CN110959182A - 快中子反应堆中建立液态金属冷却剂自然循环的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核工程领域，可用于在快中子反应堆的散热器回路中建立液态金属冷却剂的自然循环。为在不使用泵设备的情况下建立循环驱动压力，并为在没有来自反应堆的传热的情况下提供散热器回路中液态金属冷却剂所需的自然循环方向，在液态金属冷却剂填充散热器回路的上升和下降部分管道和设备前，用电加热器对散热器回路上升和下降部分管道和设备分别预热至温度Т1和温度Т2，Т1和Т2从以下不等式条件选择：
Figure 490582DEST_PATH_IMAGE002
,在此算式中：ρ1(T1)–上升部分的管道和设备温度为Т1时，液态金属冷却剂的密度；ρ2(T2)–下降部分的管道和设备温度为Т2时，液态金属冷却剂的密度；
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAA
H1–上升部分出入口之间的高度差;
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAA
H2–下降部分出入口之间的高度差;
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAA
P–回路的流体阻力；g–重力加速度。启动冷却剂在回路中的循环和转变至自然循环状态同时进行，直到由于液态金属冷却剂在回路上升和下降部分的密度ρ1(T1)和ρ2(T2)的差值形成的循环动压使核反应堆达到额定运行参数为止。

Description

快中子反应堆中建立液态金属冷却剂自然循环的方法
技术领域
本发明属于核工程领域，可用于在快中子反应堆的散热器回路中建立液态金属冷却剂自然循环。
背景技术
与本发明最接近的是一种在快中子反应堆的散热器回路中建立液态金属冷却剂自然循环的方法，包括预热散热器回路上升和下降管道和设备并随后填充加热过的冷却剂，启动冷却剂在回路中的循环并转变至自然循环模式
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
已知方法如下。
散热器回路上升和下降部分的管道和设备在初始填充液态金属冷却剂前（或者在检修和维修后），温度接近环境温度。位于填充引流系统槽内的液态金属冷却剂被加热至约200-250℃的温度。因此，将加热后的液态金属冷却剂供应至散热器回路前，管道和设备需先加热至同样温度，以避免液态金属冷却剂过冷（“凝固”）。使用安装在散热器回路上升和下降部分管道和设备上的电加热器进行加热。接着将加热后的液态金属冷却剂注入散热器回路，直到达到用于补偿热膨胀的槽中的所需水平高度。以冷却剂填充回路的上升和下降部分后，利用泵启动回路内的强制循环。在核反应堆达到额定运行参数后，转而进入自然循环模式。
此已知方法的其中一个缺点是在反应堆达到额定功率之前，循环启动以及强制循环模式中使用的泵设备会导致回路中有额外的流体阻力。另一个缺点则是没有核反应堆传热的情况下无法从强制循环模式进入自然循环。
发明内容
本发明的目标是提供一种在快中子反应堆的散热器回路中建立液态金属冷却剂自然循环的方法，其中不存在强制循环模式，且散热器回路，包括在启动时，只在自然循环状态下并且在没有来自核反应堆的传热的情况下（即达到额定功率前）工作，这确保了核反应堆和整个反应堆单元的被动安全性。
本发明的技术效果是通过建立循环的驱动压力，以及在没有来自核反应堆的传热的情况下提供散热器回路中液态金属冷却剂所需的自然循环方向，以此来启动自然循环。另一个技术效果是，由于散热器回路中没有泵设备，流体阻力因此大幅减小。
已知的在快中子反应堆的散热器回路中建立液态金属冷却剂自然循环的方法，包含散热器回路上升和下降部分的管道和设备经电加热预热后，填充加热过的冷却剂；在回路中启动冷却剂循环；转变至自然循环模式。根据本发明，散热器回路上升和下降部分的管道和设备分别被预加热至温度Т1和温度Т2，以实现以上技术效果。Т1和Т2从以下不等式选择：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
,
其中：
ρ1(T1) – 上升部分的管道和设备温度为Т1 时，液态金属冷却剂的密度；
ρ2(T2) – 下降部分的管道和设备温度为Т2 时，液态金属冷却剂的密度；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
H1 – 上升部分出入口之间的高度差；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
H2 – 下降部分出入口之间的高度差；
Figure 566382DEST_PATH_IMAGE007
P – 回路的流体阻力；
g – 重力加速度，
启动冷却剂在回路中的循环和转变至自然循环模式同时进行，直到由于液态金属冷却剂在回路上升和下降部分的密度ρ1(T1)和ρ2(T2)的差使核反应堆达到额定运行参数为止。
