CN108206065B - 一种熔盐堆上腔室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种熔盐堆上腔室。该熔盐堆上腔室包括设置于堆芯容器内的作为熔盐堆上腔室的底部的支撑板，和设置于堆芯容器的顶部的盖板；支撑板上设置有若干个控制棒导向口；堆芯容器包含侧管口，侧管口位于支撑板的上方，侧管口位于预设的熔盐液面下方；盖板穿设有惰性气体进口管和惰性气体出口管；惰性气体进口管的底端位于预设的熔盐液面下方，并高于支撑板；惰性气体出口管的底端位于预设的熔盐液面以上。本发明的熔盐堆上腔室可以缓冲熔盐堆一回路燃料盐体积的膨胀或收缩，可以避免熔盐与堆芯上盖板贯穿焊接口直接接触，不包含控制棒套管及溢流管和溢流罐从而降低熔盐泄漏概率以及放射性管理的难度，还可以提高氚的分离和收集效率。

Description

一种熔盐堆上腔室
技术领域
本发明涉及核反应堆工程设计领域，具体涉及一种熔盐堆上腔室。
背景技术
熔盐堆的燃料呈液态形式，其简化了装卸料过程，具有在线加料，在线燃料分离等优点。但同时需要重点考虑其高放射性隔离和防护问题。熔盐堆的一回路充当了放射性燃料盐的主要隔离屏障。除严格控制一回路边界管道和堆芯容器的制造和焊接质量之外，还需对一些活动件如泵、控制棒等进行严格密封处理，一些焊缝和贯穿件的设计要求较高。此外，一回路必须留有足够的空间用于容纳熔盐的体积变化。而熔盐体积变化的原因有温度变化，燃料的补充以及石墨的收缩膨胀等。
举例来说，上个世纪60年代到70年代，美国橡树岭国家实验室运行的熔盐实验堆(MSRE)的堆芯中(参见附图4)，活动件所在的位置部分：控制棒与熔盐之间有合金套管作为隔离，对于这部分组件合金套管充当了放射性燃料盐的隔离屏障；合金套管在高通量辐照下容易发生损伤，存在可能发生熔盐泄漏的风险；MSRE一回路的泵部分，泵与溢流罐之间有一个溢流管相连，当熔盐膨胀后，液位上升会淹没溢流管，然后熔盐就会从溢流管溢出至溢流罐中，此时则需要解决溢流罐的放射性隔离问题和冷却问题。
MSRE的一些设计运用到商业示范熔盐堆中有不足的部分。例如，首先商业熔盐堆功率密度高，服役时间长，堆芯中间布置控制棒套管一方面压低了控制棒价值，另一方面难以承受长时间的中子辐照。同时，如果采用溢流罐收集多余的高放射性熔盐，则扩大了放射性隔离的范围，同时当熔盐体积收缩的时候还需要进行补充，增加了操作的复杂性。此外，MSRE的运行数据表明，在泵处的鼓泡系统对分离放射性氚的作用有限，现有研究分析认为是氚与氦气的接触面积相比换热器来说很小，大部分氚都从换热器中穿透出去。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服了现有技术中熔盐反应堆中的控制棒套管处易受辐照损伤和熔盐腐蚀而造成熔盐泄漏、熔盐堆一回路的泵部分的熔盐膨胀后从溢流管进入溢流罐中而造成溢流管和溢流罐处放射性管理困难、不利于容纳熔盐的体积变化、以及不能有效除氚等缺陷，提供了一种熔盐堆上腔室。本发明的熔盐堆上腔室可以缓冲熔盐堆一回路燃料盐体积的膨胀或收缩，可以避免熔盐与堆芯上盖板贯穿焊接口直接接触，不包含控制棒套管及溢流管和溢流罐从而降低熔盐泄漏概率以及放射性管理的难度，还可以提高氚的分离和收集效率。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题。
本发明提供了一种熔盐堆上腔室，其包括设置于堆芯容器内的作为所述熔盐堆上腔室的底部的支撑板，和设置于所述堆芯容器的顶部的盖板；
其中，所述支撑板上设置有若干个控制棒导向口；
其中，所述堆芯容器包含侧管口，所述侧管口位于所述支撑板的上方，所述侧管口位于预设的熔盐液面下方；
其中，所述盖板穿设有惰性气体进口管和惰性气体出口管；所述惰性气体进口管的底端位于预设的熔盐液面下方，并高于所述支撑板；所述惰性气体出口管的底端位于预设的熔盐液面以上。
本发明中，所述支撑板为本领域常规使用的支撑板，用于固定和支撑堆芯活性区石墨组件，所述支撑板与石墨组件配合使用，较佳地，所述支撑板包括网格条架和边缘齿轮圆圈。
