CN113130096A - 一种用于车载运输的液态金属反应堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车载运输的液态金属反应堆，液态金属反应堆包括内层容器、并排独立布置的设备池和堆芯池，所述设备池和堆芯池上端连通且其上端设有顶盖，所述内层容器分别安装在所述设备池和堆芯池内，所述内层容器与所述设备池之间预留有第一隔腔，所述内层容器与所述堆芯池之间预留有第二隔腔，并将所述设备池和堆芯池上端的连通腔分隔成上腔体和下腔体；位于所述堆芯池中的内层容器上安装有堆芯，位于所述设备池中的内层容器上安装有主泵和换热器。本发明将堆芯和主设备分别布置在堆芯池和设备池中，使堆芯和主设备分开布置，采用连通腔将堆芯池和设备池连通，以长度换宽度，显著降低容器直径，方便车辆装载运输。

Description

一种用于车载运输的液态金属反应堆
技术领域
本发明涉及核反应堆、先进核能发电与能量综合利用技术领域，具体涉及一种用于车载运输的液态金属反应堆。
背景技术
公路运输受道路限制，一般采用集装箱装载反应堆，但集装箱的宽度有限，堆容器直径不宜做的太大，但集装箱的长度较为充裕，未能充分利用。
传统反应堆分为池式与回路两种布置方式，传统压水反应堆的堆芯与主回路设备之间采用管道连接，但管道易产生破损，存在冷却剂损失的风险。液态重金属堆由于难以补充冷却剂，多采用池式一体化布局，虽然避免了管道破裂，冷却剂丧失风险，但众多设备集成在容器池内，导致容器直径过大，设备都集中在堆芯周围，设备活化严重，放射性大，不利于车载运输，特别是对于标准公路运输。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于车载运输的液态金属反应堆。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于车载运输的液态金属反应堆，包括内层容器、并排独立布置的设备池和堆芯池，所述设备池和堆芯池上端连通且其上端设有顶盖，所述内层容器分别安装在所述设备池和堆芯池内，所述内层容器与所述设备池之间预留有第一隔腔，所述内层容器与所述堆芯池之间预留有第二隔腔，并将所述设备池和堆芯池上端的连通腔分隔成上腔体和下腔体；位于所述堆芯池中的内层容器中安装有堆芯，位于所述设备池中的内层容器上安装有主泵和换热器；所述堆芯池与所述设备池之间设有屏蔽体。屏蔽体为中子屏蔽材料填充，包括但不限于硼化水、含硼聚乙烯、碳化硼、石墨等材料。
本发明的有益效果是：本发明将堆芯和主设备分别布置在堆芯池和设备池中，使堆芯和主设备分开布置，采用连通腔将堆芯池和设备池连通，使冷却剂可以利用上腔体和下腔体在堆芯池和设备池中形成池内循环回路，以长度换宽度，显著降低容器直径，方便车辆装载运输。可以有效解决反应堆车载运输尺寸大、质量重的难题，同时还能确保反应堆安全性。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述内层容器包括堆芯筒体、设备筒体和上板，所述堆芯筒体和设备筒体分别连接在所述上板上，所述上板周侧固定在所述设备池和堆芯池上端连通腔的内侧壁上，所述上板将所述连通腔分隔成所述上腔体和下腔体；所述堆芯安装在所述堆芯筒体内，所述主泵和换热器安装在所述设备筒体内。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用堆芯筒体、设备筒体和上板，使内层容器为一个整体安装在设备池和堆芯池中，采用上板将连通腔分隔成上腔体和下腔体，在不增加管道的前提下，实现了双池之间冷却剂的流动循环，提高了反应堆的安全性能。
进一步，所述上板覆设在所述设备筒体上端，所述换热器贯穿设置在上板上且一端位于所述设备筒体内，所述主泵贯穿设置在所述上板和所述设备筒体的底板上，并将经过热交换的冷却剂通过第一隔腔通过下腔体泵入到第二隔腔中循环。
