CN108932984A - 一种双流体熔盐快堆溢流罐系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双流体熔盐快堆溢流罐系统及其控制方法，包括溢流管、溢流罐，溢流管的一端与双流体熔盐快堆的燃料回路主管道连接，溢流管的另一端向上延伸到溢流罐内部；溢流罐内装有燃料熔盐，溢流罐中燃料熔盐的液位高度小于溢流管的管口高度；溢流管的底部连接有回流管，回流管与燃料回路主管道连接。本技术方案中将双流体熔盐块堆与溢流罐等结构结合起来，溢流罐、溢流管、回流管、双流体熔盐快堆燃料回路之间形成一个循环回路，该循环回路为工质的膨胀提供足够的吸收空间，同时也为工质的收缩提供足够的补偿裕量，为双流体熔盐快堆系统压力的控制提供良好方式。

Description

一种双流体熔盐快堆溢流罐系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及双流体熔盐快堆技术领域，具体涉及一种双流体熔盐快堆溢流罐系统及其控制方法。
背景技术
熔盐堆MSR：Molten Salt Reactor属于第四代反应堆技术，近年来逐渐受到各国科研机构的重视，并且涌现出众多各具特色的概念设计方案，其中双流体熔盐快堆DFFR：Dual Fluid Fast Reactor是一种比较新型的熔盐堆系统方案。除了具有较为新颖的系统流程设计外，DFFR还有很高的燃料工作温度大于1200℃，而在该温度下DFFR所使用的燃料有相对较大的膨胀系数，这就为DFFR系统的压力控制系统设计提出了要求。
众所周知，民用熔盐堆技术来源于上世界60年代美国橡树岭国家实验室(ORNL)研发并运行的熔盐试验堆(MSRE)。由于熔盐堆系统使用的工作介质(熔盐)几乎不可能出现两相流的情况，所以其回路系统的压力控制无法通过应用类似压水堆稳压器的方式来实现。
基于此，研究并开发设计一种双流体熔盐快堆溢流罐系统及其控制方法。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种双流体熔盐快堆溢流罐系统及其控制方法，将双流体熔盐快堆压力控制方案与溢流罐结构结合，通过对溢流罐结构的改进，来调整双流体熔盐快堆系统中燃料熔盐的压力过高或过低的情况，解决了现有技术中熔盐堆系统的工作介质不能通过两相流动以平衡压力的缺陷。
本发明通过下述技术方案实现：
一种双流体熔盐快堆溢流罐系统，包括溢流管、溢流罐，溢流管的一端与双流体熔盐快堆的燃料回路主管道连接，溢流管的另一端向上延伸到溢流罐内部；溢流罐内装有燃料熔盐，溢流罐中燃料熔盐的液位高度小于溢流管的管口高度；溢流管的底部连接有回流管，回流管与燃料回路主管道连接。
熔盐堆是核裂变反应堆的一种，其主冷却剂是一种熔融态的混合盐，它可以在高温下工作时，保持低蒸汽压，从而降低机械应力，提高安全性，并且比熔融钠冷却剂活性低。
双流体熔盐快堆，又称双流体熔盐堆，双流体熔盐堆内的燃料工作温度较高，一般大于1200℃，且在该温度下双流体熔盐堆所使用材料均具有较大的膨胀系数，因此，需要对双流体熔盐堆的压力系统压力进行控制，而现有控制方案无法根据双流体熔盐堆中燃料熔盐膨胀、收缩情况实现双向调节。
基于此，本技术方案提供了一种双流体熔盐快堆溢流罐系统，该系统的压力控制工作原理为，当双流体熔盐快堆内燃料回路中压力升高时，燃料熔盐膨胀，膨胀工质进入溢流管中，溢流管中的燃料熔盐从溢流管中溢出，进入溢流罐中进行储存，释放工质膨胀时产生的内部压力；当燃料回路中工质温度恢复正常后，溢流管中的燃料熔盐液位低于正常值，回流管与燃料回路的主管道连通，溢流罐中的燃料熔盐在重力作用下通过回流管流入燃料回路主管道，补偿燃料回路中损失的工质，在补偿过程中，溢流罐内熔盐液面下降，降至正常液面时，回流管与燃料回路主管道、溢流罐处于不连通的状态。
当双流体熔盐快堆中的燃料熔盐温度降低，燃料熔盐收缩时，溢流管中液位低于正常偏差液位，回流管将溢流罐、燃料回路主管道连通，溢流罐中的燃料熔盐在重力作用下流入燃料回路主管道，补偿燃料回路主管道中燃料熔盐的收缩量，此时燃料熔盐主管道中燃料熔盐的液面逐渐上升，待溢流管中液面恢复正常时，回流管与溢流罐、燃料回路主管道不连通。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述回流管上设有燃料回路控制阀，燃料回路控制阀为常闭阀，燃料回路控制阀用于根据溢流管或溢流罐中液位位置信号触发开启状态。