其中，所述网格条架为本领域常规使用的网格条架，可为六边形或四边形网格条架。
本发明中，对所述边缘齿轮圆圈的齿轮个数不做特殊限定，只要能将所述支撑板成功固定即可，较佳地，所述边缘齿轮圆圈的齿轮个数至少为8个。
本发明中，较佳地，所述支撑板的材质为镍基合金。
本发明中，较佳地，所述支撑板位于所述堆芯容器的上部的1/6-1/4处。
本发明中，所述支撑板的固定方式可为常规，较佳地，可采用所述堆芯容器中设置的内支撑座进行固定，本领域技术人员知晓所述内支撑座位于所述侧管口的下方。
其中，本领域技术人员知晓，所述内支撑座的位置、结构和数量应与所述支撑板的边缘齿轮的位置、结构和数量对应，例如，所述内支撑座位于所述堆芯容器的上部的1/6-1/4处，所述内支撑座的个数至少为8个。
本发明中，本领域技术人员知晓，所述盖板还设置有控制棒出口，一般来说，所述控制棒出口位置垂直对应所述支撑板中间的所述控制棒导向口；根据实际情况需要，所述盖板还可包含有测量孔道。
本发明中，本领域技术人员知晓实际熔盐堆运行过程中所述熔盐液面低于所述堆芯容器最上端。
本发明中，所述盖板与所述堆芯容器的连接方式可为常规，例如，所述盖板焊接于所述堆芯容器的顶端，或者，所述盖板与所述堆芯容器最上端通过密封法兰连接。
本发明中，本领域技术人员知晓所述熔盐堆上腔室包含熔盐和惰性气体，所述惰性气体填充在所述盖板与所述熔盐液面之间。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
1、本发明的熔盐堆上腔室可防止燃料盐在堆芯上盖板贯穿焊接口腐蚀及泄露。
2、本发明的熔盐堆上腔室的堆芯容器具有宽阔的横截面积，可用于稳定运行过程中熔盐液位的变化，使得液位面波动控制在几厘米以内。
3、本发明的熔盐堆上腔室内的惰性气体可以用做裂变气体清除手段，如通过向熔盐中鼓入小量惰性气泡，沿着侧口管流出，可以在泵碗中对燃料盐进行喷淋，脱离氪、氙、氚等气体，由于氦气与氚充分接触，可提高其分离和收集效率。
4、相比MSRE的堆芯结构，本发明避免了合金管道在堆芯的辐照和腐蚀问题，同时没有放射性熔盐溢流带来的复杂管理问题。
附图说明
图1为本发明实施例1熔盐堆上腔室结构示意图。
图2为本发明实施例1支撑板结构示意图。
图3为本发明实施例1熔盐堆工作原理示意图。
图4是MSRE堆芯及回路布局图。
附图说明如下：
支撑板 1
堆芯容器 2
侧管口 3
盖板 4
内支撑座 5
惰性气体进口管 6
惰性气体出口管 7
控制棒出口 8
惰性气体 9
熔盐 10
控制棒导向口 11
网格条架 12
边缘齿轮圆圈 13
熔盐堆堆芯 21
主泵 22
主换热器 23
MSRE堆芯 31
MSRE控制棒 32
MSRE溢流罐 33
MSRE主泵 34
MSRE换热器 35
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
图1为熔盐反应堆上腔室结构示意图，其包括设置于堆芯容器2内的作为熔盐堆上腔室的底部的支撑板1，和设置于堆芯容器2的顶部的盖板4；
其中，支撑板1上设置有若干个控制棒导向口11；
其中，堆芯容器2包含侧管口3，侧管口3位于支撑板1的上方，侧管口3位于预设的熔盐液面下方；
其中，盖板4穿设有惰性气体进口管6和惰性气体出口管7；惰性气体进口管6的底端位于预设的熔盐液面下方，并高于支撑板1；惰性气体出口管7的底端位于预设的熔盐液面以上。
本实施例中，支撑板1的材质为镍基合金，用于固定和支撑堆芯活性区石墨组件，与石墨组件配合使用。支撑板1位于堆芯容器2上部的1/4处。支撑板1包括网格条架12和边缘齿轮圆圈13(见图2)。其中，网格条架12为六边形网格条架，边缘齿轮圆圈13有8个齿轮。支撑板1采用堆芯容器2中设置的内支撑座5进行固定，内支撑座5位于侧管口3的下方。内支撑座5位于堆芯容器2上部的1/4处，内支撑座5的个数为8个。
本实施例中，盖板4还设置有控制棒出口8，控制棒出口8位置垂直对应支撑板1中间的控制棒导向口11，盖板4还包含有测量孔道。盖板4焊接于堆芯容器2的顶端。
