CN108520785B - 用于熔盐堆的非能动余热排出系统及余热排出方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统及余热排出方法。该非能动余热排出系统的换热装置包括由侧壁围合形成的换热腔、一个以上的进风管和出风管；换热腔位于反应堆舱室与反应堆容器之间，且换热腔环绕反应堆容器设置，且换热腔与反应堆容器之间形成缝隙；换热腔的底部设有将反应堆舱室外的空气输送至换热腔内的进风管；换热腔的顶部设有将换热腔内的空气排出至大气的出风管；换热装置的内侧壁用于接受反应堆容器的外壁面释放的热量、并将热量传递给换热腔内的空气；非能动余热排出系统的排热能力大于熔盐堆的堆芯余热排出要求。该非能动余热排出系统及余热排出方法，无需借助外部电源、安全性高、结构简单易操作、安装维修方便。

Description

用于熔盐堆的非能动余热排出系统及余热排出方法

技术领域

本发明涉及一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统及余热排出方法。

背景技术

熔盐具有化学性质稳定、沸点高、传热性能好等多种优点，采用熔盐为冷却剂与陶瓷包覆颗粒燃料元件的熔盐冷却高温堆，在低压高温下工作，有良好的固有安全性和广泛的高温应用前景，受到了世界核能界的广泛关注，全球已有多个企业投入熔盐冷却高温堆的开发设计中。

反应堆发生事故后，即使紧急停堆，仍有部分余热持续产生，这部分余热在相当的一段时间内还十分可观，需要通过专门设置的余热排出系统将其载出至最终热阱。否则，堆内热量累计和温度升高可能导致反应堆安全屏障失效，造成放射性外释，引起严重的核安全事故。

余热排出系统分为能动余热排出系统和非能动余热排出系统，二者的区别在于，能动余热排出系统必须依靠外部电源或外部动作，而非能动余热排出系统不需要外部动作，完全依靠自然现象驱动。若在断电(含可靠电源丧失)的情况下，供电不能及时恢复时，能动余热排出系统就丧失排出堆芯余热的功能，进而会导致堆芯熔化、压力边界和安全壳破损，进而使得大量强放射性物质排入环境。在完全失电的情况下，只有采用不依赖电源的非能动余热排出系统，才能够防止发生堆芯熔化、压力边界和安全壳破损等事故。由此可见，对非能动余热排出系统的设计与研究十分重要。

然而，传统的熔盐堆设计中，事故工况下，燃料盐会首先排入燃料盐储罐，燃料盐储罐内设有余热排出系统，进而将余热排出。其中，该余热排出系统采用的是一种套管式换热元件，利用换热元件内冷流体的气化吸热从而将热量从燃料盐传递至换热元件中的冷流体，且该换热元件外还设有由泵驱动的冷却水循环系统以实现换热元件中冷流体由气相转变为液相。由此可见，该系统涉及冷却水循环系统，故该系统较为繁杂，且故障率也会随之上升；该系统也仅适用于事故后将燃料盐排放至燃料盐储罐的设计。

现有技术中，对于熔盐冷却高温堆系统的余热排出，已有采用非能动余热排出系统的情形，其主要利用重力作为非能动系统的驱动力。加州大学伯克利分校(英文缩写UCB)提出了一种熔盐堆缓冲盐事故余热排出系统，该系统的结构及工作原理具体如下：将熔盐冷却高温堆置于熔盐池中，并在该熔盐池内设置专门的余热排出换热器，事故工况下，熔盐冷却高温堆的热量先通过余热排出换热器传递给余排熔盐回路，再通过放置在空冷塔内的散热器将余排熔盐回路中熔盐所吸收的余热排向大气热阱。然而，该非能动余热排出系统，须要设置额外的熔盐池，占地面积大，故不利于堆的经济性。

综上可知，现有技术中尚无针对结构简单、占地面积小的用于熔盐堆的非能动余热排出系统及余热排出方法，故寻求一种新型的用于熔盐堆的非能动余热排出系统及余热排出方法是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中传统熔盐堆设计的须先将燃料盐排放至燃料盐储罐中、且该系统较为繁杂、故障率较高的缺陷以及现有技术中非能动余热排出系统须要设置额外的熔盐池、占地面积大、不利于堆的经济性，而提供一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统及余热排出方法。该非能动余热排出系统及余热排出方法，无需借助外部电源，故安全性高，且结构简单易操作、安装维修方便、故障率低，不需要设置额外的熔盐池、占地面积小，在停堆后或发生核反应堆事故时可及时带走堆芯余热。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

