CN107993730B - 基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统及方法 - Google Patents

基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统及方法，该系统包括由氩气瓶、缓冲箱、氩气管道及管道上的阀门组成的氩气辅助系统，长期储存氟盐的储存罐，模拟熔盐堆堆芯相对位置的模拟堆芯罐，带有快速散热作用的热管的热管罐，与热管罐起对照作用的对照罐，连接各个氟盐罐的氟盐管道及阀门组成的氟盐管道系统；氟盐在储存罐中加热成液态后在氩气的压力差下经过氟盐管道流入模拟堆芯罐，而后在重力的作用下流入对照罐或者热管罐进行实验，最后沿着氟盐管道流回储存罐中；本发明还提供了该系统的试验方法；本发明系统能够承受高温工况，实验过程操作简单，系统回路安全可靠。

Description

基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统及方法
技术领域
本发明涉及熔盐堆非能动余热排出系统技术领域，具体涉及一种基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统及方法。
背景技术
随着新型反应堆熔盐堆的发展，相关的熔盐实验也在紧锣密鼓中进行，国际上普遍采用氟盐作为熔盐堆的冷却剂，因此相关的实验研究都是使用氟盐。目前国际上关于氟盐的实验甚少，氟盐的相关实验数据极其短缺，因此搭建大型实验台架显得尤为重要。氟盐实验的回路设计对实验的顺利开展起到至关重要的作用，一个良好的设计方案不仅能节约成本，更是实验安全进行的重要保障。
例如中国专利CN201135877提供了一种纳冷快堆一回路钠的充排系统，该系统包括贮钠罐出口与电磁泵入口连接，电磁泵出口与一回路连通；一回路与贮钠罐入口连接；贮钠罐、扬液器分别连接有氩气系统，贮钠罐入口与位于系统最低位置的扬液器的出口连通，扬液器入口与系统最低处的管道连通。此系统安全可靠，操作简单，但是只适用于熔点较低且腐蚀性较小的钠，对于有特殊腐蚀性且高熔点的氟盐则不再适用。
又如中国专利CN103280247A提供了一种氟盐冷却高温堆的非能动余热排除系统，主要包括空气冷却塔、熔盐池、支撑环、分流板及热交换器，该装置能够在事故工况下通过热交换器带走反应堆的余热，但是该系统并未涉及氟盐实验回路的整体设计及氟盐回路的实验方法，另外中国专利CN105788674A提供了一种基于高温热管的熔盐堆新型非能动余热排除系统，该系统同样只设计非能动余热排出系统理念，并未提及氟盐实验回路的设计方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统及方法，为测量氟盐的相关数据实验设计一套完整安全有效的实验方案。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统，包括由多个氩气瓶A1、连接缓冲箱A2与多个氩气瓶A1的氩气管道、连接缓冲箱A2与各个氟盐罐的氩气管道及布置在氩气管道上的所有氩气阀门和压力表组成的氩气辅助系统；所述氟盐罐包括储存罐A6、模拟堆芯罐A3、对照罐A4和热管罐A5；储存罐A6通过安装有第四氩气阀门204的氩气管道与氩气辅助系统相连接，模拟堆芯罐A3通过安装有第五氩气阀门205的氩气管道与氩气辅助系统相连接，对照罐A4通过安装有第六氩气阀门206的氩气管道与氩气辅助系统相连接，热管罐A5通过安装有第七