VG-5017，开关阀VG-5017一端与流量调节阀VC-5009和回热器HX-5001之间的管路相连，另一端与开关阀VG-5012和开关阀VG-5042之间的管路相连。
进一步所述补气与压力控制系统还包括开关阀VG-5015，开关阀VG-5015一端与开关阀VG-5012和流量调节阀VC-5040之间的管路相连，另一端与开关阀VG-5014和止回阀VK-5015之间的管道相连。
进一步所述补气和压力控制系统为主回路补充冷却剂时：
首先，关闭开关阀VG-5017、开关阀VG-5012、开关阀VG-5043、开关阀VG-5044、流量调节阀VC-5009、流量调节阀VC-5008；并开启开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5013、开关阀VG-5014、开关阀VG-5015、流量调节阀VC-5040；
然后，开启压缩机PC-5001，从冷却剂源补充冷却剂，将高压罐TA-5003和低压罐TA-5004加压到不低于主回路设计运行压力；
之后，开启开关阀VG-5043和开关阀VG-5044，并小幅开启流量调节阀VC-5008和流量调节阀VC-5009，缓慢向主回路充气，随着主回路压力的增加，可逐步增加流量调节阀VC-5008和流量调节阀VC-5009的开度，使主回路压力稳步升高；主回路升压过程中，维持高压罐TA-5003和低压罐TA-5004中压力不低于主回路目标压力；
随后，当主回路压力达到目标压力时，关闭压缩机PC-5001，并关闭流量调节阀VC-5009、流量调节阀VC-5008，开关阀VG-5042，开关阀VG-5041，开关阀VG-5013，开关阀VG-5014，开关阀VG-5015和流量调节阀VC-5040，完成主回路的充气。
进一步所述补气和压力控制系统对高压罐TA-5003和低压罐TA-5004的压力进行调整时：
首先，关闭开关阀VG-5043、开关阀VG-5044、开关阀VG-5017、开关阀VG-5015和开关阀VG-5013，开启开关阀VG-5012、开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5014以及流量调节阀VC-5040；
然后，打开压缩机PC-5001，将低压罐TA-5004中的冷却剂抽到高压罐TA-5003中，当低压罐TA-5004降低到低压罐TA-5004的目标压力后，关闭开关阀VG-5012，打开开关阀VG-5013，将高压罐TA-5004加压到高压罐TA-5004的目标压力；
之后，关闭开关阀VG-5013、开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5014以及流量调节阀VC-5040，并关闭压缩机PC-5001，完成高压罐TA-5003和低压罐TA-5004的压力调整。
进一步所述补气和压力控制系统对主回路压力进行调节时：
当主回路压力高于主回路设计波动压力上限时，打开低压罐TA-5004旁的开关阀VG-5043，然后缓慢打开流量调节阀VC-5009，将主回路压力调整到设计运行压力，之后关闭开关阀VG-5043和流量调节阀VC-5009；
当主回路压力低于主回路设计波动压力下限时，打开高压罐TA-5003旁边的开关阀VG-5044，并缓慢打开流量调节阀VC-5008，将主回路压力调整到设计运行压力，之后关闭开关阀VG-5044和流量调节阀VC-5008。
进一步所述补气和压力控制系统对主回路中冷却剂进行储存时：
首先，关闭开关阀VG-5043、开关阀VG-5044、开关阀VG-5012、开关阀VG-5013以及流量调节阀VC-5008和流量调节阀VC-5009，打开开关阀VG-5017、开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5014、开关阀VG-5015以及流量调节阀VC-5040；
然后，启动压缩机PC-5001，将主回路中的冷却剂抽到高压罐TA-5003和低压罐TA-5004中；
之后，关闭压缩机PC-5001、开关阀VG-5017、开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5014、开关阀VG-5015以及流量调节阀VC-5040，完成主回路冷却剂的储存。
进一步该系统还包括抽真空系统；所述抽真空系统包括真空泵PV-5001、开关阀VG-5019、止回阀VK-5020；
所述真空分子泵PV-5001一端与开关阀VG-5019相连，之后连接到开关阀VG-5006和过滤器FI-5001之间的管道，另一端与止回阀VK-5020相连后，连接到除氚通风系统的入口段。