本发明提供一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，所述熔盐堆具有反应堆容器及反应堆舱室；

所述非能动余热排出系统包括换热装置；所述换热装置包括由侧壁围合形成的换热腔、一个以上的进风管和一个以上的出风管；所述换热腔位于所述反应堆舱室与所述反应堆容器之间，且所述换热腔环绕所述反应堆容器设置，且所述换热腔与所述反应堆容器之间形成缝隙；所述换热腔的底部设有所述进风管，所述进风管的进风口位于所述反应堆舱室外；所述换热腔的顶部设有所述出风管，所述出风管的出风口位于所述反应堆舱室外；

其中，所述进风管用于将所述反应堆舱室外的空气输送至所述换热腔内；所述换热装置的内侧壁用于接受所述反应堆容器的外壁面释放的热量、并将热量传递给所述换热腔内的空气；所述出风管用于将所述换热腔内的空气排出至大气；所述非能动余热排出系统的排热能力大于所述熔盐堆的堆芯余热排出要求。

在停堆后及发生核反应堆事故时，本发明的非能动余热排出系统均不需要任何外力驱动，仅依靠自然循环，即可将熔盐堆的余热从反应堆容器的壁面带到最终热阱——大气。具体来说，外界空气通过所述进风管进入所述换热腔内，由于所述反应堆容器的外壁面和所述换热装置的内侧壁之间存在较大的温差，所述熔盐堆的堆芯的余热主要通过二者之间的辐射换热传至所述换热装置的内侧壁，热量传至所述换热装置的内侧壁后即会加热所述换热腔中的空气，空气受热后产生提升压头，成为自然循环的驱动力并使其向上流动经所述出风管将热量传至最终的热阱大气。

本发明中，所述反应堆舱室按本领域常规设于所述反应堆容器的外部。

本发明中，所述换热装置可由钢板焊制而成，所述进风管和所述出风管一般由管道焊制而成。

本发明中，较佳地，所述换热装置包括两个以上的进风管和两个以上的出风管，且每一所述进风管及每一所述出风管的设置方式同前所述。具有两个以上的进风管和两个以上的出风管的非能动余热排出系统，能够更好的维持熔盐堆的安全状态。

本发明中，更佳地，每一所述进气管和每一所述出气管上均设有监测点，所述监测点用于检测空气的温度及流量。设置独立的空气温度及流量的监测点的非能动余热排出系统，可确保该系统运行工况和失效情况及时准确的监测。

本发明中，较佳地，所述出风管外设有保温层。

本发明中，较佳地，所述换热腔为环形空腔。

本发明中，所述换热腔环绕所述反应堆容器设置，且所述换热腔与所述反应堆容器之间形成的所述缝隙用于放置伸入所述反应堆容器内的检测元件。

本发明中，较佳地，所述非能动余热排出系统还设有空冷塔，所述空冷塔可为现有技术中的空冷塔，且所述出风管的出风口与所述空冷塔连接，且所述出风管的出风口与所述空冷塔连接方式可为常规的连接方式，例如：所述出风管的出风口从所述空冷塔的底部伸入所述空冷塔的内部，并与所述空冷塔的空气管道连通，所述空气管道用于提高空气自然循环能力、并将其排出至大气。

本发明中，较佳地，所述进风管和所述出风管上分别设有隔离阀门，所述隔离阀门设有控制系统，所述控制系统用于调整所述隔离阀门的开度以满足预热工况下熔盐堆系统的排热要求。具体地，在预热工况下需要对熔盐堆整体预热至熔盐熔点之上，需要关闭所述隔离阀门，以减小系统散热；当熔盐堆系统正常运行时，隔离阀门维持一定的开度；当熔盐堆停堆或事故工况下，隔离阀门会保持在前述的开度下，所述熔盐堆的堆芯温度升高发热功率增大，余热排出系统的自然循环也会随之加强带出更多的热量，执行排出余热的功能。

在本发明一较佳实施方式中，所述熔盐堆的功率为10MW；所述换热腔的高度为3.0m，所述换热腔的内径为4.0m，所述换热腔为环形空腔，且所述换热腔的宽度为0.2m；所述进风管的个数为2，每一所述进风管的内径均为0.8m，每一所述进风管的长度均为15m；所述出风管的个数为2，所述反应堆舱室外每一所述出风管的内径均为0.8m，所述反应堆舱室外每一所述出风管的长度均为15m；所述空冷塔的个数为2，每一所述空冷塔的内径均为0.8m，每一所述空冷塔的顶部与所述熔盐堆的中心线之间的距离为20.6m。