氩气阀门207与氩气辅助系统相连接；还包括连接各个氟盐罐的氟盐管道及布置在氟盐管道上的所有冷冻阀门组成的氟盐管道系统；所述氟盐管道系统包括安装有第一冷冻阀门301、连接储存罐A6与模拟堆芯罐A3且插入至储存罐A6底部的竖直氟盐管道A11，连接模拟堆芯罐A3和对照罐A4、插入至对照罐A4底部且安装有第二冷冻阀门302和第三冷冻阀门303的第一倾斜氟盐管道A7，连接热管罐A5和第一倾斜氟盐管道A7、插入至热管罐A5底部且安装有第四冷冻阀门304的第二倾斜氟盐管道A8，连接对照罐A4和储存罐A6并插入至储存罐A6底部且安装有第六冷冻阀门306的第四倾斜氟盐管道A10，连接热管罐A5和第四倾斜氟盐管道A10且安装有第五冷冻阀门305的第三倾斜氟盐管道A9。
所述氩气辅助系统中，氩气瓶A1的数量为三个，三个氩气瓶能够提供平稳的氩气流，氩气经过安装有第一氩气阀门201、第二氩气阀门202、第三氩气阀门203的三个氩气管道后汇入安装有压力表a的氩气管道中，流经具有缓冲作用的缓冲箱A2后，经过安装有第四氩气阀门204的氩气管道进入储存罐A6中、经过安装有第五氩气阀门205的氩气管道进入模拟堆芯罐A3中、经过安装有第六氩气阀门206的氩气管道进入对照罐A4中、经过安装有第七氩气阀门207的氩气管道进入热管罐A5中，同样能够通过安装有第八氩气阀门208的氩气管道将氩气排出。
所述储存罐A6起长期储存氟盐的作用，处于最低位置，通常埋于地下防止泄露造成安全事故，在实验结束后或者实验回路出现故障时须将氟盐排入储存罐A6中，所述储存罐A6外壁面缠绕加热丝用于加热储存罐，外面再覆盖一层保温层防止散热太快，所述储存罐A6内部布置有加热棒及多点热电偶。
所述模拟堆芯罐A3的作用为最大程度的模拟熔盐堆的堆芯位置，将其置于所有氟盐罐的最高处，实验开始后需将氟盐暂时性的储存在模拟堆芯罐A3中，随后按照需要将氟盐排入储存罐A6、对照罐A4或热管罐A5中，所述模拟堆芯罐A3外壁面缠绕加热丝，再覆盖一层保温层，所述模拟堆芯罐A3内部分布有加热棒及多点热电偶。
所述热管罐A5为带有热管的氟盐罐，热管罐A5环形布置三层热管，用于氟盐的散热，热管罐A5外壁面周围布置有加热丝再覆盖一层保温层，热管罐A5内布置有加热棒及多点热电偶，当氟盐流入热管罐A5后通过热管的换热作用对氟盐降温，热管外表面包覆有可拆卸的保温层。
所述对照罐A4作为热管罐的对照，与热管罐A5的唯一区别即无插入热管，用于测试氟盐罐本身的散热能力。
所述倾斜氟盐管道的目的在于利用重力的作用将高处的氟盐彻底排入低处氟盐罐中，避免管道内氟盐的残留。
各个冷冻阀起到疏通和关闭氟盐管道的作用，氟盐管道外围缠绕有加热丝，用于加热氟盐管道，加热丝外围再覆盖一层保温层，当氟盐需要通过氟盐管道时利用加热丝对氟盐管道进行预热，冷冻阀打开，氟盐流过氟盐管道后关闭冷冻阀，切断加热丝的电源，将氟盐管道冷却至常温。
所述基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统的试验方法，在实验开始前需要利用氩气辅助系统对整个回路系统进行密封性检查，关闭第八氩气阀门208，将其余氩气管道上的阀门全部打开，使得每个压力计的示数均高于一个大气压，然后关闭所有压力阀门和冷冻阀门，当压力表的示数长时间不变时认为系统的密封性良好，实验开始时先加热储存罐A6中的氟盐，将其加热至熔点以上使其保持在液态，同时预热模拟堆芯罐A3及竖直氟盐管道A11，利用氩气辅助系统提高储存罐A6中的氩气压力，利用压力差将液态氟盐推送至模拟堆芯罐A3中，当氟盐储存在模拟堆芯罐A3中时须将第一冷冻阀门301关闭防止氟盐倒流；
