CN109671510B - 熔盐球床堆中燃料球的装料方法及装料装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种熔盐球床堆中燃料球的装料方法及装料装置。该装料方法采用的装料装置包括进料管，进料管的内径大于dp且小于2dp，dp为燃料球的直径，进料管包括竖直设置的第一进料管，第一进料管设有第一进球口，进料管的底部还设有伸至熔盐球床堆堆芯中的第一出球口；该装料方法如下：将第一出球口置于堆芯中，第一出球口的底部距堆芯中熔盐液面的垂直距离L1满足特别限定范围，使燃料球逐个经第一进球口进入进料管，再经第一出球口进入堆芯即可。该装料方法，适用于熔盐冷却球床堆中燃料球的单列装料、且操作简单。该装料装置，结构简单，可靠性高，装料速率可控，适用于熔盐冷却球床堆中燃料球的单列装料。

Description

熔盐球床堆中燃料球的装料方法及装料装置
技术领域
本发明涉及一种熔盐球床堆中燃料球的装料方法及装料装置。
背景技术
熔盐球床堆在第四代核能系统熔盐堆基础上发展而来，其采用高温气冷堆球形燃料元件，具有可持续性、经济性、安全性、可靠性、防核扩散等特点。在反应堆中，燃料球在堆芯随机堆积形成球床，流动熔盐将热量带出堆芯。目前该堆型作为中科院战略性先导科技专项“未来先进核裂变能—钍基熔盐堆核能系统”的重点研究项目，具有很大的发展前景。
熔盐球床堆属于新概念反应堆，目前尚无可行的熔盐条件下的装料方法及装料装置。目前，发展较为成熟的高温气冷堆的球床采用堆芯上方进球的方式，使燃料球重力下落进入堆芯。而熔盐球床堆中，由于燃料球密度小于熔盐密度，故燃料球会浮在堆芯上部。在熔盐球床堆运行中，堆芯中充满熔盐，燃料球无法在重力作用下落入堆芯，不宜采用上方直接进球的方式，因此无法直接采用高温气冷堆的燃料球装料方式。
因此，开发一种新的装料方式及装料装置，以满足熔盐冷却球床堆中的装料需求，是目前亟须解决的问题。
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尚无可行的适用于熔盐球床堆的装料方法及装料装置以及采用高温气冷堆的上方进球方式不适用于熔盐球床堆的缺陷，而提供一种熔盐球床堆中燃料球的装料方法及装料装置。该装料方法，适用于熔盐冷却球床堆中燃料球的单列装料、且操作简单。该装料装置，结构简单，可靠性高，装料速率可控，适用于熔盐冷却球床堆中燃料球的单列装料。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：
本发明提供一种熔盐球床堆中燃料球的装料方法，所述装料方法采用的装料装置包括进料管，所述进料管的内径大于dp且小于2dp，dp为所述燃料球的直径，所述进料管包括竖直设置的第一进料管，所述第一进料管设有第一进球口，所述进料管的底部还设有伸至熔盐球床堆堆芯中的第一出球口；
所述装料方法包括如下步骤：
(1)将所述第一出球口置于所述堆芯中，所述第一出球口的底部距所述堆芯中熔盐液面的垂直距离L1为：
其中，L为所述第一出球口的底部至所述第一进球口的底部的垂直距离，ρp为所述燃料球的密度，ρf为所述熔盐的密度，且ρf＞ρp，x≥1；
(2)使燃料球逐个经所述第一进球口进入所述进料管，再经所述第一出球口进入所述堆芯，即可。
本发明中，限定L1在上述范围内，随着燃料球逐个进入进料管，在某一时刻，熔盐液面以下的进料管中全部填满燃料球，随后，每当一个燃料球落入进料管，第一出球口则会有一个燃料球受挤压而进入堆芯，从而实现装料。