采用上述进一步方案的有益效果是：换热器可将经过堆芯加热的冷却剂交换热量后，流入到设备筒体内，再经过设备筒体内的主泵加压后打入设备池中，再经过下腔体流入到堆芯池中，重新循环。
进一步，所述设备筒体内设有换热器支承，所述换热器支承为上端敞口的筒体结构，所述上板开设有换热器支承连接孔和主泵连接孔，所述换热器支承上端连接在所述换热器支承连接孔上，所述换热器贯穿所述换热器支承的底壁布置，所述主泵贯穿所述主泵连接孔以及所述设备筒体的底板布置。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用设备筒体上辐射的上板将设备筒体与流通腔分隔开，上流通腔内为未经过热交换的冷却剂，采用换热器支承可以为冷却剂提供有效的流通面积等，便于未经过热交换的冷却剂汇流进入到换热器中进行热交换；将主泵安装在上板上，使主泵在设备筒体内工作，便于将设备筒体内经过热交换的冷却剂直接泵入到第一隔腔中。
进一步，所述设备筒体底壁上安装有主泵支承，所述主泵下端连接在所述主泵支承上。
采用上述进一步方案的有益效果是：主泵支承可以为主泵提供有效支撑。
进一步，还包括多个冷凝换热器，所述冷凝换热器贯穿所述内层容器并布置在所述堆芯池和所述内层容器之间，多个所述冷凝换热器环绕布置在所述堆芯四周。
采用上述进一步方案的有益效果是：在事故状态下，换热器无法工作，可利用冷凝换热器对堆芯余热进行导出；冷凝换热器的管束为弧形截面，并围绕堆芯布置，冷凝换热器换热功率不小于堆芯停堆衰变热效率，换热功率大于满堆功率的5％。
进一步，所述堆芯上端贯穿所述顶盖布置并连接有控制棒驱动机构；所述堆芯上表面不高于所述堆芯池上端。
进一步，所述连通腔的截面为跑道形结构，所述堆芯池和设备池分别位于所述跑道形结构的两个半圆形结构内。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用跑道形结构的连通腔，堆芯池和设备池均采用圆筒形容器，堆芯池和设备池的筒体中心线与连通腔跑道形结构容器的两个半圆同轴，且堆芯池、设备池的筒体直径小于连通池两个半圆的直径。
附图说明
图1为本发明用于车载运输的液态金属反应堆的俯视结构示意图；
图2为图1中A-A剖面结构示意图；
图3为本发明内层容器的剖面结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、内层容器；11、连通腔；12、堆芯筒体；13、设备筒体；14、上板；15、换热器支承；16、主泵支承；17、上腔体；18、下腔体；19、主泵连接孔；
2、设备池；21、第一隔腔；
3、堆芯池；31、第二隔腔；
4、顶盖；5、堆芯；51、控制棒驱动机构；6、换热器；7、主泵；8、冷凝换热器；9、屏蔽体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1-图3所示，本实施例的一种用于车载运输的液态金属反应堆，包括内层容器1、并排独立布置的设备池2和堆芯池3，所述设备池2和堆芯池3上端连通且其上端设有顶盖4，所述内层容器1分别安装在所述设备池2和堆芯池3内，所述内层容器1与所述设备池2之间预留有第一隔腔21，所述内层容器1与所述堆芯池3之间预留有第二隔腔31，并将所述设备池2和堆芯池3上端的连通腔11分隔成上腔体17和下腔体18；位于所述堆芯池3中的内层容器1中安装有堆芯5，堆芯5装在内层容器内，位于所述设备池2中的内层容器1上安装有主泵7和换热器6；所述堆芯池3与所述设备池2之间设有屏蔽体9。换热器6和主泵7采用法兰支承在堆顶盖4，所述连通腔11上端法兰连接在堆顶盖4。