实验首先需在对照罐A4中进行，预热第一倾斜氟盐管道A7及对照罐A4后打开第二冷冻阀门302和第三冷冻阀门303便能够将氟盐排入对照罐A4中，对照罐A4中的实验结束后预热第四倾斜氟盐管道A10，打开第六冷冻阀门306后氟盐便能够排入储存罐A6中；
当实验需要在热管罐A5中进行时，采用相同的方法将氟盐从储存罐A6中送至模拟堆芯罐A3中，预热第一倾斜氟盐管道A7和第二倾斜管道A8，预热热管罐A5，打开第二冷冻阀门302和第四冷冻阀门304，氟盐流入热管罐A5中，热管罐A5中的实验结束后预热第三倾斜氟盐管道A9和第四倾斜氟盐管道A10，打开第五冷冻阀门305便能够将氟盐排入储存罐A6中。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.储存罐处于最低位置，通常置于地下，是氟盐长期储存的地方，具有足够的安全性；
2.模拟堆芯罐处于最高位，最大程度的模拟熔盐堆的堆芯相对位置，最大程度的模拟氟盐下泄的过程；
3.三个氩气瓶同时供给氩气，保证气流的平稳性；
4.氩气流入氟盐罐之前先通过缓冲箱，防止氟盐罐内氩气压力的突变；
5.倾斜管道的设计保证了氟盐从高处的氟盐罐中充分流入低处的氟盐罐中，在管道中不会有氟盐残留；
6.本系统中采用氩气压力差作为动力将氟盐从低处输送至高处；
7.作为热管罐的对照性氟盐罐，对照罐与热管罐的唯一区别为没有插入热管，充分体现了其对照作用，有利于实验过程中对热管影响的研究；
8.热管罐中插入热管作为散热通道，是对氟盐快速降温的有效且安全的方式。
附图说明
图1为本实验系统的系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，在实验开始前利用氩气辅助系统检查系统的密封性，缓慢打开第一氩气阀门201、第二氩气阀门202、第三氩气阀门203，压力表a读数上升，待压力表a读数稳定后，打开第四氩气阀门204、第五氩气阀门205、第六氩气阀门206、第七氩气阀门207，模拟堆芯罐A3、对照罐A4、热管罐A5和储存罐A6上的压力表b、c、d和e读数上升，且一段时间后所有压力表的读数不发生较大的改变，说明系统的密封性良好。关闭第一氩气阀门201、第二氩气阀门202和第三氩气阀门203，缓慢打开第八氩气阀门208，当各个压力表的读数略大于一个大气压时关闭第八氩气阀门208，然后关闭第四氩气阀门204、第五氩气阀门205、第六氩气阀门206和第七氩气阀门207。
实验开始时，接通储存罐A6外壁面加热丝的电源和内部加热棒的电源，利用加热棒及加热丝缓慢加热储存罐A6中的氟盐，温度上升速率保持在10～20℃/h,同时接通模拟堆芯罐A3与储存罐A6之间管道外壁面的加热丝电源对竖直氟盐管道A11进行预热，接通模拟堆芯罐A3外壁面加热丝的电源，预热模拟堆芯罐A3，待储存罐A6中氟盐的温度达到氟盐熔点以上时，氟盐处于液态，打开第一氩气阀门201、第二氩气阀门202和第三氩气阀门203，待压力表a读数稳定后，打开第一冷冻阀门301，然后缓慢打开第四氩气阀门204，储存罐A6中的氩气压力逐渐上升，当储存罐A6中的氩气压力与模拟堆芯罐A3中的压力达到一定差值时，氟盐由储存罐A6流入模拟堆芯罐A3，当模拟堆芯罐A3中的氟盐达到预定液位时，关闭第一冷冻阀门301，切断储存罐A6中加热棒电源防止其干烧，切断模拟堆芯罐A3与储存罐A6之间氟盐管道上加热丝的电源，接通模拟堆芯罐A3中加热棒的电源将氟盐维持液态。关闭第一氩气阀门201、第二氩气阀门202和第三氩气阀门203，打开第八氩气阀门208，待储存罐A6中的压力降至略高于一个大气压时关闭第四氩气阀门204和第八氩气阀门208。