本发明中，随着装料进行，液位升高，为实现顺利装料应当将L1保持在前述限定范围内。具体地，在实际操作中，随着燃料球的进入，液位升高，堆芯内部压力发生变化，压力传感器将压力信号传给堆芯体系控制柜，经变频泵调节熔盐液位，使之保持在前述限定的范围。
本发明中，较佳地，所述第一进料管的底部出口为所述第一出球口。该方案在使用过程中，第一进料管从堆芯的顶部插入熔盐中。
本发明中，较佳地，所述进料管还包括位于所述第一进料管下方的呈凹弧形的过渡管，所述过渡管的曲率半径大于所述燃料球的直径，所述过渡管的一端与所述第一进料管的底部相连通，所述过渡管的另一端从所述堆芯的侧壁伸至所述堆芯中，此时，所述过渡管的另一端即为所述第一出球口。该方案在使用过程中，第一进料管位于熔盐球床堆的外部，而第二进料管的第一出球口经堆芯的侧壁伸至堆芯中，用于向堆芯中排放燃料球。
其中，较佳地，所述进料管还包括水平设置的第二进料管，所述过渡管用于衔接所述第一进料管和所述第二进料管，此时，所述第二进料管远离所述过渡管的一端即为所述第一出球口。所述过渡管的曲率半径，例如可为80cm，该曲率半径能使燃料球更佳顺利地进入堆芯中。更佳地，所述第一出球口伸至堆芯底部中心区域。
本发明中，可在所述进料管的底部设置多个出球口以加快装料速率，也可从所述进料管上引出多个出球口、且该出球口可引至堆芯中的不同位置以使燃料球更有效地填充堆芯。
本发明中，较佳地，x≥2，例如可为3或4。当x≥2时，能够更顺利地实现装料。
本发明还提供一种熔盐球床堆中燃料球的装料装置，所述装料装置包括前述进料管和进球控制机构；所述进球控制机构包括转盘和围板；所述转盘的外缘环设有若干凹槽，每一所述凹槽仅能容纳单个的所述燃料球；所述围板环设于所述转盘的外缘外，形成与所述转盘同轴的环形闭合结构；所述围板设有第二进球口和第二出球口，所述第二进球口和所述第二出球口的内径均大于dp且小于2dp，且所述第二出球口与所述第一进球口相连通；当所述转盘转动时，位于所述第二进球口下方的所述凹槽用于容纳所述燃料球，直至将所述燃料球从所述第二出球口排出；所述围板用于，在所述燃料球从所述第二进球口进入直至从所述第二出球口排出的过程中，固定所述燃料球。
本发明中，所述第二进球口的内径大于dp且小于2dp，故燃料球只能单个进入转盘；当转盘转动时，第一个燃料球经第二进球口进入其下方的空置的凹槽中，转盘继续转动，第二个燃料球经第二进球口进入其下方空置的凹槽中，后续的燃料球均是如此进入其下方空置的凹槽中；转盘继续转动，当容纳第一个燃料球的凹槽位于第二出球口处时，第一个燃料球即在重力的作用下通过第二出球口排出并进入进料管中，随后，容纳第二个燃料球的凹槽位于第二出球口处时，第二个燃料球即通过第二出球口排出并经第一进球口进入进料管中，后续的燃料球均是如此进入进料管中。随着燃料球逐个进入进料管，在某一时刻，熔盐液面以下的进料管中全部填满燃料球，随后，每当一个燃料球落入进料管，第一出球口则会有一个燃料球受挤压而进入堆芯，从而实现装料。
本发明中，较佳地，所述第二进球口的底部至所述凹槽的底部的距离为1.05dp-1.2dp。
本发明中，较佳地，所述第二进球口设于所述围板的顶部，所述第二出球口设于所述围板的底部。
本发明中，所述第二出球口与所述第一进球口可直接连通。较佳地，所述第二出球口与所述第一进球口之间经竖直设置的落球管相连通。在实际使用过程中，进料管中的液位会有所波动，当进料管中熔盐的液位高于堆芯中熔盐液位时，设置一段长度的落球管，给予燃料球一定的落球空间，这样就能够更顺利地装料。落球管越长，装料速率越快，装料越顺利。
本发明中，所述凹槽可为仅上方开口的凹槽，也可为三面开口的凹槽。当所述凹槽为三面开口的凹槽时，所述围板的两个侧面分别设有第一挡板和第二挡板，所述第一挡板和所述第二挡板用于挡住所述凹槽中的燃料球以使其在所述转盘的转动过程中处于所述凹槽内。