进一步该系统还包括过压保护系统；所述过压保护系统包括泄压阀VR-5021、泄压阀VR-5022和泄压阀VR-5023；
所述泄压阀VR-5021进气口与流量调节阀VC-5003和开关阀VG-5050之间的管路相连，连通主回路；泄压阀VR-5022与低压罐TA-5003的泄压出口相连，泄压阀VR-5023与高压罐TA-5004的泄压出口相连，之后泄压阀VR-5021、泄压阀VR-5022和泄压阀VR-5023的出口汇合后与除氚通风系统进口相连。
进一步该系统还包括冷却水系统；冷却水系统与冷却器HX-5002的第二进口和第二出口相连。
进一步该系统还包括过冷水系统；过冷水系统分别与备用风机PB-5001和风机PB-5002的过冷水进口连接，之后从备用风机PB-5001和风机PB-5002的过冷水出口流出，汇合后流回过冷水系统。
进一步该系统还包括冷却剂净化系统；冷却剂净化系统一端与止回阀VK-5017和回热器HX-5001之间的管路相连，另一端与开关阀VG-5006和过滤器PI-5001之间的管路相连。
进一步所述冷却剂为惰性气体。
进一步所述冷却剂为氦气。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明一种聚变反应堆冷却系统能够根据聚变发生装置的运行情况自动调整冷却系统的运行状态，能够为包层提供稳定恰当的冷却剂，以便包层能够在聚变发生装置的高辐射、高热流密度等恶劣环境下进行相关的热工水力学实验、电磁实验、氚提取实验、中子辐照实验等。
本发明一种聚变反应堆冷却系统能保证运行过程中主要设备及人员的安全；同时，所述冷却系统简单、操作方便，提供的冷却剂稳定且数值精确，能有效提高实验的精确性。
附图说明
图1为本发明一种聚变反应堆冷却系统示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明一种聚变反应堆的冷却系统，包括主回路、冷却水系统、过冷水系统、补气和压力控制系统、抽真空系统、过压保护系统以及冷却剂净化系统；
主回路系统主要为测试包层模块(TBM模块)提供冷却剂，并带出其内产生的热量；
冷却水系统主要用于冷却主回路中冷却剂，带出主回路内冷却剂热量；
过冷水系统主要用于冷却风机PB-5002和备用风机PB-5001；
补气和压力控制系统主要为主回路补充冷却剂以及稳定主回路压力；
抽真空系统主要用于排除主回路内的空气、水蒸汽等杂质气体，提高冷却剂纯度；
过压保护系统主要用于主回路和高压罐TA-5004，低压罐TA-5003超压时，进行压力释放，保证系统安全；
冷却剂净化系统主要用于净化冷却剂；
冷却剂优选惰性气体，优选氦气。
主回路包括了风机PB-5002、备用风机PB-5001、回热器HX-5001、加热器HT-5001、TBM实验模块、混合器TA-5001、冷却器HX-5002、过滤器Fl-5001；
隔离阀VG-5901、隔离阀VG-5902、隔离阀VG-5903、隔离阀VG-5904、隔离阀VG-5905、隔离阀VG-5906；
流量调节阀VC-5016、流量调节阀VC-5027、流量调节阀VC-5028；
开关阀VG-5001、开关阀VG-5004、开关阀VG-5006、开关阀VG-5007、开关阀VG-5015、开关阀VG-5026、开关阀VG-5025、开关阀VG-5030；
止回阀VK-5017、止回阀VK-5018；
以及连接上述设备的管路；
风机PB-5002是主回路的动力源，为主回路提供动力压头，保证TBM模块各种工况所需的冷却剂流量；
回热器HX-5001位于风机PB-5002和加热器HT-5001之间，风机PB-5002流出的低温冷却剂和TBM模块流出的高温冷却剂在回热器HX-5001中进行强制对流换热，一方面升高了低温冷却剂的温度，降低了加热器HT-5001功率的需求，提高了热量的利用率，另一方面降低了高温冷却剂的温度，降低了冷却器HX-5002冷却高温冷却剂的需求；
加热器HT-5001用于加热冷却剂，以满足TBM模块相应工况对入口冷却剂温度的要求；
TBM模块用于放在ITER实验装作上进行的实验包层模块，其内将产生大量核热；
混合器TA-5001用于将TBM模块主出口的高温冷却剂和旁路出口的温度相对较低的冷却剂进行混合的装置，其需要防止高温冷却剂和低温冷却剂因温度差异过大而造成的热应力过大、热疲劳等问题，保证混合器的机械性能，同时应当保证冷却剂在混合器中能够得到充分混合；
冷却器HX-5002是主回路中的热量导出设备，其主要目的是把回热器HX-5001中流出的高温冷却剂进一步冷却，使其达到风机PB-5002入口温度的需求；