当需要在对照罐A4中进行实验时，接通对照罐A4壁面加热丝电源，接通连接模拟堆芯罐A3与对照罐A4之间管道外壁面的加热丝的电源，提前预热连接模拟堆芯罐A3与对照罐A4之间的第一倾斜氟盐管道A7及对照罐A4，然后打开第二冷冻阀门302和第三冷冻阀门303，氟盐在重力的作用下流入对照罐A4中，随后切断模拟堆芯罐A3加热棒的电源防止加热棒干烧，切断连接模拟堆芯罐A3与对照罐A4氟盐管道上的加热丝电源，切断模拟堆芯罐A3壁面加热丝的电源，接通对照罐A4中加热棒电源，关闭第二冷冻阀门302和第三冷冻阀门303，调节加热棒功率便可以达到调节氟盐温度的目的，从而进行一系列实验。
当对照罐A4中的实验结束后，接通连接对照罐A4与储存罐A6的氟盐管道上加热丝的电源对第四倾斜氟盐管道A10进行预热，打开第六冷冻阀门306，对照罐A4中的氟盐在重力的作用下流入储存罐A6中，同时切断对照罐A4中的加热棒电源及罐壁面加热丝的电源，待氟盐流入储存罐A6后关闭第六冷冻阀门306，切断氟盐连接管道上加热丝的电源，同时接通储存罐A6中加热棒的电源将氟盐温度维持在熔点以上。
若实验需要在热管罐A5中进行,接通连接模拟堆芯罐A3与储存罐A6的氟盐管道上加热丝的电源，对竖直氟盐管道A11进行预热，打开第一冷冻阀门301，打开第一氩气阀门201、第二氩气阀门202和第三氩气阀门203，待压力表a示数稳定后缓慢打开第四氩气阀门204，储存罐A6中的氩气压力逐渐上升，当储存罐A6中氩气压力与模拟堆芯罐A3中氩气压力达到一定差值，储存罐A6中的氟盐在压力差的作用下往上流入模拟堆芯罐A3中，待模拟堆芯罐A3中氟盐达到预计液位时关闭第一冷冻阀门301，接通模拟堆芯罐A3中加热棒的电源，切断储存罐A6中加热棒的电源，切断连接模拟堆芯罐A3与储存罐A6的氟盐管道上加热丝的电源，关闭第一氩气阀门201、第二氩气阀门202和第三氩气阀门203，缓慢打开第八氩气阀门208将储存罐中的氩气压力降低至略高于一个大气压，然后关闭第四氩气阀门204及第八氩气阀门208，接通第一倾斜氟盐管道A7与第二倾斜氟盐管道A8上加热丝电源预热氟盐管道，接通热管罐A5壁面加热丝电源预热热管罐A5，打开第二冷冻阀门302和第四冷冻阀门304，模拟堆芯罐A3中的氟盐在重力的作用下沿着第一倾斜氟盐管道A7与第二倾斜氟盐管道A8流入热管罐A5，切断模拟堆芯罐A3中加热棒的电源，切断第一倾斜氟盐管道A7与第二倾斜氟盐管道A8上加热丝的电源，关闭第二冷冻阀门302和第四冷冻阀门304，接通热管罐A5中加热棒的电源，调节热管罐A5中加热棒的功率便可以调节氟盐的温度从而进行一系列实验，待热管罐A5中的实验结束后，接通第三倾斜氟盐管道A9和第四倾斜氟盐管道A10上加热丝的电源预热氟盐管道，打开第五冷冻阀门305，热管罐A5中的氟盐在重力的作用下沿着第三倾斜氟盐管道A9和第四倾斜氟盐管道A10流入储存罐A6，同时切断热管罐A5中加热棒的电源，切断热管罐A5外壁面加热丝电源，切断第三倾斜氟盐管道A9和第四倾斜氟盐管道A10上加热丝的电源，关闭第五冷冻阀门305，接通储存罐A6中加热棒的电源。