本发明还提供一种采用前述的非能动余热排出系统的余热排出方法，所述余热排出方法包括如下步骤：

(1)外界空气通过所述进风管进入所述换热腔内，所述换热装置的内侧壁接受所述反应堆容器的外壁面释放的热量、并将热量传递给所述换热腔内的空气；

(2)所述换热腔内的空气向上流动经所述出风管排出至大气。

在不违背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。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统及余热排出方法。该非能动余热排出系统及余热排出方法具有以下优点：无需借助外部电源，由自然驱动力驱动，充分实现了熔盐堆的非能动性安全需求，故安全性高、且消除了对电力动力设备以及操作人员的依赖；无需熔盐循环回路及熔盐-熔盐换热器等设备，系统简单易操作、安装维修方便、故障率低；在反应堆正常运行时，该系统执行舱室冷却功能；停堆后或发生核反应堆事故时，不需要采取切换操作即可执行余热排出功能，具有良好的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例1的用于熔盐堆的非能动余热排出系统的结构示意图。

附图标记说明：

反应堆容器10

反应堆舱室20

换热装置30

换热装置的内壁31

换热腔32

进风管33

进风口331

出风管34

空冷塔40

隔离阀门50

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。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1

(1)用于熔盐堆的非能动余热排出系统

如图1所示的用于熔盐堆的非能动余热排出系统，熔盐堆具有反应堆容器10及反应堆舱室20；非能动余热排出系统包括换热装置30，换热装置30包括由侧壁围合形成的换热腔32、一个以上的进风管33和一个以上的出风管34；换热腔32位于反应堆舱室20与反应堆容器10之间，且换热腔32环绕反应堆容器10设置，且换热腔32与反应堆容器10之间形成缝隙；换热腔32的底部设有进风管33，进风管33的进风口331位于反应堆舱室20外；换热腔32的顶部设有出风管34，出风管34的出风口位于反应堆舱室20外；

其中，进风管33用于将反应堆舱室20外的空气输送至换热腔32内；换热装置30的内侧壁用于接受反应堆容器10的外壁面释放的热量、并将热量传递给换热腔32内的空气；出风管34用于将换热腔32内的空气排出至大气；非能动余热排出系统的排热能力大于熔盐堆的堆芯余热排出要求。

在停堆后及发生核反应堆事故时，本发明的非能动余热排出系统均不需要任何外力驱动，仅依靠自然循环，即可将熔盐堆的余热从反应堆容器10的壁面带到最终热阱——大气。具体来说，外界空气通过进风管33进入换热腔32内，由于反应堆容器10的外壁面和换热装置30的内侧壁之间存在较大的温差，熔盐堆的堆芯的余热主要通过二者之间的辐射换热传至换热装置30的内侧壁，热量传至换热装置30的内侧壁后即会加热换热腔32中的空气，空气受热后产生提升压头，成为自然循环的驱动力并使其向上流动经出风管34将热量传至最终的热阱大气。

其中，反应堆舱室20设于反应堆容器10的外部。

其中，换热装置30由钢板焊制而成，进风管33和出风管34由管道焊制而成。

其中，换热装置30设有两个进风管33和两个出风管34，且每一进风管33及每一出风管34的设置方式同前。

其中，每一进气管和每一出气管上均设有监测点，监测点用于检测空气的温度及流量。

其中，出风管34外设有保温层。

其中，换热腔32为环形空腔。

其中，非能动余热排出系统还设有空冷塔40，且出风管34的出风口从空冷塔40的底部伸入空冷塔40的内部，并与空冷塔40的空气管道连通，空气管道用于提高空气自然循环能力、并将其排出至大气。

其中，进风管33和出风管34上分别设有隔离阀门50，隔离阀门50设有控制系统，控制系统用于调整隔离阀门50的开度以满足预热工况下熔盐堆系统的排热要求。具体地，在预热工况下需要对熔盐堆整体预热至熔盐熔点之上，需要关闭隔离阀门50，以减小系统散热；当熔盐堆系统正常运行时，隔离阀门50维持一定的开度；当熔盐堆停堆或事故工况下，隔离阀门50会保持在前述的开度下，熔盐堆的堆芯温度升高发热功率增大，余热排出系统的自然循环也会随之加强带出更多的热量，执行排出余热的功能。