过滤器Fl-5001用于过滤主回路中的悬浮杂质，保证冷却剂的洁净度，过滤器Fl-5001需要每隔一段工作时间之后，更换其滤网；
风机PB-5002与压力控制系统连接，压力控制系统为主回路提供冷却剂源，并控制和稳定主回路中的压力；
所述主回路，风机PB-5002出口依次连接了开关阀VG-5007和止回阀VK-5017，止回阀VK-5017与回热器HX-5001第一进气口相连，回热器HX-5001第一出气口、加热器HT-5001、开关阀VG-5026、隔离阀VG-5905和VG-5906依次串联后与TBM模块相连；TBM模块随后分为TBM模块主路和TBM模块旁路，TBM模块主路中，TBM模块依次通过隔离阀VG-5901、隔离阀VG-5902和流量调节阀VC-5028，与混合器TA-5001第一进气口连接；TBM模块旁路中，TBM模块依次通过隔离阀VG-5903、隔离阀VG-5904和流量调节阀VC-5027，与混合器TA-5001第二进气口连接；混合器TA-5001出气口经过开关阀VG-5001之后与回热器HX-5001的第二进气口相连，回热器HX-5001的第二出气口与冷却器HX-5002第一进口连接，冷却器HX-5002第一出口依次经过过滤器FI-5001和开关阀VG-5006后与风机PB-5002的入口相连。
为了防止主回路中风机PB-5002因故障，不能为主回路冷却剂提供动力，主回路还设置了备用风机PB-5001，在风机PB-5002出现故障时，备用风机PB-5001代替风机PB-5002作为主回路的动力源；备用风机PB-5001出口依次连接了开关阀VG-5004和止回阀VK-5018，止回阀VK-5018与回热器HX-5001第一进气口相连，备用风机PB-5001入口经过开关阀VG-5015与过滤器FI-5001相连。
主回路中还包含了3个旁通支路，分别是主回路旁路、回热器旁路、TBM模块旁路；
主回路旁路是指流量调节阀VC-5003和开关阀VG-5050连通的管路，主要用于调节主回路中的流量，按照TBM模块所需流量对主回路流量进行精确调控；
回热器旁路支路是指流量调节阀VC-5016和开关阀VG-5025连通的管路，主要用于调节经过回热器HX-5001的冷却剂的流量，结合加热器HT-5001实现TBM模块入口温度的精确调节；
TBM模块旁路指开关阀VG-5030连通的管路，开关阀VG-5030打开，开关阀VG-5001和开关阀VG-5016关闭，将主回路TBM模块与其他设备隔开；主要用于主回路关键设备(例如风机PB-5002)的启动，以及主回路系统的预测试等。
主回路运行时：风机PB-5002为主回路冷却剂提供动力源，使其流量大致达到TBM模块所需流量，再通过主回路旁路进行进一步流量精准调节，主回路旁路中的冷却剂进入冷却器HX-5002，而调节后的冷却剂流量将是TBM模块所需的准确流量；该流量进入回热器HX-5001及回热器旁路，通过调节进入回热器HX-5001以及回热器旁路中的流量，使得冷却剂进入加热器时达到指定的温度；通过加热器HT-5001加热或者调节冷却剂温度，使其满足TBM模块进口温度的要求；达到TBM模块要求的冷却剂流入TBM模块，对TBM模块进行冷却，带走TBM模块产生的热量，然后经过混合器TA-5001，流入回热器HX-5001进行换热，与主回路旁路中的冷却剂混合后流入冷却器HX-5002，冷却降温后再次流入风机PB-5002，实现冷却剂的循环使用。
补气与压力控制系统包括冷却剂源、压缩机PC-5001、高压罐TA-5003、低压罐TA-5004；
开关阀VG-5013、开关阀VG-5012、开关阀VG-5014、开关阀VG-5015、开关阀VG-5041、开关阀VG-5042、开关阀VG-5043、开关阀VG-5044；
流量调节阀VC-5008、流量调节阀VC-5009、流量调节阀VG-5040；
止回阀VK-5015；
压缩机PC-5001为隔膜压缩机，用于给主回路补充冷却剂、高压罐TA-5003增压以及将低压罐TA-5004中的冷却剂抽到高压罐TA-5003中；高压罐TA-5003和低压罐TA-5004在主回路停止运行时，用作储存罐，储存回收主回路中的冷却剂；在主回路运行过程中，高压罐TA-5003压力高于主回路运行压力，低压罐TA-5004压力低于主回路运行压力；当主回路压力高于主回路运行压力时，主回路冷却剂流入低压罐TA-5004，当主回路压力低于主回路运行压力时，高压罐TA-5003冷却剂流入主回路，以此来保持主回路压力稳定；此外，当主回路充气升压时，高压罐TA-5003和低压罐TA-5004作为压缩机的下游，作为缓冲罐来保持主回路压力平稳上升。
