CN113241200A - 一种燃料盐回路系统及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料盐回路系统及运行方法。该燃料盐回路系统包括燃料盐池和堆容器；燃料盐池分为用于容纳燃料盐和中子毒物的第一空腔和用于容纳气体第二空腔；堆容器分别通过出料系统和进料系统与燃料盐池形成燃料盐回路，其底部高于第二空腔的底部；进料系统包括设置在堆容器上部的堆容器进口管，其上设置有主泵，用于带动燃料盐从燃料盐池向堆容器中流动；出料系统包括设置在堆容器底部的堆容器出口管和设置在堆容器上的液位面控制管。本发明在熔盐堆设计思路上进行创新，从整个燃料盐回路系统来考虑剩余反应性控制以及热量排出，简化了反应堆本体的设计，提高了固有安全性。

Description

一种燃料盐回路系统及运行方法
技术领域
本发明属于熔盐堆设计领域，具体涉及一种燃料盐回路系统及运行方法。
背景技术
任何反应堆的安全功能包括：有效地控制反应性；确保堆芯冷却；包容放射性。为了确保反应堆的安全，反应堆所有的安全措施都为了执行以上安全功能。反应性控制方面，为补偿反应堆的剩余反应性，在堆芯内必须引入适量的可随意调节的负反应性，此种受控的反应性既可用于补偿堆芯长期运行所需的剩余反应性，也可用于调节反应堆功率的水平，使反应功率与所要求的负相适应，另外，它还可作为停堆的手段。一般反应堆采用控制棒、可燃毒物、可溶毒物三种方式，不管哪一种方式都需要在堆芯中加东西，同时需要相应的额外设备。堆芯冷却包括，正常运行时，冷却系统需要把堆芯的热量带出；停闭时或者事故下，堆芯内链式裂变反应虽被中止，但燃料元件中裂变产物的衰变继续放出热量，即剩余释热，同样需要继续导出热量。针对剩余释热，一般反应堆冷却手段有：采用有惰转功能的主泵；增加应急泵，在主泵失效时启动；或者设置专用安全设施(非能动余热排出系统)。这些不仅增加了设备或者系统的复杂性，同时对它们的安全等级要求也提高了。
熔盐堆的研究始于上世纪40年代末的美国。因熔盐堆在固有安全性、核燃料可持续发展及防核扩散等方面具有独特优势，熔盐堆重新成为国际先进堆的研究热点，国际上已有十余家公司开始投资研发熔盐堆技术，美国能源部自2016年也将熔盐堆重新列入其拟重点发展的先进堆方向之一。对于熔盐堆的安全措施，大多还是采用上述的方式或者手段。60年代，美国橡树岭国家实验室(ORNL)建成了，功率为7.2MWth的液态燃料熔盐堆MSRE(Molten Salt Reactor Experiment)。虽然可以采用排盐进行停堆，但是冷冻阀通过加热开启的时间为5分钟，不能用于紧急停堆，冷冻阀通过自动开启的时间更长。
现行熔盐堆的设计还是停留在分块设计考虑中，如堆芯的只关注堆芯，回路的只关注回路，没有充分利用燃料盐既是燃料又是冷却剂的特征。其实，不管中子物理、热工水力等专业，都需要从整个燃料盐回路系统上考虑设计方案。如在整个燃料盐回路系统中，堆芯活性区以外的燃料盐体积占系统总燃料盐体积的绝大部分，也是要参与发热、传热的。另外虽然采用先进的非能动余热排出系统，但是这个系统设计还是跟传统反应堆设计一样，即在堆本体上寻找解决方案，使原本复杂的堆本体更加复杂，限制熔盐堆单堆功率的进一步提升。因此，有必要从整个燃料盐回路系统出发，改变回路设备的布置及其功能，从而根本上解决上述问题或不足。
发明内容
为了改善上述现有反应堆堆型设计中存在的问题，本发明提供了一种固有安全的燃料盐回路系统，从整个燃料盐回路系统出发，改变回路设备的布置及其功能，利用液态燃料盐出口流量的大小来控制堆芯剩余反应性，重新布局回路设备，改变部分回路设备的功能，如堆本体只产生热量、不换热，提高熔盐堆运行时的固有安全特性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种燃料盐回路系统，其包括燃料盐池和堆容器；
所述燃料盐池用于承载燃料盐和中子毒物，当承载燃料盐和中子毒物时，所述燃料盐池被分为位于下方的第一空腔和位于上方的第二空腔，所述第一空腔用于容纳所述燃料盐和所述中子毒物，所述第二空腔用于容纳气体；