本实施例一体化用于车载运输的液态金属反应堆的工作原理为，反应堆采用液态铅铋共晶合金作为冷却剂，利用堆芯对冷却剂进行加热后，上腔体为热的冷却剂从堆芯池流动到设备池的通道，下腔体为冷的冷却剂从设备池流动到堆芯池的通道，热的冷却剂进入换热器进行热交换后进入到设备池的内层容器中，然后主泵再将内层容器中经过热交换的冷却剂打入到第一隔腔21中，冷的冷却剂从第一隔腔通过下腔体流入到第二隔腔中，再次经过堆芯加热循环。
反应堆工作状态分为运行状态、停堆状态和运输状态。
运行状态：0～100％功率运行，冷却剂从堆芯加热后，通过连通腔的上腔体进入换热器交换热量后，流入设备筒体内；经过主泵加压后打入设备池，并经过连通腔的下腔体段流入堆芯池，重新循环；屏蔽体内充满硼化水。
停堆状态：停堆初期，堆芯衰变热功率约为满功率的5％，落下反应性控制机构，吸收反应堆中子，使反应不能达到临界状态，反应堆慢慢“熄火”，保持主泵以及换热器低流量运行，维持冷却剂在堆芯池和设备池低速流动，用换热器带走停堆初期衰变热。
运输状态：停堆功率1个月后，衰变热降至1％以下，冷却剂在堆芯池和设备池之间不再有液态铅铋冷却剂流动，排空设备池冷却剂，降低运输质量；打开冷凝换热器，冷凝堆芯周围液态铅铋；屏蔽体内硼化水排出，装置转移到车厢内运输。
本实施例的用于车载运输的液态金属反应堆为适用于车载运输的超小型用于车载运输的液态金属反应堆，将堆芯和主设备分别布置在堆芯池和设备池中，提出了一种堆芯、主设备双池布置，使堆芯和主设备分开布置，采用连通腔将堆芯池和设备池连通，使冷却剂可以利用上腔体和下腔体在堆芯池和设备池中形成池内循环回路，以长度换宽度，显著降低容器直径，方便车辆装载运输。可以有效解决反应堆车载运输尺寸大、质量重的难题，同时还能确保反应堆安全性。本实施例采用池式结构的用于车载运输的液态金属反应堆，可以实现堆容器直径小型化以及反应堆减重，能够广泛应用于车载运输反应堆，同时对其他反应堆小型化、轻量化设计具有参考价值。
实施例2
如图1-图3所示，本实施例的一种用于车载运输的液态金属反应堆，包括内层容器1、并排独立布置的设备池2和堆芯池3，所述设备池2和堆芯池3上端连通且其上端设有顶盖4，所述内层容器1分别安装在所述设备池2和堆芯池3内，所述内层容器1与所述设备池2之间预留有第一隔腔21，所述内层容器1与所述堆芯池3之间预留有第二隔腔31，并将所述设备池2和堆芯池3上端的连通腔11分隔成上腔体17和下腔体18；位于所述堆芯池3中的内层容器1中安装有堆芯5，堆芯5装在内层容器内，位于所述设备池2中的内层容器1上安装有主泵7和换热器6；所述堆芯池3与所述设备池2之间设有屏蔽体9。换热器6和主泵7采用法兰支承在堆顶盖4，所述连通腔11上端法兰连接在堆顶盖4。
如图2和图3所示，本实施例的所述内层容器1包括堆芯筒体12、设备筒体13和上板14，所述堆芯筒体12和设备筒体13分别连接在所述上板14上，所述上板14周侧固定在所述设备池2和堆芯池3上端连通腔11的内侧壁上，所述上板14将所述连通腔11分隔成所述上腔体17和下腔体18，上腔体17为冷却剂从堆芯池3流动到设备池2的通道，下腔体18为冷却剂从设备池2流动到堆芯池3的通道；所述堆芯5安装在所述堆芯筒体12内，所述主泵7和换热器6安装在所述设备筒体13内。本实施例的上板14与连通腔11形状相适配，其周侧与连通腔11内侧壁焊接或通过螺栓进行连接。采用堆芯筒体、设备筒体和上板，使内层容器为一个整体安装在设备池和堆芯池中，采用上板将连通腔分隔成上腔体和下腔体，在不增加管道的前提下，实现了双池之间冷却剂的流动循环，提高了反应堆的安全性能。
如图2和图3所示，本实施例的所述上板14覆设在所述设备筒体13上端，所述换热器6贯穿设置在上板14上且一端位于所述设备筒体13内，所述主泵7贯穿设置在所述上板14和所述设备筒体13的底板上，并将经过热交换的冷却剂通过第一隔腔21通过下腔体18泵入到第二隔腔31中循环。换热器可将经过堆芯加热的冷却剂交换热量后，流入到设备筒体内，再经过设备筒体内的主泵加压后打入设备池中，再经过下腔体流入到堆芯池中，重新循环。