本发明中，装料速率取决于转盘的转速、凹槽的数量、落球管长度。在液位一定情况下，落球管长度越长，落球空间越大，每分钟可实现几百个燃料球的装料，堆芯几小时内即可装满。
本发明中，所述凹槽沿所述转盘的外缘均匀分布，例如可为12个。
本发明中，较佳地，所述装料装置还包括转盘电机，所述转盘电机通过转盘轴承用于控制所述转盘的转速。
本发明中，较佳地，所述装料装置还设有储球罐，所述储球罐设有第三出球口，所述第三出球口与所述第二进球口通过一竖直管连通。
其中，较佳地，所述竖直管的内径大于dp且小于2dp，用于实现单列进球。一般来说，所述竖直管的高度可根据装料速率进行调节，装料速率越大，竖直管的高度越大。
其中，较佳地，所述储球罐内设有搅拌叶片，所述搅拌叶片设于搅拌杆上，所述搅拌杆与搅拌电机相连，所述搅拌电机用于控制所述搅拌杆的转动，所述搅拌电机的频率例如可为500Hz。
其中，较佳地，所述储球罐的底部向所述第三出球口倾斜,所述储球罐的底部与水平面形成的夹角可为15°。上述技术方案，可以给燃料球提供动能，确保燃料球逐个进入进球控制机构。
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：本发明提供一种熔盐球床堆中燃料球的装料方法及装料装置。该装料方法，适用于熔盐冷却球床堆中燃料球的单列装料、且操作简单。该装料装置，结构简单，可靠性高，装料速率可控，适用于熔盐冷却球床堆中燃料球的单列装料。
附图说明
图1和图2是本发明实施例1的装料装置的立体图。
附图标注
进料管 10
第一进料管 11
第二进料管 12
过渡管 13
第一进球口 14
第一出球口 15
进球控制机构 20
转盘 21
围板 22 第二进球口 221 第二出球口 222
转盘电机 23
转盘轴承 24
落球管 30
储球罐 40 搅拌电机 41 搅拌杆 42
竖直管 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、装料装置
如图1和2所示的装料装置，是一个模拟装料装置，采用水和塑料球分别模拟熔盐和燃料球，通过流体中球体受力分析进行了装置结构和实验参数的等效，可以完全模拟停堆装料过程，塑料球直径为3cm，塑料球的密度与水的密度比值为0.84。
该装料装置包括进料管10和进球控制机构20；
该进料管10的内径为4cm，其包括竖直设置的第一进料管11、水平设置的第二进料管12、衔接该第一进料管11和该第二进料管12的过渡管13，该过渡管13的曲率半径为80cm，该第二进料管12远离该过渡管13的一端即为第一出球口15，该第一出球口15伸至堆芯底部中心区域；
该进球控制机构20还包括转盘21、围板22、转盘电机23，该转盘电机23通过转盘轴承24用于控制该转盘21的转速；
其中，该转盘21的外缘环设有12个均匀分布的凹槽，每一凹槽仅能容纳单个的塑料球，该凹槽为三面开口的凹槽，该围板22的两个侧面分别设有第一挡板和第二挡板，该第一挡板和第二挡板用于挡住凹槽中的塑料球以使其在转盘21的转动过程中处于凹槽内；
其中，该围板22环设于转盘21的外缘外，形成与转盘21同轴的环形闭合结构；该围板22设有第二进球口221和第二出球口222，该第二进球口221和第二出球口222的内径均为4cm，该第二进球口221设于围板22的顶部，且该第二进球口221的底部至凹槽的底部的距离为1.05dp-1.2dp，该第二出球口222设于围板22的底部，且该第二出球口222与第一进球口14之间经竖直设置的落球管30相连通；
