CN113689966B - 一种小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置 - Google Patents

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Abstract

一种小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置，包括由储盐罐、氟盐泵、加热器、冷却器、鼓风机、阀门及相应管道组成的氟盐冷却剂充排回路；由热池模拟器、加热棒、独立热交换器、缓冲罐、空冷器、风门及连接管道组成的实验主回路，实验主回路包括一回路、中间回路及堆外回路。热池模拟器中经加热棒加热的一回路冷却剂在独立热交换器一次侧释放热量，中间回路冷却剂在独立热交换器二次侧吸热后于空冷器一次侧释放热量，空冷器二次侧空气流动对一次侧冷却剂实现冷却。本发明以氟盐为工质，实现对小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统堆内‑堆外自然循环耦合作用机制的研究，为分析系统余排能力及关键影响因素设计了一套完整安全有效的实验方案。

Description

一种小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置
技术领域
本发明涉及小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统技术领域，具体涉及一种小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置。
背景技术
2003年，基于第四代核能系统国际论坛(GIF)框架，在美国能源部支持下，美国加州大学伯克利分校(UCB)、橡树岭国家实验室(ORNL)以及桑迪亚国家实验室(SNL)等主要核能研究机构首次提出了氟盐冷却高温堆的概念。氟盐冷却高温堆是基于熔盐堆、钠冷快堆以及高温气冷堆等第四代反应堆的技术优势融合而成,采用TRISO包覆颗粒作为燃料，氟盐作为冷却剂将堆芯热量带出。第一个氟盐冷却高温堆概念设计为UCB、ORNL、SNL共同提出的先进高温堆AHTR，后续又提出了球床氟盐冷却先进高温堆PB-AHTR等概念设计。在氟盐冷却高温堆的基础上，相关研究机构也在其小型模块化方面展开了研究，提出了SmAHTR等设计。小型氟盐冷却高温堆采用模块化的设计和建造，选址灵活，适应性强，用途广泛，通过换热器将堆芯热量传递至二回路与功率转换系统，用于制氢、发电、海水淡化等。
小型氟盐冷却高温堆采用非能动余排系统，以氟盐作为冷却剂，依靠氟盐在热源与热阱间形成的自然循环，以浸泡于热池的独立热交换器为桥梁连接堆外回路，在反应堆发生事故时将堆芯余热导出至大气。
非能动余排系统是小型氟盐冷却高温堆研究的重点，目前国际上以氟盐作为冷却剂的非能动余排系统实验较少，并且缺少包含热池在内、研究堆内-堆外回路相互作用的综合实验装置。鉴于小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统堆内-堆外相互作用存在的复杂热工水力现象，亟待设计搭建包含热池在内的余排系统综合实验装置，揭示堆内-堆外自然循环耦合作用机制，为我国小型氟盐冷却高温堆余排系统的设计和安全分析提供实验支撑，有助于推动我国自主掌握小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统设计技术的进程。
发明内容
本发明的目的是提出一种涵盖小型氟盐冷却高温堆热池和非能动余排系统堆外回路主要设备在内的综合实验装置，为揭示余排系统堆内-堆外自然循环耦合作用机制，分析系统余排能力以及关键影响因素设计一套完整、安全、有效的实验方案。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置，包括氟盐冷却剂充排回路和实验主回路；