所要求保护的基本特征的组合允许核反应堆散热器的自然循环的启动可在不连接主要热源的条件下进行，只需将上升和下降部分的管道和设备施以电加热至计算温度，也就是利用填充的冷却剂的温度差（密度差）。因此，核反应堆启动时，散热器回路已可在自然循环模式下工作并因此确保整个反应堆单元的被动安全性。与原型相较，此方法没有强制循环模式，有助提升核安全。
附图说明
本发明的要点可参见附图。图1是快中子反应堆散热器回路示意图，图2是在不用泵的情况下，自然循环的进程曲线图。
具体实施方式
散热器回路包含热源1，所述热源1可以是连接第一反应堆回路（未在附图中示出）或核反应堆（未在附图中示出）的热交换器。热源1的出口通过上升管道2和散热装置3的入口连接，所述散热装置3用作空气热交换机。沿上升管道2全长安装有分段式电加热器4。散热装置3的出口通过下降管道5和热源1连接，中间经过冷却剂热胀补偿槽6。沿下降管道5全长安装有和分段式电加热器4类似的分段式电加热器7。散热器回路通过带有阀10的引流管道9和填充引流系统槽8连接。热源1、散热装置3和冷却剂热胀补偿槽6都配有分段式电加热器（未在附图中示出）。为了极小化热损耗，散热器回路（管道2、5、9，热源1，散热装置3和冷却剂热胀补偿槽6）设置有隔热件（未在附图中示出）。
操作方法如下。
为建立液态金属冷却剂（在此使用钠）的自然循环，在研究用快中子反应堆的散热器回路中依序完成以下动作。开启分段式电加热器4和分段式电加热器7将散热器回路中上升和下降部分的管道和设备分别加热至计算温度T1=230℃和T2=210℃。同时电流调节器设定为可加热并维持温度，其中热源1的温度为230℃，上升管道2的温度为230℃，散热装置3的温度为210℃，下降管道5和冷却剂热胀补偿槽6的温度为210℃。接着依次进行散热器回路的真空处理和氩气填充，当散热器回路的气体环境达到需要的成分构成后，通过打开阀10，从填充引流系统槽8经引流管道9将温度为225℃的钠以2 m3/h的流速注入散热器回路。在启动模式，热源1没有热交换器的功能，只作为冷却剂通过的通道。当钠达到冷却剂热胀补偿槽6的所需水平高度时，关闭阀10。在冷却剂热胀补偿槽6中，气室内的压力上升至0.14兆帕。填充散热器回路的过程中，钠冷却剂接收来自回路管道壁和设备的温度，因此在所需方向上产生自然循环的驱动压力。如图2所示，在上升管道2壁初始温度Т1和下降管道5壁初始温度Т2的差产生的自然循环压力的影响下，钠的流速在150秒期间从0上升至3.76kg/s的稳定值，并维持不变。在自然循环的稳定状态下，散热装置3在下降部分入口处提供冷却剂必要的降温。钠在回路部件各出入口的温度如下：热源1入口—210℃，热源1出口—225℃，散热装置3入口—230℃，散热装置3出口—210℃。使用以下数据计算温度Т1和Т2：热源1出口高度—6.2米，散热装置3入口高度—11.1米，散热装置3出口高度—8.4米，热源1入口高度—6.9米，冷却剂在上升部分的密度ρ1(T1)—896 kg/m3，冷却剂在下降部分的密度ρ2(T2) —901 kg/m3，上升部分出入口高度差
Figure 559746DEST_PATH_IMAGE007
H1—4.9米，下降部分出入口高度差
Figure 251758DEST_PATH_IMAGE007
H2—1.5米，回路的流体阻力—1600 Pa。

Claims (1)

1.一种在快中子反应堆的散热器回路中建立液态金属冷却剂自然循环的方法，所述方法包括预热所述散热器回路上升和下降部分的管道和设备，并随后填充加热过的所述冷却剂，启动所述冷却剂在所述回路中的循环并转变至自然循环模式，其特征在于，所述散热器回路上升和下降部分的管道和设备通过电加热分别被预热至温度Т1和温度Т2，Т1和Т2从以下不等式条件选择：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
,
其中：
ρ1(T1) –所述上升部分的管道和设备温度为Т1 时，所述液态金属冷却剂的密度；
ρ2(T2) –所述下降部分的管道和设备温度为Т2 时，所述液态金属冷却剂的密度；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
H1–所述上升部分出入口之间的高度差；
Figure 423484DEST_PATH_IMAGE004
H2–所述下降部分出入口之间的高度差；
Figure 203222DEST_PATH_IMAGE004
P –所述回路的流体阻力；
g –重力加速度，
启动所述冷却剂在所述回路中的循环和转变至自然循环状态同时进行，直到由于所述液态金属冷却剂在所述回路上升和下降部分的密度ρ1(T1)和ρ2(T2)的差值使核反应堆达到额定运行参数为止。
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