本技术方案中燃料回路控制阀为一种常闭阀，根据溢流管或溢流罐中燃料熔盐的液位状态而调整，调整成开启或关闭状态，从而确定溢流罐与燃料回路主管道连通与否。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述溢流管上设有用于检测溢流管内燃料熔盐液位高度的液位计一，所述溢流罐内设有用于检测燃料熔盐液位高度的液位计二，液位计一和液位计二为相同结构。
本技术方案中液位计一具体可为液位传感器，也可为常规的液位计，用于检测溢流管中燃料熔盐的液位高度。液位计二具体结构也可为液位传感器，同样可为常规的液位计，用于检测溢流罐中的燃料熔盐的液位高度。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述溢流罐内填充有惰性气体。所述惰性气体为氦气或氩气。本技术方案中惰性气体用于填充在溢流罐中，填充的惰性气体不与燃料熔盐发生反应安全系数高。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述溢流罐的顶部设有用于将溢流罐内不凝气体或废气排出的排气阀。排气阀的作用是及时将从燃料回路中、溢流罐中的气体如不凝性气体、废气等通过排气阀所在排气管道排出去，可根据需要选择相隔一段时间排出，避免该类型气体滞留在其中影响容器内部压强。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述溢流管、溢流罐、回流管上均设有用于防止燃料熔盐冻结的电加热器。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述溢流管、溢流罐、回流管、燃料回路主管道形成一个燃料熔盐流动回路。
另外，本技术方案还提供了一种双流体熔盐快堆溢流罐系统的控制方法，包括以下操作步骤，当工质温度升高，工质进入溢流管中，溢流管中工质液位不断上升，工质的膨胀将引起溢流管的液位大于正常液位，当工质继续膨胀，则工质从溢流管中溢出，进入溢流罐；当工质恢复到正常温度后，在溢流罐系统运行中，若工质出现收缩，则溢流管中的液位将低于正常液位值，触发熔盐回流阀打开，燃料熔盐流入燃料回路主管道，补偿燃料回路损失的工质，在补偿过程中，溢流罐中燃料熔盐液面下降，降低至正常液面时关闭燃料回路控制阀。
进一步地，为了更好的实现本发明，还包括以下操作步骤，当工质温度降低时，工质收缩，液位计一检测溢流管中液位低于正常偏差液位，燃料回路控制阀触发开启，溢流罐中燃料熔盐流入燃料回路主管道，补偿燃料回路工质的收缩量，液位计一检测溢流管中液面达到正常值时，燃料回路控制阀触发关闭。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
(1)本技术方案中将双流体熔盐块堆与溢流罐等结构结合起来，溢流罐、溢流管、回流管、双流体熔盐快堆燃料回路之间形成一个循环回路，该循环回路为工质的膨胀提供足够的吸收空间，同时也为工质的收缩提供足够的补偿裕量，为双流体熔盐快堆系统压力的控制提供良好方式。
(2)本技术方案中将溢流罐系统，与现有技术中压力控制系统，功能更加明确，更便于运行期间的检查和维护。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为燃料回路的结构示意图；
其中：1—溢流罐，2—溢流管，3—燃料熔盐，4—燃料回路主管道，5—燃料回路控制阀，6—液位计一，7—液位计二，8—排气阀，9—回流管，11—反应堆，12—中间换热器，13—冷却剂泵、14—燃料疏排罐、15—燃料泵、16—PPU。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种双流体熔盐快堆溢流罐系统，包括溢流管2、溢流罐1，溢流管2的一端与双流体熔盐快堆的燃料回路主管道4连接，溢流管2的另一端向上延伸到溢流罐1内部；溢流罐1内装有燃料熔盐，溢流罐1中燃料熔盐的液位高度小于溢流管2的管口高度；溢流管2的底部连接有回流管9，回流管9与燃料回路主管道4连接。
其中，所述回流管9上设有燃料回路控制阀5，燃料回路控制阀5为常闭阀，燃料回路控制阀5用于根据溢流管2或溢流罐1中液位位置信号触发开启状态。