当氟盐流回储存罐A6中后，若不再进行实验则缓慢降低储存罐A6外壁面加热丝的功率，同时缓慢降低储存罐A6中加热棒的功率，直至氟盐冷却至室温，同时切断所有电源，打开第一氩气阀门201、第二氩气阀门202和第三氩气阀门203，待压力计a读数稳定后，打开第四氩气阀门204、第五氩气阀门205、第六氩气阀门206和第七氩气阀门207，待各个氟盐罐中的氩气压力达到略高于一个大气压时关闭所有氩气阀门及冷冻阀门，最终检查回路的密封性。

Claims (9)

1.一种基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统，其特征在于：包括由多个氩气瓶(A1)、连接缓冲箱(A2)与多个氩气瓶(A1)的氩气管道、连接缓冲箱(A2)与各个氟盐罐的氩气管道及布置在氩气管道上的所有氩气阀门和压力表组成的氩气辅助系统；所述氟盐罐包括储存罐(A6)、模拟堆芯罐(A3)、对照罐(A4)和热管罐(A5)；储存罐(A6)通过安装有第四氩气阀门(204)的氩气管道与氩气辅助系统相连接，模拟堆芯罐(A3)通过安装有第五氩气阀门(205)的氩气管道与氩气辅助系统相连接，对照罐(A4)通过安装有第六氩气阀门(206)的氩气管道与氩气辅助系统相连接，热管罐(A5)通过安装有第七氩气阀门(207)与氩气辅助系统相连接；还包括连接各个氟盐罐的氟盐管道及布置在氟盐管道上的所有冷冻阀门组成的氟盐管道系统；所述氟盐管道系统包括安装有第一冷冻阀门(301)、连接储存罐(A6)与模拟堆芯罐(A3)且插入至储存罐(A6)底部的竖直氟盐管道(A11)，连接模拟堆芯罐(A3)和对照罐(A4)、插入至对照罐(A4)底部且安装有第二冷冻阀门(302)和第三冷冻阀门(303)的第一倾斜氟盐管道(A7)，连接热管罐(A5)和第一倾斜氟盐管道(A7)、插入至热管罐(A5)底部且安装有第四冷冻阀门(304)的第二倾斜氟盐管道(A8)，连接对照罐(A4)和储存罐(A6)并插入至储存罐(A6)底部且安装有第六冷冻阀门(306)的第四倾斜氟盐管道(A10)，连接热管罐(A5)和第四倾斜氟盐管道(A10)且安装有第五冷冻阀门(305)的第三倾斜氟盐管道(A9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统，其特征在于：所述氩气辅助系统中，氩气瓶(A1)的数量为三个，三个氩气瓶能够提供平稳的氩气流，氩气经过安装有第一氩气阀门(201)、第二氩气阀门(202)和第三氩气阀门(203)的三个氩气管道后汇入安装有压力表(a)的氩气管道中，流经具有缓冲作用的缓冲箱(A2)后，经过安装有第四氩气阀门(204)的氩气管道进入储存罐(A6)中、经过安装有第五氩气阀门(205)的氩气管道进入模拟堆芯罐(A3)中、经过安装有第六氩气阀门(206)的氩气管道进入对照罐(A4)中、经过安装有第七氩气阀门(207)的氩气管道进入热管罐(A5)中，同样能够通过安装有第八氩气阀门(208)的氩气管道将氩气排出。
3.根据权利要求1所述的一种基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统，其特征在于：所述储存罐(A6)起长期储存氟盐的作用，处于最低位置，通常埋于地下防止泄露造成安全事故，在实验结束后或者实验回路出现故障时须将氟盐排入储存罐(A6)中，所述储存罐(A6)外壁面缠绕加热丝用于加热储存罐，外面再覆盖一层保温层防止散热太快，所述储存罐(A6)内部布置有加热棒及多点热电偶。