如图2和图3所示，本实施例的所述设备筒体13内设有换热器支承15，所述换热器支承15为上端敞口的筒体结构，所述上板14开设有换热器支承连接孔和主泵连接孔19，所述换热器支承15上端连接在所述换热器支承连接孔上，所述换热器6贯穿所述换热器支承15的底壁布置，所述主泵19贯穿所述主泵连接孔19以及所述设备筒体13的底板布置。利用设备筒体上辐射的上板将设备筒体与流通腔分隔开，上流通腔内为未经过热交换的冷却剂，采用换热器支承可以为冷却剂提供有效的流通面积等，便于未经过热交换的冷却剂汇流进入到换热器中进行热交换；将主泵安装在上板上，使主泵在设备筒体内工作，便于将设备筒体内经过热交换的冷却剂直接泵入到第一隔腔中。
如图2和图3所示，本实施例的所述设备筒体13底壁上安装有主泵支承16，所述主泵7下端连接在所述主泵支承16上。主泵支承可以为主泵提供有效支撑。
如图2和图3所示，本实施例的一个可选方案为，用于车载运输的液态金属反应堆还包括多个冷凝换热器8，所述冷凝换热器8贯穿所述内层容器1并布置在所述堆芯池3和所述内层容器1之间，多个所述冷凝换热器8环绕布置在所述堆芯5四周。具体如图1所示，可设置两个冷凝换热器8，两个冷凝换热器8的管束为弧形截面，两个冷凝换热器8围设在堆芯5的四周，冷凝换热器的换热功率不小于堆芯停堆衰变热功率，换热功率大于堆满功率的5％。冷凝换热器8焊接支承在堆顶盖4。在事故状态下，换热器无法工作，可利用冷凝换热器对堆芯余热进行导出；冷凝换热器的管束为弧形截面，并围绕堆芯布置，冷凝换热器换热功率不小于堆芯停堆衰变热效率，换热功率大于满堆功率的5％。
如图2和图3所示，本实施例的用于车载运输的液态金属反应堆的堆芯5上端贯穿所述顶盖4布置并连接有控制棒驱动机构51，控制棒驱动机构51焊接支承在堆顶盖4，可以调整堆芯功率，保证堆芯反应性能的安全以及运行过程中补偿燃耗；所述堆芯5上表面不高于所述堆芯池3上端，即堆芯5上表面在连通腔11以下；所述堆芯池3与所述设备池2之间设有屏蔽体9，避免堆芯对设备活化。堆芯池3和设备池2上部通过连通腔11进行连通，下部并不连通，并通过屏蔽体9进行屏蔽，使设备池2和堆芯池3相互独立，一旦其中一个发生事故，不影响另一个，例如当设备池发生冷却剂泄漏时，堆芯池3仍然使堆芯时刻侵入冷却剂中。屏蔽体为中子屏蔽材料填充，包括但不限于硼化水、含硼聚乙烯、碳化硼、石墨等材料。
其中如图1所示，本实施例的所述连通腔11的截面为跑道形结构，所述堆芯池3和设备池2分别位于所述跑道形结构的两个半圆形结构内。采用跑道形结构的连通腔，堆芯池和设备池均采用圆筒形容器，堆芯池和设备池的筒体中心线与连通腔跑道形结构容器的两个半圆同轴，且堆芯池、设备池的筒体直径小于连通池两个半圆的直径。
本实施例一体化用于车载运输的液态金属反应堆的工作原理为，反应堆采用液态铅铋共晶合金作为冷却剂，利用堆芯对冷却剂进行加热后，上腔体为热的冷却剂从堆芯池流动到设备池的通道，下腔体为冷的冷却剂从设备池流动到堆芯池的通道，热的冷却剂进入换热器进行热交换后进入到设备池的设备筒体中，然后主泵再将设备筒体中经过热交换的冷的冷却剂打入到第一隔腔中，冷的冷却剂从第一隔腔通过下腔体流入到第二隔腔中，再次经过堆芯筒体中的堆芯加热循环。
反应堆工作状态分为运行状态、停堆状态和运输状态。
运行状态：0～100％功率运行，冷却剂从堆芯加热后，通过连通腔的上腔体进入换热器交换热量后，流入设备筒体内；经过主泵加压后打入设备池，并经过连通腔的下腔体段流入堆芯池，重新循环；屏蔽体内充满硼化水。