其中，所述溢流管2上设有用于检测溢流管2内燃料熔盐液位高度的液位计一6，所述溢流罐1内设有用于检测燃料熔盐液位高度的液位计二7，液位计一6和液位计二7为相同结构。
其中，所述溢流罐1内填充有惰性气体。
其中，所述惰性气体为氦气或氩气。
其中，所述溢流罐1的顶部设有用于将溢流罐1内不凝气体或废气排出的排气阀8。
其中，所述溢流管2、溢流罐1、回流管9上均设有用于防止燃料熔盐冻结的电加热器。
其中，所述溢流管2、溢流罐1、回流管9、燃料回路主管道4形成一个燃料熔盐流动回路。
本实施例主要针对双流体熔盐快堆反应堆系统中工质膨胀引起的超压、工质收缩引起的损失等问题，为了解决该技术问题，本实施例中的溢流罐1、溢流管2、回流管9通过一定连接方式形成一个整体，然后与双流体熔盐快堆的燃料回路主管道进行连接，达到适应性调整燃料回路主管道中压力变化。
双流体熔盐快堆燃料回路的最高处设置一个垂直的溢流管2，即溢流管2一端与燃料回路的主管道连接，另一端通过插入到溢流罐1底部，从而延伸到溢流罐1的内部，且溢流管2插入到溢流罐1中的位置，即溢流管2位于溢流罐2中管口与溢流罐1底部具有一定高度差，而具体的高度差可根据溢流罐的体积量、燃料回路中工质膨胀或收缩情况进行调整，而非一个固定值。
上述提出的燃料回路具体结构如图2所示，包括溢流罐1、反应堆11、中间换热器12、冷却剂泵13、燃料疏排罐14、燃料泵15、PPU16，其具体连接关系为溢流罐1通过溢流管2连接在反应堆11与PPU16之间，PPU16的下部包括底部和下端区域分别通过连接管与燃料泵15、冷却剂泵13连接，燃料泵15通过连接管分别与反应堆11的下部、燃料疏排罐14连接，反应堆11的下部通过连接管与冷却剂泵13连接，冷却剂泵13通过连接管与中间换热器12连接，中间换热器12通过连接管与反应堆11的上端连接，其中PPU16为核燃料在线处理装置。其中该燃料回路中工质或燃料的流向如图2中箭头所示，且燃料回路中包括的具体结构为现有技术，具体工作原理、操作方法不再详述。
其中，燃料回路主管道4为反应堆11与PPU16的连接管道，溢流管2与燃料回路主管道4的连接端为溢流管2连接在燃料回路主管道4的最高端，而一般情况下，反应堆11与PPU之间有两个连接管，可根据需要将溢流管连接在两个连接管中布置相对较高的位置，从而达到调整双流体熔盐快堆系统中燃料熔盐压力过高或过低的问题。
溢流罐1内装有一定燃料熔盐3，该燃料熔盐3为本实施例中所述的工质，燃料熔盐的在溢流罐1中的液位高度低于溢流管2的管口，保持一定的高度裕量。
溢流罐1的底部还通过回流管9与燃料回路主管道4连接，燃料回路主管道4上还设置有燃料回路控制阀5，燃料回路控制阀5为常闭阀门，而燃料回路控制阀5的开启由溢流管2或溢流罐1中工质液体的液位位置信号触发，从而通过回流管9将燃料回路主管道4与溢流罐1连通。本实施例中回流管9、燃料回路主管道4、燃料回路控制阀5等的具体结构为本领域技术人员所公知，不再详述。
其中，所述溢流管2上设有用于检测溢流管2内燃料熔盐液位高度的液位计一6，所述溢流罐1内设有用于检测燃料熔盐液位高度的液位计二7，液位计一6和液位计二7为相同结构。液位计一6、液位计二7分别检测到的溢流管2、溢流罐1中工质液位高度，根据情况出发燃料回路控制阀5的开启。
如工质膨胀时，溢流管中的燃料熔盐进入溢流罐1中后，待工质恢复到正常温度后，溢流管2中的液位下降，且低于正常值时，会燃料回路控制阀5的开启；工质从溢流罐1流入燃料回路主管道4，待溢流罐1中的工质液面降低到正常液面时，关闭回流管9上的燃料回路控制阀5，而本技术方案中涉及到的根据检测到液面的高低从而触发燃料回路控制阀5的开启或关闭状态，该技术涉及到的装置和方法均为本领域技术人员所公知，不再详述。
另外本实施例中在溢流罐1的顶部设置排气阀8，用以将在调整燃料回路中压力变化过程中产生且进入溢流罐1中的不凝气体、废气等排出到外部，平衡内部压力。
本实施例中所述的电加热器，分别设置在溢流管2、溢流罐1、回流管9上，避免燃料熔盐的冻结，保持燃料熔盐一直处于液体状态，利于其在循环系统中流动。
实施例2：
本实施例提供了双流体熔盐快堆溢流罐系统的控制方法，包括以下操作步骤，当工质温度升高，工质进入溢流管2中，溢流管2中工质液位不断上升，工质膨胀量大于溢流管1的正常液位，工质从溢流管2中溢出，进入溢流罐1，工质恢复到正常温度后，溢流管2中的液位低于正常值，触发熔盐回流阀5打开，燃料熔盐流入燃料回路主管道4，补偿燃料回路损失的工质，溢流罐2中燃料熔盐液位下降，降低至正常液位时关闭燃料回路控制阀9。