所述氟盐冷却剂充排回路包括一回路冷却剂充排回路和中间回路冷却剂充排回路，一回路冷却剂充排回路是由储盐罐1，以及与储盐罐1依次连接的第一阀门A1、氟盐泵2、加热器3、第二阀门A2、热池模拟器6，连接储盐罐1与热池模拟器6的第三阀门A3，依次连接第一阀门A1与热池模拟器6的冷却器4和第五阀门A5，与冷却器4相连的鼓风机5以及相应的管道共同构成；中间回路冷却剂充排回路由储盐罐1、与储盐罐1依次连接的第一阀门A1、氟盐泵2、第四阀门A4、独立热交换器8二次侧以及相应的管道构成；氟盐冷却剂充排回路的作用是为实验主回路充灌和排放冷却剂；
所述实验主回路包括一回路、中间回路和堆外回路；一回路包括热池模拟器6和独立热交换器8一次侧，热池模拟器6内置多根加热棒7，独立热交换器8浸没于热池模拟器6中；中间回路包括独立热交换器8二次侧、与独立热交换器8二次侧出口通过管道依次连接的膨胀罐9以及空冷器10一次侧，空冷器10一次侧出口与独立热交换器8二次侧入口连接；堆外回路包括空冷器10二次侧以及与空冷器10二次侧连接的风门11。
所述氟盐冷却剂充排回路中，实验开始前，冷却剂在氟盐泵2的作用下，从储盐罐1流出，依次经第一阀门A1和氟盐泵2后分为两路，一路在加热器3预热后经第二阀门A2进入热池模拟器6，完成一回路冷却剂充灌，另一路经第四阀门A4进入独立热交换器8下降管，从而进入独立热交换器8二次侧，完成中间回路冷却剂充灌；实验结束后，热池模拟器6中冷却剂在第二阀门A2、加热器3、氟盐泵2、冷却器4、鼓风机5、第五阀门A5组成的回路中进行冷却，此时加热器3不投入工作，经冷却的热池模拟器6中的冷却剂经第三阀门A3回到储盐罐1，完成一回路冷却剂排放，中间回路冷却剂依次经第四阀门A4、氟盐泵2、第一阀门A1回到储盐罐1，完成中间回路冷却剂排放。
所述实验主回路中，一回路通过加热棒7控制热池模拟器6中的一回路冷却剂温度，一回路冷却剂流经浸没于热池模拟器6中的独立热交换器8的一次侧释放热量后回到热池模拟器6中，完成一回路循环；中间回路冷却剂充排回路充灌进独立热交换器8二次侧的中间回路冷却剂吸收来自独立热交换器8一次侧的热量后通过管道与更高位置的空冷器10一次侧相连，进入空冷器10一次侧的冷却剂释放热量后经出口流出回到独立热交换器8二次侧，完成中间回路循环；空冷器10在其二次侧连接风门11以提供自然对流，空气自风门11进入，流经空冷器10二次侧，完成堆外回路冷却；在独立热交换器8出口至空冷器10入口段管道部分安装膨胀罐9以补偿冷却剂由于温度变化而产生的体积膨胀或收缩；热池模拟器6和膨胀罐9分别通入氩气作为保护。
所述独立热交换器8采用逆流管壳式换热结构，一次侧冷却剂在壳侧自上而下流动释放热量，二次侧冷却剂在管侧自下而上流动吸收热量。
所述空冷器10采用水平多层翅片管管束结构，并且在二次侧入口和出口设置风门11来控制空气流量，每个风门11由两扇百叶挡板组成。
本发明具备以下优点和有益效果：
1、本发明在实验装置中设置了热池模拟器，独立热交换器浸泡在热池模拟器冷却剂中，更真实地模拟了小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统一回路的结构，从而实现对余排系统堆内-堆外自然循环耦合作用机制的研究。
2、本发明在空冷器二次侧设置风门，通过调节风门开度改变空冷器二次侧空气流量，研究其对系统自然循环强度的影响。
3、本发明在保持风门开度不变的条件下，通过调节加热棒功率来改变热池模拟器内冷却剂的温度，从而研究不同稳定状态下中间回路冷却剂自然循环流量和冷热段平均温差间的关系。
4、本发明在瞬态情况下，为定性地研究系统瞬态响应特性和热池冷却剂温度间的关系，保持风门启动特征不变，通过调节加热棒的初始功率研究归一化的自然循环流量和归一化散热功率的瞬态变化规律以及热池模拟器内冷却剂的温度间的关系。