支撑板1从堆芯容器2上端放进去，通过旋转其外缘齿轮与堆芯容器2中的内支撑座5对齐并焊接固定。熔盐堆在运行过程中熔盐的液位高于侧管口3，但低于堆芯容器2最高外沿位置。
盖板4处的惰性气体进口管6深入到熔盐中，但惰性气体进口管6的最下端高于上支撑板位置。盖板4的控制棒出口8与支撑板1的控制棒导向口11竖直对齐。整个盖板4与熔盐不接触，中间覆盖有惰性气体9。
熔盐堆的工作原理图如图3。核裂变在熔盐堆堆芯21内发生，产生的能量主要沉积在熔盐中，通过主泵22驱动堆芯高温熔盐循环到主换热器23中，主换热器将将热量带走，流出的较低温熔盐返回堆芯，实现核能的有效利用。整个过程中，熔盐存在两个液位，一个是堆芯上腔室液位，一个是主泵中的液位。两处惰性气体连通，实现两处熔盐液位一致。一方面对重要贯穿孔道和活动口进行熔盐隔离。另一方面，堆芯运行过程中熔盐体积以及液位会发生变化，通过利用堆芯上腔室宽阔的横截面积来缓解这种液位波动，使得其变化在几个厘米以内。这样可以将熔盐安全地限制在一回路中，避免放射性物质的释放。此外，通过在熔盐堆上腔室中注入惰性气体，使其与熔盐进行充分混合，在主泵22处离心分离有利于提高熔盐中夹带的氚的分离效率。
在图4中MSRE的回路，熔盐是从堆芯上盖板出来的，然后进入到较高位置的主泵中，再进入换热器，在回到堆芯上腔室侧壁，侧壁有一个环形带，环形带贴合在堆容器上，熔盐沿着环形带流到堆芯内。泵34里面有一个液位，上面是覆盖气体，溢流罐33是边上一个独立的罐子，溢流罐33与泵34之间有一个溢流管相连，溢流罐33上端一般暴露在覆盖气体中，当熔盐膨胀后，液位上升会淹没溢流管，然后熔盐就会从溢流管跑到溢流罐33中，溢流罐33中的熔盐也可以通过压力把它压回主泵34中，但溢流罐33处的放射性很难处理。另外，由于泵的覆盖气体空间比较小，当堆内熔盐体积膨胀比较显著的时候，排出去的熔盐比较多，对放射性管理会造成一定的难度，同时这部分燃料也没法利用。而本发明避免了这个问题。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种熔盐堆上腔室，其特征在于，其包括设置于堆芯容器内的作为所述熔盐堆上腔室的底部的支撑板，和设置于所述堆芯容器的顶部的盖板；
其中，所述支撑板上设置有若干个控制棒导向口；
其中，所述堆芯容器包含侧管口，所述侧管口位于所述支撑板的上方，所述侧管口位于预设的熔盐液面下方；
其中，所述盖板穿设有惰性气体进口管和惰性气体出口管；所述惰性气体进口管的底端位于预设的熔盐液面下方，并高于所述支撑板；所述惰性气体出口管的底端位于预设的熔盐液面以上。
2.如权利要求1所述的熔盐堆上腔室，其特征在于，所述支撑板包括网格条架和边缘齿轮圆圈；
所述支撑板的材质为镍基合金；
所述支撑板位于所述堆芯容器的上部的1/6-1/4处。
3.如权利要求2所述的熔盐堆上腔室，其特征在于，所述网格条架为六边形或四边形网格条架；
所述边缘齿轮圆圈的齿轮个数至少为8个。
4.如权利要求1所述的熔盐堆上腔室，其特征在于，所述支撑板采用所述堆芯容器中设置的内支撑座进行固定。
5.如权利要求4所述的熔盐堆上腔室，其特征在于，所述内支撑座位于所述侧管口的下方；
所述内支撑座位于所述堆芯容器的上部的1/6-1/4处；
所述内支撑座的个数至少为8个。
6.如权利要求1所述的熔盐堆上腔室，其特征在于，所述盖板设置有控制棒出口和/或测量孔道。
7.如权利要求6所述的熔盐堆上腔室，其特征在于，所述控制棒出口位置垂直对应所述支撑板中间的所述控制棒导向口。
8.如权利要求1所述的熔盐堆上腔室，其特征在于，在熔盐堆运行过程中熔盐液面低于所述堆芯容器最上端；
惰性气体填充在所述盖板与所述熔盐液面之间。
9.如权利要求1所述的熔盐堆上腔室，其特征在于，所述盖板焊接于所述堆芯容器的顶端。
10.如权利要求1所述的熔盐堆上腔室，其特征在于，所述盖板与所述堆芯容器的最上端通过密封法兰连接。
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