其中，本实施例以10MW的实验堆为例，其设计参数如下表所示：

(2)余热排出方法

采用上述非能动余热排出系统的余热排出方法，余热排出方法包括如下步骤：

(1)外界空气通过进风管33进入换热腔32内，换热装置30的内侧壁接受反应堆容器10的外壁面释放的热量、并将热量传递给换热腔32内的空气；

(2)换热腔32内的空气向上流动经出风管34排出至大气。

技术效果：该用于熔盐堆的非能动余热排出系统及余热排出方法，无需借助外部电源，由自然驱动力驱动，充分实现了熔盐堆的非能动性安全需求，安全性高、且消除了对电力动力设备以及操作人员的依赖；无需熔盐循环回路及熔盐-熔盐换热器等设备，系统简单易操作、安装维修方便、故障率低；在反应堆正常运行时，该系统执行舱室冷却功能；停堆后或发生核反应堆事故时，不需要采取切换操作即可执行余热排出功能，具有良好的安全性和可靠性。

Claims (7)

1.一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，所述熔盐堆具有反应堆容器及反应堆舱室，其特征在于，所述非能动余热排出系统包括换热装置；所述反应堆舱室设于所述反应堆容器的外部；所述换热装置包括由侧壁围合形成的换热腔、一个以上的进风管和一个以上的出风管；所述换热腔位于所述反应堆舱室与所述反应堆容器之间，且所述换热腔环绕所述反应堆容器设置，且所述换热腔与所述反应堆容器之间形成缝隙；所述换热腔的底部设有所述进风管，所述进风管的进风口位于所述反应堆舱室外；所述换热腔的顶部设有所述出风管，所述出风管的出风口位于所述反应堆舱室外；每一所述进风管和每一所述出风管上均设有监测点，所述监测点用于检测空气的温度及流量；

其中，所述进风管用于将所述反应堆舱室外的空气输送至所述换热腔内；所述换热装置的内侧壁用于接受所述反应堆容器的外壁面释放的热量、并将热量传递给所述换热腔内的空气；所述出风管用于将所述换热腔内的空气排出至大气；所述非能动余热排出系统的排热能力大于所述熔盐堆的堆芯余热排出要求；

其中，所述进风管上及所述出风管上分别设有隔离阀门，所述隔离阀门设有控制系统，所述控制系统用于调整所述隔离阀门的开度以满足预热工况下熔盐堆系统的排热要求；在预热工况下需要对熔盐堆整体预热至熔盐熔点之上，需要关闭所述隔离阀门，以减小系统散热；当熔盐堆系统正常运行时，隔离阀门维持一定的开度；当熔盐堆停堆或事故工况下，隔离阀门会保持在前述的开度下，所述熔盐堆的堆芯温度升高发热功率增大，余热排出系统的自然循环也会随之加强带出更多的热量，执行排出余热的功能。

2.如权利要求1所述的用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征在于，所换热装置包括两个以上的进风管和两个以上的出风管，且每一所述进风管及每一所述出风管的设置方式同权利要求1中的设置方式。

3.如权利要求1所述的用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征在于，所述出风管外设有保温层。

4.如权利要求1所述的用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征在于，所述换热腔为环形空腔。

5.如权利要求1所述的用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征在于，所述非能动余热排出系统还设有空冷塔，所述出风管的出风口从所述空冷塔的底部伸入所述空冷塔的内部，并与所述空冷塔的空气管道连通，所述空气管道用于提高空气自然循环能力、并将其排出至大气。

6.如权利要求1所述的用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其特征在于，所述熔盐堆的功率为10MW；所述换热腔的高度为3.0m，所述换热腔的内径为4.0m，所述换热腔为环形空腔，且所述换热腔的宽度为0.2m；所述进风管的个数为2，每一所述进风管的内径均为0.8m，每一所述进风管的长度均为15m；所述出风管的个数为2，所述反应堆舱室外每一所述出风管的内径均为0.8m，所述反应堆舱室外每一所述出风管的长度均为15m；空冷塔的个数为2，每一所述空冷塔的内径均为0.8m，每一所述空冷塔的顶部与所述熔盐堆的中心线之间的距离为20.6m。

7.一种采用如权利要求1-6任一项所述的用于熔盐堆的非能动余热排出系统的余热排出方法，其特征在于，所述余热排出方法包括如下步骤：

（1）外界空气通过所述进风管进入所述换热腔内，所述换热装置的内侧壁接受所述反应堆容器的外壁面释放的热量、并将热量传递给所述换热腔内的空气；

（2）所述换热腔内的空气向上流动经所述出风管排出至大气。