停堆状态：停堆初期，堆芯衰变热功率约为满功率的5％，落下反应性控制机构，吸收反应堆中子，使反应不能达到临界状态，反应堆慢慢熄火，保持主泵以及换热器低流量运行，维持冷却剂在堆芯池和设备池低速流动，用换热器带走停堆初期衰变热。
运输状态：停堆功率1个月后，衰变热降至1％以下，冷却剂在堆芯池和设备池之间不再有液态铅铋冷却剂流动，排空设备池冷却剂，降低运输质量；打开冷凝换热器，冷凝堆芯周围液态铅铋；屏蔽体内充满硼化水排出，转移到车厢内运输。
本实施例的用于车载运输的液态金属反应堆为适用于车载运输的超小型用于车载运输的液态金属反应堆，将堆芯和主设备分别布置在堆芯池和设备池中，提出了一种堆芯、主设备双池布置，使堆芯和主设备分开布置，采用连通腔将堆芯池和设备池连通，使冷却剂可以利用上腔体和下腔体在堆芯池和设备池中形成池内循环回路，以长度换宽度，显著降低容器直径，方便车辆装载运输。可以有效解决反应堆车载运输尺寸大、质量重的难题，同时还能确保反应堆安全性。本实施例采用池式结构的用于车载运输的液态金属反应堆，可以实现堆容器直径小型化以及反应堆减重，能够广泛应用于车载运输反应堆，同时对其他反应堆小型化、轻量化设计具有参考价值。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种用于车载运输的液态金属反应堆，其特征在于，包括内层容器、并排独立布置的设备池和堆芯池，所述设备池和堆芯池上端连通且其上端设有顶盖，所述内层容器分别安装在所述设备池和堆芯池内，所述内层容器与所述设备池之间预留有第一隔腔，所述内层容器与所述堆芯池之间预留有第二隔腔，并将所述设备池和堆芯池上端的连通腔分隔成上腔体和下腔体；位于所述堆芯池中的内层容器中安装有堆芯，位于所述设备池中的内层容器上安装有主泵和换热器；所述堆芯池与所述设备池之间设有屏蔽体。
2.根据权利要求1所述一种用于车载运输的液态金属反应堆，其特征在于，所述内层容器包括堆芯筒体、设备筒体和上板，所述堆芯筒体和设备筒体分别连接在所述上板上，所述上板周侧固定在所述设备池和堆芯池上端连通腔的内侧壁上，所述上板将所述连通腔分隔成所述上腔体和下腔体；所述堆芯安装在所述堆芯筒体内，所述主泵和换热器安装在所述设备筒体内。
3.根据权利要求2所述一种用于车载运输的液态金属反应堆，其特征在于，所述上板覆设在所述设备筒体上端，所述换热器贯穿设置在上板上且一端位于所述设备筒体内，所述主泵贯穿设置在所述上板和所述设备筒体的底板上，并将经过热交换的冷却剂通过第一隔腔通过下腔体泵入到第二隔腔中循环。
4.根据权利要求3所述一种用于车载运输的液态金属反应堆，其特征在于，所述设备筒体内设有换热器支承，所述换热器支承为上端敞口的筒体结构，所述上板开设有换热器支承连接孔和主泵连接孔，所述换热器支承上端连接在所述换热器支承连接孔上，所述换热器贯穿所述换热器支承的底壁布置，所述主泵贯穿所述主泵连接孔以及所述设备筒体的底板布置。
5.根据权利要求3所述一种用于车载运输的液态金属反应堆，其特征在于，所述设备筒体底壁上安装有主泵支承，所述主泵下端连接在所述主泵支承上。
6.根据权利要求1至5任一项所述一种用于车载运输的液态金属反应堆，其特征在于，还包括多个冷凝换热器，所述冷凝换热器贯穿所述内层容器并布置在所述堆芯池和所述内层容器之间，多个所述冷凝换热器环绕布置在所述堆芯四周。
7.根据权利要求1至5任一项所述一种用于车载运输的液态金属反应堆，其特征在于，所述堆芯上端贯穿所述顶盖布置并连接有控制棒驱动机构；所述堆芯上表面不高于所述堆芯池上端。
8.根据权利要求1至5任一项所述一种用于车载运输的液态金属反应堆，其特征在于，所述连通腔的截面为跑道形结构，所述堆芯池和设备池分别位于所述跑道形结构的两个半圆形结构内。
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