所述补气与压力控制系统，冷却剂源与开关阀VG-5013相连后分成两路：第一路依次经过开关阀VG-5042、压缩机PC-5001、开关阀VG-5041、止回阀VK-5015、开关阀VG-5014后与高压罐TA-5003的进气口相连；第二路依次经过开关阀VG-5012和流量调节阀VC-5040后与低压罐TA-5004的进气口相连；低压罐TA-5004出口与开关阀VG-5043和流量调节阀VC-5009相连，之后与截止阀VK-5017和回热器HX-5001之间的管路连接；高压罐TA-5003出气口依次与开关阀VG-5044和流量调节阀VC-5008相连，之后与开关阀VG-5006和过滤器FI-5001之间的管路相连；
补气与压力控制系统还包括开关阀VG-5017，开关阀VG-5017一端与流量调节阀VC-5009和回热器HX-5001之间的管路相连，另一端与开关阀VG-5012和开关阀VG-5042之间的管路相连；
补气与压力控制系统还包括开关阀VG-5015，开关阀VG-5015一端与开关阀VG-5012和流量调节阀VC-5040之间的管路相连，另一端与开关阀VG-5014和止回阀VK-5015之间的管道相连。
压缩机PC-5001启动时，首先保证压缩机PC-5001两侧的开关阀VG-5041和开关阀VG-5042处于关闭状态，压缩机PC-5001启动之后，按照需要，再打开开关阀VG-5041和开关阀VG-5042。
补气和压力控制系统根据其不同功能需要可以分为多个运行状态：
1、为主回路补充冷却剂
主回路补充冷却剂过程主要由以下几个步骤：
首先，关闭开关阀VG-5017、开关阀VG-5012、开关阀VG-5043、开关阀VG-5044、流量调节阀VC-5009、流量调节阀VC-5008；并开启开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5013、开关阀VG-5014、开关阀VG-5015、流量调节阀VC-5040；
然后，开启压缩机PC-5001，从冷却剂源补充冷却剂，将高压罐TA-5003和低压罐TA-5004内压力加到不低于主回路目标压力；
之后，开启开关阀VG-5043和开关阀VG-5044，并小幅开启流量调节阀VC-5008和流量调节阀VC-5009，缓慢向主回路充气，随着主回路压力的增加，可逐步增加流量调节阀VC-5008和流量调节阀VC-5009的开度，使主回路压力稳步升高；主回路升压过程中，维持高压罐TA-5003和低压罐TA-5004中压力不低于主回路目标压力；
随后，当主回路压力达到目标压力时，关闭压缩机PC-5001，并关闭流量调节阀VC-5009、流量调节阀VC-5008，开关阀VG-5042，开关阀VG-5041，开关阀VG-5013，开关阀VG-5014，开关阀VG-5015和流量调节阀VC-5040，完成主回路的充气。
2、高压罐TA-5003和低压罐TA-5004的压力调整
当主回路充气完成后、以及补气与压力控制系统运行一段时间之后，高压罐TA-5003和低压罐TA-5004中的压力需要进行调整；压力调整过程如下：
首先，关闭开关阀VG-5043、开关阀VG-5044、开关阀VG-5017、开关阀VG-5015和开关阀VG-5013，开启开关阀VG-5012、开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5014以及流量调节阀VC-5040；
然后，打开压缩机PC-5001，将低压罐TA-5004中的冷却剂抽到高压罐TA-5003中，当低压罐TA-5004降低到低压罐TA-5004的目标压力后，关闭开关阀VG-5012，打开开关阀VG-5013，将高压罐TA-5004加压到高压罐TA-5004的目标压力；
之后，关闭开关阀VG-5013、开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5014以及流量调节阀VC-5040，并关闭压缩机PC-5001，完成高压罐TA-5003和低压罐TA-5004的压力调整。
3、主回路压力控制
当主回路压力出现变动时，需要对主回路压力进行调整，使主回路压力维持在目标压力；
当主回路压力高于主回路设计波动压力上限时，打开低压罐TA-5004旁的开关阀VG-5043，然后缓慢打开流量调节阀VC-5009，将主回路压力调整到目标压力，之后关闭开关阀VG-5043和流量调节阀VC-5009；
当主回路压力低于主回路设计波动压力下限时，打开高压罐TA-5003旁边的开关阀VG-5044，并缓慢打开流量调节阀VC-5008，将主回路压力调整到目标压力，之后关闭开关阀VG-5044和流量调节阀VC-5008。