附图说明
图1为本发明小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置示意图。
上述附图中：1-储盐罐；2-氟盐泵；3-加热器；4-冷却器；5-鼓风机；6-热池模拟器；7-加热棒；8-独立热交换器；9-膨胀罐；10-空冷器；11-风门；A1-第一阀门；A2-第二阀门；A3-第三阀门；A4-第四阀门；A5-第五阀门。
具体实施方式
本发明提供了一种小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置，现结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，为本发明一种小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置的一个实施例，其包括氟盐冷却剂充排回路和实验主回路。
一种小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置，包括氟盐冷却剂充排回路和实验主回路；
所述氟盐冷却剂充排回路包括一回路冷却剂充排回路和中间回路冷却剂充排回路，一回路冷却剂充排回路是由储盐罐1，以及与储盐罐1依次连接的第一阀门A1、氟盐泵2、加热器3、第二阀门A2、热池模拟器6，连接储盐罐1与热池模拟器6的第三阀门A3，依次连接第一阀门A1与热池模拟器6的冷却器4和第五阀门A5，与冷却器4相连的鼓风机5以及相应的管道共同构成；中间回路冷却剂充排回路由储盐罐1、与储盐罐1依次连接的第一阀门A1、氟盐泵2、第四阀门A4、独立热交换器8二次侧以及相应的管道构成；氟盐冷却剂充排回路的作用是为实验主回路充灌和排放冷却剂；
所述实验主回路包括一回路、中间回路和堆外回路；一回路包括热池模拟器6和独立热交换器8一次侧，热池模拟器6内置多根加热棒7，独立热交换器8浸没于热池模拟器6中；中间回路包括独立热交换器8二次侧、与独立热交换器8二次侧出口通过管道依次连接的膨胀罐9以及空冷器10一次侧，空冷器10一次侧出口与独立热交换器8二次侧入口连接；堆外回路包括空冷器10二次侧以及与空冷器10二次侧连接的风门11。
作为本发明的优选实施方式，所述氟盐冷却剂充排回路中，实验开始前，冷却剂在氟盐泵2的作用下，从储盐罐1流出，依次经第一阀门A1和氟盐泵2后分为两路，一路在加热器3预热后经第二阀门A2进入热池模拟器6，完成一回路冷却剂充灌，另一路经第四阀门A4进入独立热交换器8下降管，从而进入独立热交换器8二次侧，完成中间回路冷却剂充灌；实验结束后，热池模拟器6中冷却剂在第二阀门A2、加热器3、氟盐泵2、冷却器4、鼓风机5、第五阀门A5组成的回路中进行冷却，此时加热器3不投入工作，经冷却的热池模拟器6中的冷却剂经第三阀门A3回到储盐罐1，完成一回路冷却剂排放，中间回路冷却剂依次经第四阀门A4、氟盐泵2、第一阀门A1回到储盐罐1，完成中间回路冷却剂排放。
作为本发明的优选实施方式，所述实验主回路中，一回路通过加热棒7控制热池模拟器6中的一回路冷却剂温度，一回路冷却剂流经浸没于热池模拟器6中的独立热交换器8的一次侧释放热量后回到热池模拟器6中，完成一回路循环；中间回路冷却剂充排回路充灌进独立热交换器8二次侧的中间回路冷却剂吸收来自独立热交换器8一次侧的热量后通过管道与更高位置的空冷器10一次侧相连，进入空冷器10一次侧的冷却剂释放热量后经出口流出回到独立热交换器8二次侧，完成中间回路循环；空冷器10在其二次侧连接风门11以提供自然对流，空气自风门11进入，流经空冷器10二次侧，完成堆外回路冷却；在独立热交换器8出口至空冷器10入口段管道部分安装膨胀罐9以补偿冷却剂由于温度变化而产生的体积膨胀或收缩；热池模拟器6和膨胀罐9分别通入氩气作为保护。
