CN108492894B - 一种熔盐的安全冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种熔盐的安全冷却装置，一体化坩埚盖放置在坩埚上，二者间装有密封垫片，一体化坩埚盖包括内层挡板、外层挡板、外层换热元件焊接孔和进盐孔；外层换热元件焊接在一体化坩埚盖上且竖直插入坩埚中，内层换热元件上部与水箱连接且内层换热元件下部插入外层换热元件中，水箱与大气相通。本发明采用带有挡板和排水管道的一体化坩埚盖，结合双层换热元件结构，有效降低事故情况下换热元件局部破损导致的冷却水和高温熔盐直接接触产生爆炸的风险，极大地提高了系统安全系数，保证熔盐的安全冷却，满足非能动安全系统的设计要求。在大气压下运行，耐压要求低，降低了设计制造成本。本发明设计合理，结构巧妙，简单实用，易于装配，工艺成熟。

Description

一种熔盐的安全冷却装置

技术领域

本发明涉及一种熔盐的安全冷却装置，属于反应堆非能动余热排出技术领域。

背景技术

2002年9月19日至20日在东京召开的第四代核能系统国际论坛会议上，与会的10个国家在94个概念堆的基础上，一致同意开发以下六种第四代核电站概念堆系统：钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆、超临界水堆、超高温气冷堆和熔盐堆。所谓熔盐，是指核燃料以液态形式存在于反应堆中。在第四代反应堆中，熔盐堆改变了堆芯物理设计的思路，是唯一采用液态燃料的反应堆。这种液态物是铀、钍或钚的某种氟化物与载体盐结合构成的低熔点共熔体。

当熔盐温度超出正常范围时，为保证反应堆的安全，反应堆内全部熔盐会在重力作用下自动排入到排盐罐中。且熔盐会不断产生衰变热，需要及时将其冷却，要求冷却方式安全可靠。在极端环境灾害如地震、海啸发生时，可能导致系统局部结构损坏，要求熔盐冷却系统在一定损坏范围内仍能正常工作，保证熔盐余热的安全排出。

专利201310286718.7所公开的一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其功能在于提高系统的非能动工作能力，但其缺点在于系统设计过于复杂，系统内阀门、水箱众多，在实际运行过程中某一个部件的失效都可能导致系统无法正常运行，因此需要设计一种结构简单、可靠性强的系统结构。

专利201610899803.4公开了一种用于熔盐堆非能动余热排出的单管实验装置，其功能在于提供一种更适合进行试验研究的实验装置，其缺点在于采用管式电炉作为热源，这与工程实际中熔盐作为热源的差别较大，系统设计没有考虑使用熔盐作为热源时需要注意的安全问题，存在安全隐患，因此需要设计一种能够应用于实际熔盐的安全冷却系统。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种熔盐的安全冷却装置，是一种设计合理、结构简单、能够有效排出熔盐余热且能够保证换热元件部分破损时系统仍然安全运行的冷却装置。

本发明的目的是这样实现的：包括坩埚、设置在坩埚上方的一体化坩埚盖、水箱、内层换热元件、外层换热元件，所述一体化坩埚盖包括圆环形盖底、分别竖直设置在圆环形盖底内边缘和外边缘上的内层圆形挡板和外层圆形挡板，外层圆形挡板的表面上连接有排水管道，内层圆形挡板与外层圆形挡板之间的圆环形盖底的周向上均匀设置有外层换热元件焊接口，所述外层换热元件的个数与外层换热元件焊接口的数量相等，且外层换热元件的上端与外层换热元件焊接口连接、下端伸入至坩埚内，所述内层换热元件的个数与外层换热元件的个数相等，且内层换热元件的上端与水箱连接、下端插入至对应的外层换热元件中，且内层换热元件与外层换热元件之间形成环形空气层。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.坩埚与一体化坩埚盖之间设置有密封垫片。

2.内层圆形挡板内表面形成坩埚的进盐孔。

3.所述内层换热元件、外层换热元件、外层换热元件焊接口的个数均为六个。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用带有挡板和排水管道的一体化坩埚盖，结合双层换热元件结构，有效地降低了事故情况下换热元件局部破损导致的冷却水和高温熔盐直接接触产生爆炸的风险，极大地提高了系统安全系数，保证熔盐的安全冷却，满足非能动安全系统的设计要求。系统在大气压下运行，耐压要求低，降低了设计制造成本。冷却装置设计合理，结构巧妙，简单实用，易于装配，工艺成熟。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中一体化坩埚盖的结构示意图。

图中：1为坩埚，2为一体化坩埚盖，3为内层换热元件，4为外层换热元件，5为密封垫片，6为水箱，7为排水管道，8为内层挡板，9为外层挡板，10为外层换热元件焊接孔，11为进盐孔。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图2，本发明公开了一种用于熔盐的安全冷却装置，包括坩埚1、一体化坩埚盖2、内层换热元件3、外层换热元件4、密封垫片5、水箱6和排水管道7；一体化坩埚盖2包括内层挡板8、外层挡板9、外层换热元件焊接孔10和进盐孔11。

一体化坩埚盖2放置在坩埚1上，二者间装有密封垫片5，外层换热元件4焊接在一体化坩埚盖2上且竖直插入坩埚1中，内层换热元件3上部与水箱6连接且内层换热元件3下部插入外层换热元件4中，水箱6与大气相通。