4、主回路冷却剂储存
当TBM模块完成实验时，需要对主回路中的冷却剂进行储存和回收，补气与压力控制系统运行过程如下：
首先，关闭开关阀VG-5043、开关阀VG-5044、开关阀VG-5012、开关阀VG-5013以及流量调节阀VC-5008和流量调节阀VC-5009，打开开关阀VG-5017、开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5014、开关阀VG-5015以及流量调节阀VC-5040；
然后，启动压缩机PC-5001，将主回路中的冷却剂抽到高压罐TA-5003和低压罐TA-5004中；
之后，关闭压缩机PC-5001、开关阀VG-5017、开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5014、开关阀VG-5015以及流量调节阀VC-5040，完成主回路冷却剂的储存。
抽真空系统包括真空泵PV-5001、开关阀VG-5019、止回阀VK-5020；
开关阀VG-5019用于隔断抽真空系统与主回路，止回阀VK-5020用于防止空气倒流；
抽真空系统用于抽出主回路中的气体、包括空气，水汽等其他成分，保证主回路中注入冷却剂后，冷却剂的纯度大于99％；
所述抽真空系统真空分子泵PV-5001一端与开关阀VG-5019相连，之后连接到开关阀VG-5006和过滤器FI-5001之间的管道，另一端与止回阀VK-5020相连后，连接到除氚通风系统的入口段；
抽真空前，主回路压力为大气压力，关闭主回路与其他系统相连的阀门，切断主回路和其他系统的连接，并打开主回路中所有的开关阀和流量调节阀；
之后，打开开关阀VG-5019，然后打开真空泵PV-5001，将主回路中的杂质气体抽到除氚通风系统中，当主回路中杂质气体浓度降低到满足要求时，关闭开关阀VG-5019，完成主回路的抽真空。
过压保护系统包括泄压阀VR-5021、泄压阀VR-5022和泄压阀VR-5023；
过压保护系统主要用于卸掉主回路、高压罐TA-5004和低压罐TA-5003的压力，起到保护整个聚变反应堆冷却系统不因压力过高而造成设备和人员损伤的作用；
所述过压保护系统，泄压阀VR-5021进气口与流量调节阀VC-5003和开关阀VG-5050之间的管路相连，连通主回路；泄压阀VR-5022与低压罐TA-5003的泄压出口相连，泄压阀VR-5023与高压罐TA-5004的泄压出口相连，之后泄压阀VR-5021、泄压阀VR-5022和泄压阀VR-5023的出口汇合后与除氚通风系统进口相连；
当主回路压力超过主回路设计压力、高压罐TA-5004或低压罐TA-5003的压力超过设计压力时，与其相应的泄压阀打开，主回路、高压罐TA-5004和低压罐TA-5003中的冷却剂排到除氚通风系统中，起到卸除主回路、高压罐TA-5004和低压罐TA-5003的压力进而保护整个聚变反应堆冷却系统安全的目的。
冷却水系统与冷却器HX-5002的第二进口和第二出口相连，起到冷却主回路中冷却剂，将主回路中的热量导出的作用。
过冷水系统分别与备用风机PB-5001和风机PB-5002的过冷水进口连接，之后从备用风机PB-5001和风机PB-5002的过冷水出口流出，汇合后流回过冷水系统；过冷水系统起到冷却备用风机PB-5001和风机PB-5002的作用。
冷却剂净化系统一端与止回阀VK-5017和回热器HX-5001之间的管路相连，另一端与开关阀VG-5006和过滤器PI-5001之间的管路相连，对回路中冷却剂进行净化。
此外，对于上述实施例中涉及到的部分阀门的作用在下表1中统一予以说明。
表1

Claims (22)

1.一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，该系统包括主回路；所述主回路包括了风机PB-5002、加热器HT-5001、TBM模块、冷却器HX-5002以及连接上述设备的管路；风机PB-5002出口连接加热器HT-5001，加热器HT-5001与TBM模块相连，TBM模块与冷却器HX-5002连接，冷却器HX-5002再与风机PB-5002的入口相连；
主回路中冷却剂通过风机PB-5002增压后，流入加热器HT-5001加热，将冷却剂温度升高到满足TBM模块对冷却剂入口冷却剂温度的要求，冷却剂流入TBM模块，带出TBM模块的产热，然后流入冷却器HX-5002中降温，将冷却剂温度降低到满足风机PB-5002对冷却剂入口温度的要求，冷却剂再流入风机PB-5002，如此循环，冷却TBM模块。