作为本发明的优选实施方式，所述独立热交换器8采用逆流管壳式换热结构，一次侧冷却剂在壳侧自上而下流动释放热量，二次侧冷却剂在管侧自下而上流动吸收热量。
作为本发明的优选实施方式，所述空冷器10采用水平多层翅片管管束结构，并且在二次侧入口和出口设置风门11来控制空气流量，每个风门11由两扇百叶挡板组成。
作为本发明的优选实施方式，为研究各参数的影响规律，采用高温型超声波流量计测量中间回路冷却剂流量，采用固定卡套式铠装K型热电偶分别测量独立热交换器8二次侧和空冷器10一次侧进出口的冷却剂温度，采用裸露式K型热电偶分别测量热池模拟器6内不同高度位置处的冷却剂温度，采用互感式连续监测探针测量热池模拟器6内的液位高度，采用T型热电偶测量空冷器10空气侧进出口空气温度，采用涡街流量计测量空冷器10二次侧空气流量。
作为本发明的优选实施方式，为获得回路内各参数对小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统自然循环特性的影响规律，基于单一变量准则，实验共分为三个部分依次开展，包含两类稳态实验和一类瞬态实验。
第一类稳态实验：风门11开度对系统自然循环强度的影响。为减少热量的损失，在正常工况下空冷器10空气侧风门11通常处于关闭状态，当需要余排系统投入工作时，风门11逐渐开启空气流量增大从而使系统散热能力增强。风门11的两扇百叶挡板有一扇依靠电动控制打开，另一扇依靠自然对流推动力气动打开，实际运行过程中存在风门11卡死或无法完全打开的可能。为研究风门11开度对系统自然循环强度的影响，在通过加热棒7和热电偶保持热池模拟器内冷却剂温度不变的前提下，分别针对1)两扇百叶挡板都无法打开2)若只有一扇挡板无法打开3)挡板卡在一定角度不能完全打开三种情况开展稳态实验，并分析中间回路冷却剂流量和回路散热功率与风门11开度的关系。
第二类稳态实验：中间回路冷却剂自然循环流量和冷热段平均温差间的关系。热池和大气分别作为余排系统堆外回路的热源和最终热阱，其各自内部冷却剂的温度分布直接决定了自然循环流动的强弱，因此为获得中间回路内冷却剂自然循环流动和传热的耦合作用机制，在空冷器10空气侧入口空气温度不变的前提下，通过改变热池模拟器内冷却剂的温度获得不同稳定状态下中间回路冷却剂自然循环流量和冷热段平均温差间的关系。由于中间回路多为管道，结构简单，可采用引入Boussinesq假设的一维不可压缩稳态动量方程对中间回路冷却剂的自然循环状态进行理论分析，将理论公式和实验结果进行对比后分析产生偏差的原因并修正流动阻力经验关系式。另外，独立热交换器8的入口窗通常在轴向有一定的长度，在真实反应堆系统中当主泵驱动力消失后在重力作用下热池液位将会下降，该现象可能导致冷却剂无法完全浸没独立热交换器8入口窗从而降低热交换器的传热效率，因此开展关于不同热池模拟器内冷却剂液位高度的稳态实验以定性研究独立热交换器8一次侧入口窗浸没长度比例和回路自然循环能力的关系。
瞬态实验：非能动余排系统瞬态响应特性和热池冷却剂温度间的关系。停堆后瞬态工况下空冷器10的风门11开启动作不是瞬间完成的，并且在风门完全开启后系统需要一定的时间才能进入稳定的自然循环状态，因此余排系统的瞬态响应时间决定了反应堆内冷却剂所能达到的最高温度。为定性地研究系统瞬态响应特性和热池冷却剂温度间的关系，在风门启动特征不变的前提下通过调节加热棒初始功率研究归一化的自然循环流量和归一化散热功率的瞬态变化规律以及热池模拟器6内冷却剂的温度间的关系。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置，其特征在于，包括氟盐冷却剂充排回路和实验主回路；