所述堆容器分别通过出料系统和进料系统与所述燃料盐池连接，从而形成燃料盐回路，所述堆容器的底部高于所述第二空腔的底部；
所述进料系统包括设置在所述堆容器的上部的堆容器进口管，所述堆容器进口管上设置有主泵，用于带动燃料盐从所述燃料盐池向所述堆容器中流动；
所述出料系统包括设置在所述堆容器的底部的堆容器出口管和设置在所述堆容器上的液位面控制管。
本发明中，所述中子毒物是指本领域常规的能够吸收中子的材料，用于保证在任何状态下，所述燃料盐池内的燃料盐不会临界，例如，所述中子毒物可以为碳化硼和/或哈氏合金。
本发明中，所述堆容器的底部可以高于所述燃料盐池的顶部。
本发明中，所述堆容器出口管上可以设置有出口阀门。
本发明中，所述液位面控制管上可以设置有液位面控制阀门。
本发明中，所述堆容器进口管的另一端和/或所述堆容器出口管的另一端可以伸入所述燃料盐池的底部。
本发明中，所述液位面控制管的位置可以不做特别限定，只要不影响所述出料系统正常出料即可。
本发明中，所述堆容器进口管的横截面积可以大于所述堆容器出口管的横截面积。
本发明中，所述堆容器进口管的横截面积可以小于所述堆容器出口管和所述液位面控制管的横截面积之和。
本发明中，所述堆容器的内部可以不设置有停堆装置。所述停堆装置是指本领域常规使用的用于中止所述堆容器中燃料盐反应的装置，例如控制棒。
本发明中，所述燃料盐回路可以设置有换热装置。所述换热装置是指本领域常规使用的用于排除系统热量的装置，例如管壳式换热器。优选地，所述换热装置设置在所述燃料盐池的内部；例如，所述换热装置可以安装在位于所述燃料盐池内部的堆容器进口管和堆容器出口管的管口之间，从而加大换热器附近燃料盐的流动，增强换热效果。
本发明中，可以通过控制所述堆容器内的燃料盐液位面的高度，来控制堆芯的剩余反应性，所述堆容器内的燃料盐液位面的高度通过所述堆容器的进料系统的流量和出料系统的流量的差来控制。
另一方面，本发明还提供了一种如上所述的燃料盐回路系统的运行方法，其包括启堆和停堆：
所述启堆的操作为：控制所述堆容器的进料系统的流量大于所述出料系统的流量，使所述堆容器内的燃料盐液位达到所需高度；
所述停堆的操作为：控制所述堆容器的进料系统的流量小于所述出料系统的流量，使所述堆容器内的燃料盐全部流回所述燃料盐池至停堆。
在本发明中，所述启堆的操作可以为：启动所述主泵。
在本发明中，所述停堆的操作可以为：关闭所述主泵。
在本发明中，所述启堆的操作后，可以通过控制所述堆容器内的燃料盐液位面的高度，来控制堆芯的剩余反应性，所述堆容器内的燃料盐液位面的高度通过所述堆容器的进料系统的流量和出料系统的流量的差来控制。
例如，当需要提高堆芯的反应性时，可以控制所述堆容器的进料系统的流量大于所述出料系统的流量(例如，关闭所述液位面控制阀门)，使所述堆容器内的燃料盐液位面的高度升高；当需要降低堆芯的反应性时，可以控制所述堆容器的进料系统的流量小于所述出料系统的流量(例如，打开所述液位面控制阀门)，使所述堆容器内的燃料盐液位面的高度下降。
在本发明中，所述燃料盐回路系统在正常运行时，热量在堆容器产生；主泵带动燃料盐流动，带走堆容器中的热量，最后由燃料盐池中的换热器带出或被燃料盐池中的燃料盐中和；反应堆停堆后或者事故条件下，主泵停止，燃料盐自动流回燃料池中，热量也可以由燃料盐池中的换热器带出或被燃料盐池中的燃料盐中和。
本发明的积极进步效果在于：
1、在熔盐堆设计思路上进行创新，从整个燃料盐回路系统来考虑剩余反应性控制以及热量排出，简化了反应堆本体的设计。
2、停泵即停堆，消除了停泵事故，提高了固有安全性。
3、堆容器不设置余热排出系统，堆芯燃料盐的余热被燃料盐池中的燃料盐中和，或被燃料盐池中的换热器带出。
附图说明
图1为实施例1的燃料盐回路系统示意图。
附图标记说明：1-燃料盐池、2-主泵、3-堆容器、4-换热器、5-液位面控制阀门、6-堆容器进口管、7-堆容器出口管、8-液位面控制管。
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