2.根据权利要求1所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述主回路还包括混合器TA-5001、冷却器HX-5002、过滤器Fl-5001；流量调节阀VC-5027、流量调节阀VC-5028；开关阀VG-5006、开关阀VG-5007；止回阀VK-5017以及连接上述设备的管路；
风机PB-5002出口依次连接开关阀VG-5007和止回阀VK-5017，止回阀VK-5017与回热器HX-5001第一进气口相连，回热器HX-5001第一出气口、加热器HT-5001依次串联后与TBM模块相连；TBM模块随后分为TBM模块主路和TBM模块旁路，TBM模块主路中，TBM模块依次通过流量调节阀VC-5028，与混合器TA-5001第一进气口连接；TBM模块旁路中，TBM模块依次通过流量调节阀VC-5027，与混合器TA-5001第二进气口连接；混合器TA-5001出气口与回热器HX-5001的第二进气口相连，回热器HX-5001的第二出气口与冷却器HX-5002第一进口连接，冷却器HX-5002第一出口依次经过过滤器FI-5001和开关阀VG-5006后与风机PB-5002的入口相连。
3.根据权利要求2所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述主回路还包括备用风机PB-5001、开关阀VG-5004和止回阀VK-5018；备用风机PB-5001出口依次连接开关阀VG-5004和止回阀VK-5018，止回阀VK-5018与回热器HX-5001第一进气口相连，备用风机PB-5001入口经过开关阀VG-5015与过滤器FI-5001相连。
4.根据权利要求2所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述主回路还包括主回路旁路；主回路旁路包括流量调节阀VC-5003和开关阀VG-5050；流量调节阀VC-5003和开关阀VG-5050串联后，流量调节阀VC-5003与回热器HX-5001第一进气口相连，开关阀VG-5050与回热器HX-5001第二出口和冷却器HX-5002第一进口之间的管路相连。
5.根据权利要求2所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述主回路还包括回热器旁路；回热器旁路包括流量调节阀VC-5016和开关阀VG-5025；流量调节阀VC-5016和开关阀VG-5025串联后，流量调节阀VC-5016与加热器HT-5001相连，开关阀VG-5025与回热器HX-5001第一进气口相连。
6.根据权利要求2所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述主回路还包括TBM模块旁路；TBM模块旁路包括开关阀VG-5030、开关阀VG-5001和开关阀VG-5016；TBM模块旁路运行时，开关阀VG-5030打开，开关阀VG-5001和开关阀VG-5016关闭，将主回路TBM模块与主回路其他设备隔开。
7.根据权利要求2所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述主回路还包括隔离阀VG-5901、隔离阀VG-5902、隔离阀VG-5903、隔离阀VG-5904、隔离阀VG-5905和隔离阀VG-5906；隔离阀VG-5901和隔离阀VG-5902串联后设置在TMB模块与流量调节阀VC-5028之间的回路上；隔离阀VG-5903和隔离阀VG-5904串联后设置在TMB模块与流量调节阀VC-5027之间的回路上；隔离阀VG-5905和隔离阀VG-5906串联后设置在TMB模块与加热器HT-5001之间的回路上；当TBM模块出现事故时，隔离阀VG-5901、隔离阀VG-5902、隔离阀VG-5903、隔离阀VG-5904、隔离阀VG-5905和隔离阀VG-5906关闭，紧急切断TBM模块与主回路。
8.根据权利要求1所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，该系统还包括补气与压力控制系统；所述补气与压力控制系统包括冷却剂源、压缩机PC-5001、高压罐TA-5003、低压罐TA-5004；