当转盘21转动时，位于第二进球口221下方的凹槽用于容纳塑料球，直至将塑料球从第二出球口222排出；围板22用于，在塑料球从第二进球口221进入直至从第二出球口222排出的过程中，固定塑料球；
该装料装置还设有储球罐40，该储球罐40设有第三出球口，且第三出球口与第二进球口221通过一竖直管50连通，此外，该储球罐40的底部向第三出球口倾斜，且该储球罐40的底部与水平面形成的夹角为15°；
该储球罐40内还设有搅拌叶片，该搅拌叶片设于搅拌杆42上，该搅拌杆42与搅拌电机41相连，该搅拌电机41用于控制搅拌杆42的转动，该搅拌电机41的频率为500Hz。
2、装料方法
(1)先将第二进料管12的第一出球口15经堆芯的侧壁伸至堆芯中，用于向堆芯中排放塑料球；
(2)第一出球口的底部至第一进球口的底部的垂直距离为307cm，调节第一出球口的底部距堆芯中液面的垂直距离L1为195cm，满足
(3)设定装料速率，开启搅拌电机41和转盘电机23即可。
关于装料速率需要说明的是，装料速率与转盘电机23的转速呈正比，对于该实施例中所用的装料装置，转盘电机23的频率为500Hz，转盘21转一圈，对应的装料速率为12个/min，通过逻辑控制系统设计，对转盘电机23的转速的调节，即可实现装料速率的调节。
开启搅拌电机41后，搅拌电机41带动搅拌杆42及下方的搅拌叶片转动，使得塑料球经第三出球口进入竖直管50，并经第二进球口221进入转盘21，当转盘21转动时，第一个塑料球经第二进球口221进入其下方的空置的凹槽中，转盘21继续转动，第二个塑料球经第二进球口221进入其下方空置的凹槽中，后续的塑料球均是如此进入其下方空置的凹槽中；转盘21继续转动，当容纳第一个塑料球的凹槽位于第二出球口222处时，第一个塑料球即在重力的作用下通过第二出球口222排出并经落球管30进入进料管10中，随后，容纳第二个塑料球的凹槽位于第二出球口222处时，第二个塑料球即通过第二出球口222排出并经落球管30进入进料管10中，后续的塑料球均是如此进入进料管10中。随着塑料球逐个进入进料管10，在某一时刻，熔盐液面以下的进料管10中全部填满塑料球，随后，每当一个塑料球落入进料管10，第一出球口15则会有一个塑料球受挤压而进入堆芯中，从而实现装料。
在装料过程中，始终限定L1在上述范围内，随着装料进行，液位升高，堆芯内部压力发生变化，压力传感器将压力信号传给堆芯体系控制柜，经变频泵调节熔盐液位，使之保持在前述限定的范围。
3、技术效果：设定装料速率20个/min以下，该方法均能实现顺利装料。
由此可知，本发明的装料方法及装料装置用于熔盐球床堆的装料，运行良好，且装料速率可控。

Claims (8)

1.一种熔盐球床堆中燃料球的装料方法，其特征在于，所述装料方法采用的装料装置包括进料管，所述进料管的内径大于dp且小于2dp，dp为所述燃料球的直径，所述进料管包括竖直设置的第一进料管，所述第一进料管设有第一进球口，所述进料管的底部还设有伸至熔盐球床堆堆芯中的第一出球口；随着燃料球逐个进入所述进料管，在某一时刻，熔盐液面以下的所述进料管中全部填满所述燃料球，随后，每当一个所述燃料球落入所述进料管，所述第一出球口则会有一个所述燃料球受挤压而进入堆芯，从而实现装料；
所述进料管还包括位于所述第一进料管下方的呈凹弧形的过渡管，所述过渡管的曲率半径大于所述燃料球的直径，所述过渡管的一端与所述第一进料管的底部相连通，所述过渡管的另一端从所述堆芯的侧壁伸至所述堆芯中，所述进料管还包括水平设置的第二进料管，所述过渡管用于衔接所述第一进料管和所述第二进料管，此时，所述第二进料管远离所述过渡管的一端即为所述第一出球口；