如图1所示，燃料盐回路系统包括，燃料盐池1，主泵2，堆容器3，换热器4，液位面控制阀门5，堆容器进口管6，堆容器出口管7，液位面控制管8。燃料盐在燃料盐池1、主泵2、堆容器进口管6、堆容器出口管7、液位面控制管8、堆容器3之间流动，形成了燃料盐回路系统。燃料盐池1用于承载燃料盐和中子毒物，堆容器3的底部高于燃料盐池1的顶部，堆容器进口管6设置在堆容器3底部，并设置有主泵2，堆容器出口管7设置在堆容器3上部，并设置有出口阀门。堆容器进口管6的另一端和堆容器出口管7的另一端伸入燃料盐池1的底部，并且堆容器进口管6的横截面积大于堆容器出口管7的横截面积，小于堆容器出口管7和液位面控制管8的横截面积之和。热量在堆容器3产生；主泵2带动燃料盐流动，带走堆容器3中的热量；最后由燃料盐池1中的换热器4带出，其中换热器4为管壳式换热器。通过控制液位面控制管8上的液位面控制阀门5的开度，来调节堆容器3内液位面的高度。
正常运行时，启动主泵2，调节液位面控制阀门5的开度，使堆容器3内燃料盐液位达到临界高度，进而使熔盐堆满功率运行。
停堆或者事故情况下，停止主泵2，燃料盐自动流回设置有中子毒物的燃料盐池1中，反应堆自动停止。

Claims (10)

1.一种燃料盐回路系统，其特征在于，其包括燃料盐池和堆容器；
所述燃料盐池用于承载燃料盐和中子毒物，当承载燃料盐和中子毒物时，所述燃料盐池被分为位于下方的第一空腔和位于上方的第二空腔，所述第一空腔用于容纳所述燃料盐和所述中子毒物，所述第二空腔用于容纳气体；
所述堆容器分别通过出料系统和进料系统与所述燃料盐池连接，从而形成燃料盐回路，所述堆容器的底部高于所述第二空腔的底部；
所述进料系统包括设置在所述堆容器的上部的堆容器进口管，所述堆容器进口管上设置有主泵，用于带动燃料盐从所述燃料盐池向所述堆容器中流动；
所述出料系统包括设置在所述堆容器的底部的堆容器出口管和设置在所述堆容器上的液位面控制管。
2.如权利要求1所述的燃料盐回路系统，其特征在于，所述堆容器的底部高于所述燃料盐池的顶部。
3.如权利要求1所述的燃料盐回路系统，其特征在于，所述堆容器出口管上设置有出口阀门；
和/或，所述液位面控制管上设置有液位面控制阀门。
4.如权利要求1所述的燃料盐回路系统，其特征在于，所述堆容器进口管的另一端和/或所述堆容器出口管的另一端伸入所述燃料盐池的底部。
5.如权利要求1所述的燃料盐回路系统，其特征在于，所述堆容器进口管的横截面积大于所述堆容器出口管的横截面积；
和/或，所述堆容器进口管的横截面积小于所述堆容器出口管和所述液位面控制管的横截面积之和。
6.如权利要求1所述的燃料盐回路系统，其特征在于，所述燃料盐回路系统设置有换热装置，例如管壳式换热器；
优选地，所述换热装置设置在所述燃料盐池的内部。
7.如权利要求1至6中任一项所述的燃料盐回路系统，其特征在于，所述堆容器的内部不设置有停堆装置，例如控制棒。
8.一种如权利要求1至7中任一项所述的燃料盐回路系统的运行方法，其特征在于，所述运行方法包括启堆和停堆：
所述启堆的操作为：控制所述堆容器的进料系统的流量大于所述出料系统的流量，使所述堆容器内的燃料盐液位达到所需高度；
所述停堆的操作为：控制所述堆容器的进料系统的流量小于所述出料系统的流量，使所述堆容器内的燃料盐全部流回所述燃料盐池至停堆。
9.如权利要求8所述的运行方法，其特征在于，所述启堆的操作为：启动所述主泵；
和/或，所述停堆的操作为：关闭所述主泵。
10.如权利要求8或9所述的运行方法，其特征在于，所述启堆的操作后，当需要提高堆芯的反应性时，控制所述堆容器的进料系统的流量大于所述出料系统的流量，例如关闭所述液位面控制阀门，使所述堆容器内的燃料盐液位面的高度升高；
当需要降低堆芯的反应性时，控制所述堆容器的进料系统的流量小于所述出料系统的流量，例如打开所述液位面控制阀门，使所述堆容器内的燃料盐液位面的高度下降。
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