所述氟盐冷却剂充排回路包括一回路冷却剂充排回路和中间回路冷却剂充排回路，一回路冷却剂充排回路是由储盐罐(1)，以及与储盐罐(1)依次连接的第一阀门(A1)、氟盐泵(2)、加热器(3)、第二阀门(A2)、热池模拟器(6)，连接储盐罐(1)与热池模拟器(6)的第三阀门(A3)，进出口分别连接第一阀门(A1)与第五阀门A5的冷却器(4)，连接热池模拟器(6)的第五阀门(A5)，与冷却器(4)相连的鼓风机(5)以及相应的管道共同构成；中间回路冷却剂充排回路由储盐罐(1)、与储盐罐(1)依次连接的第一阀门(A1)、氟盐泵(2)、第四阀门(A4)、独立热交换器(8)二次侧以及相应的管道构成；氟盐冷却剂充排回路的作用是为实验主回路充灌和排放冷却剂；
所述实验主回路包括一回路、中间回路和堆外回路；一回路包括热池模拟器(6)和独立热交换器(8)一次侧，热池模拟器(6)内置多根加热棒(7)，独立热交换器(8)浸没于热池模拟器(6)中；中间回路包括独立热交换器(8)二次侧、与独立热交换器(8)二次侧出口通过管道依次连接的膨胀罐(9)以及空冷器(10)一次侧，空冷器(10)一次侧出口与独立热交换器(8)二次侧入口连接；堆外回路包括空冷器(10)二次侧以及与空冷器(10)二次侧连接的风门(11)。
2.如权利要求1所述的一种小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置，其特征在于，所述氟盐冷却剂充排回路中，实验开始前，冷却剂在氟盐泵(2)的作用下，从储盐罐(1)流出，依次经第一阀门(A1)和氟盐泵(2)后分为两路，一路在加热器(3)预热后经第二阀门(A2)进入热池模拟器(6)，完成一回路冷却剂充灌，另一路经第四阀门(A4)进入独立热交换器(8)下降管，从而进入独立热交换器(8)二次侧，完成中间回路冷却剂充灌；实验结束后，热池模拟器(6)中冷却剂在第二阀门(A2)、加热器(3)、氟盐泵(2)、冷却器(4)、第五阀门(A5)组成的回路中进行冷却，此时加热器(3)不投入工作，经冷却的热池模拟器(6)中的冷却剂经第三阀门(A3)回到储盐罐(1)，完成一回路冷却剂排放，中间回路冷却剂依次经第四阀门(A4)、氟盐泵(2)、第一阀门(A1)回到储盐罐(1)，完成中间回路冷却剂排放。
3.如权利要求1所述的一种小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置，其特征在于，所述实验主回路中，一回路通过加热棒(7)控制热池模拟器(6)中的一回路冷却剂温度，一回路冷却剂流经浸没于热池模拟器(6)中的独立热交换器(8)的一次侧释放热量后回到热池模拟器(6)中，完成一回路循环；中间回路冷却剂充排回路充灌进独立热交换器(8)二次侧的中间回路冷却剂吸收来自独立热交换器(8)一次侧的热量后通过管道与更高位置的空冷器(10)一次侧相连，进入空冷器(10)一次侧的冷却剂释放热量后经出口流出回到独立热交换器(8)二次侧，完成中间回路循环；空冷器(10)在其二次侧连接风门(11)以提供自然对流，空气自风门(11)进入，流经空冷器(10)二次侧，完成堆外回路冷却；在独立热交换器(8)出口至空冷器(10)入口段管道部分安装膨胀罐(9)以补偿冷却剂由于温度变化而产生的体积膨胀或收缩；热池模拟器(6)和膨胀罐(9)分别通入氩气作为保护。
4.如权利要求1所述的一种小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置，其特征在于，所述独立热交换器(8)采用逆流管壳式换热结构，一次侧冷却剂在壳侧自上而下流动释放热量，二次侧冷却剂在管侧自下而上流动吸收热量。
5.如权利要求1所述的一种小型氟盐冷却高温堆非能动余排系统综合实验装置，其特征在于，所述空冷器(10)采用水平多层翅片管管束结构，并且在二次侧入口和出口设置风门(11)来控制空气流量，每个风门(11)由两扇百叶挡板组成。
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