压缩机PC-5001为隔膜压缩机，用于给主回路补充冷却剂、高压罐TA-5003增压以及将低压罐TA-5004中的冷却剂抽到高压罐TA-5003中；高压罐TA-5003和低压罐TA-5004在主回路停止运行时，用作储存罐，储存回收主回路中的冷却剂；在主回路正常运行过程中，高压罐TA-5003的压力高于主回路设计运行压力，低压罐TA-5004的压力低于主回路设计运行压力；当主回路压力高于主回路设计运行压力时，主回路冷却剂流入低压罐TA-5004，当主回路压力低于主回路设计运行压力时，高压罐TA-5003冷却剂流入主回路，保持主回路压力稳定；当主回路充气升压时，高压罐TA-5003和低压罐TA-5004作为压缩机PC-5001的下游，作为缓冲罐来保持主回路压力平稳上升。
9.根据权利要求8所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述补气与压力控制系统还包括开关阀VG-5013、开关阀VG-5012、开关阀VG-5014、开关阀VG-5041、开关阀VG-5042、开关阀VG-5043、开关阀VG-5044；流量调节阀VC-5008、流量调节阀VC-5009、流量调节阀VG-5040；止回阀VK-5015；
冷却剂源与开关阀VG-5013相连后分成两路：第一路依次与开关阀VG-5042、压缩机PC-5001、开关阀VG-5041、止回阀VK-5015、开关阀VG-5014后与高压罐TA-5003的进气口相连；第二路依次与开关阀VG-5012和流量调节阀VC-5040相连后，与低压罐TA-5004的进气口相连；低压罐TA-5004出口与开关阀VG-5043和流量调节阀VC-5009相连，之后与截止阀VK-5017和回热器HX-5001之间的管路连接；高压罐TA-5003出气口依次与开关阀VG-5044和流量调节阀VC-5008相连，之后与开关阀VG-5006和过滤器FI-5001之间的管路相连。
10.根据权利要求9所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述补气与压力控制系统还包括开关阀VG-5017，开关阀VG-5017一端与流量调节阀VC-5009和回热器HX-5001之间的管路相连，另一端与开关阀VG-5012和开关阀VG-5042之间的管路相连。
11.根据权利要求9或10所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述补气与压力控制系统还包括开关阀VG-5015，开关阀VG-5015一端与开关阀VG-5012和流量调节阀VC-5040之间的管路相连，另一端与开关阀VG-5014和止回阀VK-5015之间的管道相连。
12.根据权利要求11所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述补气和压力控制系统为主回路补充冷却剂时：
首先，关闭开关阀VG-5017、开关阀VG-5012、开关阀VG-5043、开关阀VG-5044、流量调节阀VC-5009、流量调节阀VC-5008；并开启开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5013、开关阀VG-5014、开关阀VG-5015、流量调节阀VC-5040；
然后，开启压缩机PC-5001，从冷却剂源补充冷却剂，将高压罐TA-5003和低压罐TA-5004加压到不低于主回路设计运行压力；
之后，开启开关阀VG-5043和开关阀VG-5044，并小幅开启流量调节阀VC-5008和流量调节阀VC-5009，缓慢向主回路充气，随着主回路压力的增加，可逐步增加流量调节阀VC-5008和流量调节阀VC-5009的开度，使主回路压力稳步升高；主回路升压过程中，维持高压罐TA-5003和低压罐TA-5004中压力不低于主回路目标压力；
随后，当主回路压力达到目标压力时，关闭压缩机PC-5001，并关闭流量调节阀VC-5009、流量调节阀VC-5008，开关阀VG-5042，开关阀VG-5041，开关阀VG-5013，开关阀VG-5014，开关阀VG-5015和流量调节阀VC-5040，完成主回路的充气。
13.根据权利要求11所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述补气和压力控制系统对高压罐TA-5003和低压罐TA-5004的压力进行调整时：
首先，关闭开关阀VG-5043、开关阀VG-5044、开关阀VG-5017、开关阀VG-5015和开关阀VG-5013，开启开关阀VG-5012、开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5014以及流量调节阀VC-5040；
然后，打开压缩机PC-5001，将低压罐TA-5004中的冷却剂抽到高压罐TA-5003中，当低压罐TA-5004降低到低压罐TA-5004的目标压力后，关闭开关阀VG-5012，打开开关阀VG-5013，将高压罐TA-5004加压到高压罐TA-5004的目标压力；