内层挡板8和外层挡板9焊接在坩埚盖2的内边缘和外边缘上，形成一体化结构。外层挡板9上开有圆孔，圆孔直径与排水管道7的直径相同，排水管道7焊接在此圆孔上。

内层换热元件3和外层换热元件4之间存在环形空气层。

内层换热元件3上沿轴向高度安装有多个热电偶，用来监测外层换热元件4是否破损导致熔盐与内层换热元件3接触。

外层换热元件4上沿轴向高度安装有多个热电偶，用来监测内层换热元件3是否破损导致冷却水与外层换热元件4接触。

本发明的坩埚的主体是一个由哈氏合金制成的筒状结构，当熔盐反应堆停堆后，反应堆回路内所有高温熔盐通过进盐口进入坩埚中储存。内层挡板和外层挡板分别焊接在坩埚盖的内边缘和外边缘上，形成一体化结构。一体化坩埚盖放置在坩埚上方，二者之间安装有密封垫片。

将外层换热元件焊接在一体化坩埚盖上从而使其固定在坩埚中。内层换热元件插入外层换热元件中，二者间形成环形空气层，这个空气层可以提供合适的传热热阻，控制热量传输速度。内层换热元件和外层换热元件共同形成双层套管式结构，这种双层结构增强了系统的安全冗余度，即在其中一层换热元件发生损坏时，另一层换热元件仍然可以正常工作。本发明的双层换热元件依实际使用环境不同可采用不同材质，用于高温高腐蚀性高放射性熔盐时采用哈氏合金材料制成，用于温度较低的弱腐蚀性熔盐时可以采用不锈钢等材料制成。

内层换热元件与上方的水箱连接，水箱内储存有大量冷却水，初始时水温为室温，水箱与大气相通。

系统拥有温度监测功能。在内层换热元件上沿轴向高度安装有多个热电偶，用来监测外层换热元件是否破损导致熔盐与内层换热元件接触；在外层换热元件上沿轴向高度安装有多个热电偶，用来监测内层换热元件是否破损导致冷却水与外层换热元件接触。当监测到换热元件破损发生时，及时调整安全等级，启动相应预案。

系统投入运行时，熔盐由进盐口进入坩埚中并与外层换热元件接触，热量由熔盐传递至外层换热元件，通过热辐射和热传导两种传热形式将热量继续传递给内层换热元件。内层换热元件中的冷却水受热升温，热流体受自然对流作用向上运动进入水箱。水箱水温不断升高，直至内层换热元件内水温达到饱和，开始沸腾产生蒸汽。蒸汽向上运动进入水箱，然后被排入大气中，使熔盐余热最终排入到大气环境中。整个系统的运行不需要任何外界动力辅助，能够自动投入并维持运行。

当内层换热元件发生局部破损时，大量冷却水泄漏至内层换热元件与外层换热元件之间的环形间隙中，环形间隙内水位不断升高，最终水位达到坩埚盖高度。由于一体化坩埚盖的内层挡板和外层挡板的阻挡作用，以及排水管道的持续排水作用，水位停止上升，避免了冷却水经由进盐孔或者坩埚上沿进入坩埚中与高温熔盐直接接触产生蒸汽爆炸的风险。当外层换热元件发生局部破损时，高温熔盐进入环形气隙中，此时内层换热元件起到了隔离作用，避免了高温熔盐和冷却水的直接接触。因此，带有挡板和排水管道的一体化坩埚盖，结合双层换热元件结构，共同保证了换热元件局部破损时熔盐冷却系统的安全运行。

综上，本发明涉及一种熔盐的安全冷却装置，包括坩埚、一体化坩埚盖、内层换热元件、外层换热元件、密封垫片、水箱和排水管道；一体化坩埚盖包括内层挡板、外层挡板、外层换热元件焊接孔和进盐孔；一体化坩埚盖放置在坩埚上，二者间装有密封垫片，内层挡板和外层挡板分别焊接在坩埚盖的内边缘和外边缘上，形成一体化结构，外层挡板上开有圆孔，圆孔直径与排水管道的直径相同，排水管道焊接在此圆孔上，外层换热元件焊接在一体化坩埚盖上且竖直插入坩埚中，内层换热元件上部与水箱连接且内层换热元件下部插入外层换热元件中，水箱与大气相通。本发明采用带有挡板和排水管道的一体化坩埚盖，结合双层换热元件结构，有效地降低了事故情况下换热元件局部破损导致的冷却水和高温熔盐直接接触产生爆炸的风险，极大地提高了系统安全系数，保证熔盐的安全冷却，满足非能动安全系统的设计要求。系统在大气压下运行，耐压要求低，降低了设计制造成本。冷却装置设计合理，结构巧妙，简单实用，易于装配，工艺成熟。

Claims (2)

1.一种熔盐的安全冷却装置，其特征在于：包括坩埚、设置在坩埚上方的一体化坩埚盖、水箱、内层换热元件、外层换热元件，所述一体化坩埚盖包括圆环形盖底、分别竖直设置在圆环形盖底内边缘和外边缘上的内层圆形挡板和外层圆形挡板，外层圆形挡板的表面上连接有排水管道，内层圆形挡板与外层圆形挡板之间的圆环形盖底的周向上均匀设置有外层换热元件焊接口，所述外层换热元件的个数与外层换热元件焊接口的数量相等，且外层换热元件的上端与外层换热元件焊接口连接、下端伸入至坩埚内，所述内层换热元件的个数与外层换热元件的个数相等，且内层换热元件的上端与水箱连接、下端插入至对应的外层换热元件中，且内层换热元件与外层换热元件之间形成环形空气层；坩埚与一体化坩埚盖之间设置有密封垫片；内层圆形挡板内表面形成坩埚的进盐孔。

2.根据权利要求1所述的一种熔盐的安全冷却装置，其特征在于：所述内层换热元件、外层换热元件、外层换热元件焊接口的个数均为六个。