所述装料方法包括如下步骤：
(1)将所述第一出球口置于所述堆芯中，所述第一出球口的底部距所述堆芯中熔盐液面的垂直距离L1为：
其中，L为所述第一出球口的底部至所述第一进球口的底部的垂直距离，ρp为所述燃料球的密度，ρf为所述熔盐的密度，且ρf>ρp，x≥1；
(2)使燃料球逐个经所述第一进球口进入所述进料管，再经所述第一出球口进入所述堆芯，即可。
2.如权利要求1所述的熔盐球床堆中燃料球的装料方法，其特征在于，x≥2。
3.如权利要求2所述的熔盐球床堆中燃料球的装料方法，其特征在于，3≤x≤4。
4.一种熔盐球床堆中燃料球的装料装置，其特征在于，所述装料装置包括进料管和进球控制机构；
所述进料管的内径大于dp且小于2dp，dp为所述燃料球的直径，所述进料管包括竖直设置的第一进料管，所述第一进料管设有第一进球口，所述进料管的底部还设有伸至熔盐球床堆堆芯中的第一出球口；随着燃料球逐个进入所述进料管，在某一时刻，熔盐液面以下的所述进料管中全部填满所述燃料球，随后，每当一个所述燃料球落入所述进料管，所述第一出球口则会有一个所述燃料球受挤压而进入堆芯，从而实现装料；
所述进料管还包括位于所述第一进料管下方的呈凹弧形的过渡管，所述过渡管的曲率半径大于所述燃料球的直径，所述过渡管的一端与所述第一进料管的底部相连通，所述过渡管的另一端从所述堆芯的侧壁伸至所述堆芯中，所述进料管还包括水平设置的第二进料管，所述过渡管用于衔接所述第一进料管和所述第二进料管，此时，所述第二进料管远离所述过渡管的一端即为所述第一出球口；
所述进球控制机构包括转盘和围板；所述转盘的外缘环设有若干凹槽，每一所述凹槽仅能容纳单个的所述燃料球；所述围板环设于所述转盘的外缘外，形成与所述转盘同轴的环形闭合结构；所述围板设有第二进球口和第二出球口，所述第二进球口和所述第二出球口的内径均大于dp且小于2dp，且所述第二出球口与所述第一进球口相连通；当所述转盘转动时，位于所述第二进球口下方的所述凹槽用于容纳所述燃料球，直至将所述燃料球从所述第二出球口排出；所述围板用于，在所述燃料球从所述第二进球口进入直至从所述第二出球口排出的过程中，固定所述燃料球；
所述第二进球口设于所述围板的顶部，所述第二出球口设于所述围板的底部；所述第二出球口与所述第一进球口之间经竖直设置的落球管相连通。
5.如权利要求4所述的熔盐球床堆中燃料球的装料装置，其特征在于，所述第二进球口的底部至所述凹槽的底部的距离为1.05dp-1.2dp。
6.如权利要求4所述的熔盐球床堆中燃料球的装料装置，其特征在于，所述凹槽为仅上方开口的凹槽或者为三面开口的凹槽；当所述凹槽为三面开口的凹槽时，所述围板的两个侧面分别设有第一挡板和第二挡板，所述第一挡板和所述第二挡板用于挡住所述凹槽中的燃料球以使其在所述转盘的转动过程中处于所述凹槽内。
7.如权利要求4所述的熔盐球床堆中燃料球的装料装置，其特征在于，所述装料装置还包括转盘电机，所述转盘电机通过转盘轴承用于控制所述转盘的转速；
或者，所述装料装置还设有储球罐，所述储球罐设有第三出球口，所述第三出球口与所述第二进球口通过一竖直管连通。
8.如权利要求7所述的熔盐球床堆中燃料球的装料装置，其特征在于，所述竖直管的内径大于dp且小于2dp；
和/或，所述储球罐内设有搅拌叶片，所述搅拌叶片设于搅拌杆上，所述搅拌杆与搅拌电机相连，所述搅拌电机用于控制所述搅拌杆的转动；
和/或，所述储球罐的底部向所述第三出球口倾斜。
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