还包括以下操作步骤，当工质温度降低时，工质收缩，液位计一6检测溢流管1中液位低于正常偏差液位，燃料回路控制阀9触发开启，溢流罐2中燃料熔盐流入燃料回路主管道4，补偿燃料回路工质的收缩量，液位计一6检测溢流管1中液位达到正常值时，燃料回路控制阀9触发关闭。
上述操作方法中所述的正常液位、正常温度、正常偏差液位等的具体数值，在本实施例中不作具体限制，可根据不同功率水平的反应堆所对应的该类工质在某个工况下具体的运行和操作要求而确定。
本实施例控制方法中将双流体熔盐块堆与溢流罐等结构结合起来，溢流罐、溢流管、回流管、双流体熔盐快堆燃料回路之间形成一个循环回路，该循环回路为工质的膨胀提供足够的吸收空间，同时也为工质的收缩提供足够的补偿裕量，为双流体熔盐快堆系统压力的控制提供良好方式，即不仅仅针对工质的膨胀，而且对工质的收缩，也能很好对双流体熔盐快堆系统中压力进行双向调节，维持反应堆燃料回路中的压力处于一个动态平衡状态。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双流体熔盐快堆溢流罐系统，其特征在于：包括溢流管(2)、溢流罐(1)，溢流管(2)的一端与双流体熔盐快堆的燃料回路主管道(4)连接，溢流管(2)的另一端向上延伸到溢流罐(1)内部；溢流罐(1)内装有燃料熔盐，溢流罐(1)中燃料熔盐的液位高度小于溢流管(2)的管口高度；溢流管(2)的底部连接有回流管(9)，回流管(9)与燃料回路主管道(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种双流体熔盐快堆溢流罐系统，其特征在于：所述回流管(9)上设有燃料回路控制阀(5)，燃料回路控制阀(5)为常闭阀，燃料回路控制阀(5)用于根据溢流管(2)或溢流罐(1)中液位位置信号触发开启状态。
3.根据权利要求1所述的一种双流体熔盐快堆溢流罐系统，其特征在于：所述溢流管(1)上设有用于检测溢流管(1)内燃料熔盐液位高度的液位计一(6)，所述溢流罐(1)内设有用于检测燃料熔盐液位高度的液位计二(7)，液位计一(6)和液位计二(7)为相同结构。
4.根据权利要求1所述的一种双流体熔盐快堆溢流罐系统，其特征在于：所述溢流罐(1)内填充有惰性气体。
5.根据权利要求4所述的一种双流体熔盐快堆溢流罐系统，其特征在于：所述惰性气体为氦气或氩气。
6.根据权利要求1所述的一种双流体熔盐快堆溢流罐系统，其特征在于：所述溢流罐(1)的顶部设有用于将溢流罐(1)内不凝气体或废气排出的排气阀(8)。
7.根据权利要求1所述的一种双流体熔盐快堆溢流罐系统，其特征在于：所述溢流管(2)、溢流罐(1)、回流管(9)上均设有用于防止燃料熔盐冻结的电加热器。
8.根据权利要求1所述的一种双流体熔盐快堆溢流罐系统，其特征在于：所述溢流管(2)、溢流罐(1)、回流管(9)、燃料回路主管道(4)形成一个燃料熔盐流动回路。
9.一种根据权利要求1—8任意一项所述双流体熔盐快堆溢流罐系统的控制方法，其特征在于：包括以下操作步骤，当工质温度升高，工质进入溢流管(2)中，溢流管(2)中工质液位不断上升，工质的膨胀将引起溢流管(2)的液位大于正常液位，当工质继续膨胀，则工质从溢流管(2)中溢出，进入溢流罐(1)；当工质恢复到正常温度后，在溢流罐系统运行中，若工质出现收缩，则溢流管(2)中的液位将低于正常液位值，触发熔盐回流阀(5)打开，燃料熔盐流入燃料回路主管道(4)，补偿燃料回路损失的工质，在补偿过程中，溢流罐(1)中燃料熔盐液面下降，降低至正常液面时关闭燃料回路控制阀(9)。
10.根据权利要求9所述的一种双流体熔盐快堆溢流罐系统的控制方法，其特征在于：还包括以下操作步骤，当工质温度降低时，工质收缩，液位计一(6)检测溢流管(2)中液位低于正常偏差液位，燃料回路控制阀(9)触发开启，溢流罐(1)中燃料熔盐流入燃料回路主管道(4)，补偿燃料回路工质的收缩量，液位计一(6)检测溢流管(2)中液面达到正常值时，燃料回路控制阀(9)触发关闭。
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