4.根据权利要求1所述的一种基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统，其特征在于：所述模拟堆芯罐(A3)的作用为最大程度的模拟熔盐堆的堆芯位置，将其置于所有氟盐罐的最高处，实验开始后需将氟盐暂时性的储存在模拟堆芯罐(A3)中，随后按照需要将氟盐排入储存罐(A6)、对照罐(A4)或热管罐(A5)中，所述模拟堆芯罐(A3)外壁面缠绕加热丝，再覆盖一层保温层，所述模拟堆芯罐(A3)内部分布有加热棒及多点热电偶。
5.根据权利要求1所述的一种基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统，其特征在于：所述热管罐(A5)为带有热管的氟盐罐，热管罐(A5)环形布置三层热管，用于氟盐的散热，热管罐(A5)外壁面周围布置有加热丝再覆盖一层保温层，热管罐(A5)内布置有加热棒及多点热电偶，当氟盐流入热管罐(A5)后通过热管的换热作用对氟盐降温，热管外表面包覆有可拆卸的保温层。
6.根据权利要求1所述的一种基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统，其特征在于：所述对照罐(A4)作为热管罐的对照，与热管罐(A5)的唯一区别即无插入热管，用于测试氟盐罐本身的散热能力。
7.根据权利要求1所述的一种基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统，其特征在于：所有所述倾斜氟盐管道的目的在于利用重力的作用将高处的氟盐彻底排入低处氟盐罐中，避免管道内氟盐的残留。
8.根据权利要求1所述的一种基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统，其特征在于：所有所述氟盐管道外围缠绕有加热丝，用于加热氟盐管道，加热丝外围再覆盖一层保温层，当氟盐需要通过氟盐管道时利用加热丝对氟盐管道进行预热，冷冻阀打开，氟盐流过氟盐管道后关闭冷冻阀，切断加热丝的电源，将氟盐管道冷却至常温。
9.权利要求1至8任一项所述的基于熔盐堆非能动余热排出系统的氟盐实验系统的试验方法，在实验开始前需要利用氩气辅助系统对整个回路系统进行密封性检查，关闭第八氩气阀门(208)，将其余氩气管道上的阀门全部打开，使得每个压力计的示数均高于一个大气压，然后关闭所有氩气阀门及冷冻阀门，当压力表的示数长时间不变时认为系统的密封性良好；实验开始时先加热储存罐(A6)中的氟盐，将其加热至熔点以上使其保持在液态，同时预热模拟堆芯罐(A3)及竖直氟盐管道(A11)，利用氩气辅助系统提高储存罐(A6)中的氩气压力，利用压力差将液态氟盐推送至模拟堆芯罐(A3)中，当氟盐储存在模拟堆芯罐(A3)中时须将第一冷冻阀门(301)关闭防止氟盐倒流；
实验首先需在对照罐(A4)中进行，预热第一倾斜氟盐管道(A7)及对照罐(A4)后打开第二冷冻阀门(302)和第三冷冻阀门(303)便能够将氟盐排入对照罐(A4)中，对照罐(A4)中的实验结束后预热第四倾斜氟盐管道(A10)，打开第六冷冻阀门(306)后氟盐便能够排入储存罐(A6)中；
当实验需要在热管罐(A5)中进行时，采用相同的方法将氟盐从储存罐(A6)中送至模拟堆芯罐(A3)中，预热第一倾斜氟盐管道(A7)和第二倾斜管道(A8)，预热热管罐(A5)，打开第二冷冻阀门(302)和第四冷冻阀门(304)，氟盐流入热管罐(A5)中，热管罐(A5)中的实验结束后预热第三倾斜氟盐管道(A9)和第四倾斜氟盐管道(A10)，打开第五冷冻阀门(305)便能够将氟盐排入储存罐(A6)中。
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