之后，关闭开关阀VG-5013、开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5014以及流量调节阀VC-5040，并关闭压缩机PC-5001，完成高压罐TA-5003和低压罐TA-5004的压力调整。
14.根据权利要求11所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述补气和压力控制系统对主回路压力进行调节时：
当主回路压力高于主回路设计波动压力上限时，打开低压罐TA-5004旁的开关阀VG-5043，然后缓慢打开流量调节阀VC-5009，将主回路压力调整到设计运行压力，之后关闭开关阀VG-5043和流量调节阀VC-5009；
当主回路压力低于主回路设计波动压力下限时，打开高压罐TA-5003旁边的开关阀VG-5044，并缓慢打开流量调节阀VC-5008，将主回路压力调整到设计运行压力，之后关闭开关阀VG-5044和流量调节阀VC-5008。
15.根据权利要求11所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述补气和压力控制系统对主回路中冷却剂进行储存时：
首先，关闭开关阀VG-5043、开关阀VG-5044、开关阀VG-5012、开关阀VG-5013以及流量调节阀VC-5008和流量调节阀VC-5009，打开开关阀VG-5017、开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5014、开关阀VG-5015以及流量调节阀VC-5040；
然后，启动压缩机PC-5001，将主回路中的冷却剂抽到高压罐TA-5003和低压罐TA-5004中；
之后，关闭压缩机PC-5001、开关阀VG-5017、开关阀VG-5042、开关阀VG-5041、开关阀VG-5014、开关阀VG-5015以及流量调节阀VC-5040，完成主回路冷却剂的储存。
16.根据权利要求2所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，该系统还包括抽真空系统；所述抽真空系统包括真空泵PV-5001、开关阀VG-5019、止回阀VK-5020；
所述真空分子泵PV-5001一端与开关阀VG-5019相连，之后连接到开关阀VG-5006和过滤器FI-5001之间的管道，另一端与止回阀VK-5020相连后，连接到除氚通风系统的入口段。
17.根据权利要求8所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，该系统还包括过压保护系统；所述过压保护系统包括泄压阀VR-5021、泄压阀VR-5022和泄压阀VR-5023；
所述泄压阀VR-5021进气口与流量调节阀VC-5003和开关阀VG-5050之间的管路相连，连通主回路；泄压阀VR-5022与低压罐TA-5003的泄压出口相连，泄压阀VR-5023与高压罐TA-5004的泄压出口相连，之后泄压阀VR-5021、泄压阀VR-5022和泄压阀VR-5023的出口汇合后与除氚通风系统进口相连。
18.根据权利要求1所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，该系统还包括冷却水系统；冷却水系统与冷却器HX-5002的第二进口和第二出口相连。
19.根据权利要求3所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，该系统还包括过冷水系统；过冷水系统分别与备用风机PB-5001和风机PB-5002的过冷水进口连接，之后从备用风机PB-5001和风机PB-5002的过冷水出口流出，汇合后流回过冷水系统。
20.根据权利要求2所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，该系统还包括冷却剂净化系统；冷却剂净化系统一端与止回阀VK-5017和回热器HX-5001之间的管路相连，另一端与开关阀VG-5006和过滤器PI-5001之间的管路相连。
21.根据权利要求1所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述冷却剂为惰性气体。
22.根据权利要求21所述的一种聚变反应堆的冷却系统，其特征在于，所述冷却剂为氦气。
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