CN113744900B - 一种熔盐堆及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔盐堆及其运行方法。该熔盐堆包括堆容器、泵和换热装置；该堆容器的内部自下而上设有下腔室、与该堆容器同轴的堆芯、上腔室和顶盖，下腔室和堆芯通过与堆容器内径相同的下支撑板分割，堆芯和上腔室通过与堆容器内径相同的上支撑板分割；堆芯的内径小于堆容器的内径，堆芯的外壁面与堆容器的内壁面形成环形空间；换热装置包括U型换热管，U型换热管设于环形空间内，U型换热管的入口端和出口端穿过顶盖，在堆容器的外部，与冷却介质管路连接；泵设于上腔室中，用于驱动下腔室中的熔盐燃料经堆芯向上腔室流动。本发明的熔盐堆具有更高的可靠性和更长的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种熔盐堆及其运行方法。
背景技术
熔盐堆是第四代先进核能候选堆型之一，熔盐堆运行采用熔融液态燃料，简化了燃料装卸料过程，具有在线加料，在线燃料分离等优点。但堆内熔盐燃料具有高强度放射性，熔盐燃料的流动和高温特性对现有熔盐堆结构设计提出了重要挑战，如何在任何工况下包容并防止其放射性泄漏是熔盐堆急需解决的关键技术问题。
熔盐堆换热器是熔盐堆放射性包容边界的薄弱环节，换热器的表面积占总包容边界的80％以上，同时换热器的管壁较薄，一般为1mm级别，存在大量的焊接工艺，因此最有可能导致放射性的泄漏。MSRE运行4年后的检查已观察到换热器传热管道存在一定的裂纹，继续使用将存在较大的失效风险。目前在压水堆中，也存在换热器管道失效的问题，但由于放射性不高，可以定期维修后继续使用。而熔盐堆的换热器在检修方面仍是一个难题。
另外，熔盐堆采用镍基合金结构材料，高温腐蚀和高温蠕变使得结构材料的力学性能大大降低，尤其是在温度超过600摄氏度以后，各项力学性能具有显著下降，限制了熔盐堆本体的使用寿命。如何维持熔盐堆的高温输出能力和保障堆本体结构的可靠性同样是熔盐堆设计面临的一个难题。尤其是堆芯内控制棒套管，承受较高的快中子辐照，易导致材料肿胀、脆化，是限制堆本体使用寿命的主要因素之一。
最后，堆本体的高放射性对其更换和退役也构成较大挑战。MSRE采用回路结构，布局较为复杂，其一回路拆卸必须采用现场切割处理，易导致放射性的释放及二次污染问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有熔盐堆易被腐蚀，机械强度低，寿命短，难组装、运输和装卸并且放射性容纳能力低的缺陷，而提供了一种熔盐堆。
本发明通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供一种熔盐堆，其包括堆容器、泵和换热装置；
所述堆容器的内部自下而上设有下腔室、与所述堆容器同轴的堆芯、上腔室和顶盖，所述下腔室和所述堆芯通过与所述堆容器内径相同的下支撑板分割，所述堆芯和所述上腔室通过与所述堆容器内径相同的上支撑板分割；所述堆芯的内径小于所述堆容器的内径，所述堆芯的外壁面与所述堆容器的内壁面形成环形空间；
所述换热装置包括U型换热管，所述U型换热管设于所述环形空间内，所述U型换热管的入口端和出口端穿过所述顶盖，在所述堆容器的外部，与冷却介质管路连接；
所述泵设于所述上腔室中，用于驱动所述下腔室中的熔盐燃料经所述堆芯向所述上腔室流动。
本发明中，所述下腔室可按本领域常规设有若干流量分配板。
本发明中，所述堆芯可按本领域常规，用于放置堆芯，一般包括由外至内同轴紧固设置的围筒、吸收层、反射层和堆芯活性区。
其中，所述吸收层可为本领域常规，用于吸收热中子；较佳地，所述吸收层为含硼石墨吸收层。
其中，所述反射层可为本领域常规，用于反射中子并慢化快中子；较佳地，所述反射层为石墨反射层。
其中，所述堆芯活性区可为本领域常规，一般包括活性区石墨(例如有柱状空隙的活性区石墨)；较佳地，所述活性区石墨为石墨慢化组件；所述石墨慢化组件的结构可为本领域常规，较佳地为削棱六棱柱结构。
本领域技术人员均知晓，所述熔盐堆内所设有的流动的熔盐燃料通过所述泵的泵取从所述下腔室经所述石墨慢化组件泵至上腔室，再自然流入所述环形空间，经所述换热装置后，流回所述下腔室。
本发明中，所述顶盖可设有进气口和出气口，用于向所述上腔室的内部通入保护气体以隔离所述熔盐燃料与所述顶盖。其中，所述保护气体的压力可由所述进气路和所述出气路的流量调节。
本发明中，所述堆芯的内部还可设有若干堆内套管，所述堆内套管依次穿过所述顶盖、所述上腔室和所述上支撑板并插设于所述堆容器的堆芯活性区(例如活性区石墨的柱状孔隙)中。
其中，所述堆内套管可为本领域常规，一般包括套管内构件和套管内冷却装置。
其中，所述套管内构件可为本领域常规，例如控制棒或测量设备。
其中，所述套管内冷却装置可为本领域常规，用于冷却所述堆内套管；较佳地，用于使所述堆内套管的内壁面温度维持在600℃以下。
较佳地，所述套管内冷却装置为冷却引管；所述冷却引管中的冷却介质可为本领域常规；较佳地为惰性气体(例如氮气)。
本发明中，所述堆容器的外壁还可设有堆容器冷却装置。
其中，所述堆容器冷却装置可为本领域常规，用于冷却所述堆容器；较佳地，用于使所述堆容器的内壁温度维持在600℃以下。
较佳地，所述堆容器冷却装置为水冷壁管或池式盐冷却系统。更佳地，所述池式盐冷却系统包括冷却容器、填充于所述冷却容器中的冷却介质、以及浸没于所述冷却介质的冷却U型管。所述冷却介质可为本领域常规，较佳地为低熔点高沸点的熔盐，例如氯盐和/或FLiNaK盐。所述冷却U型管内部可为导热油。
本发明中，所述围筒、所述堆内套管、所述上支撑板、所述下支撑板、所述堆容器外壁的材料可为镍基合金。
本发明中，所述泵可为本领域常规；较佳地，所述泵设于所述堆芯的上方。较佳地，所述泵包括叶轮和泵轴，所述叶轮设于所述上腔室的内部，所述泵轴穿设于所述顶盖的轴心。
本发明中，本领域技术人员均知晓，根据换热需求确定所述U型换热管的个数和尺寸。
本发明中，所述换热装置可包括一个以上的U型换热管和两个环形管，每一个所述U型换热管设于所述环形空间内，每一个所述U型换热管的入口端和出口端均穿过所述顶盖，所述入口端在所述堆容器的外部与一个所述环形管连接，所述出口端在所述堆容器的外部与另一个所述环形管连接，所述环形管与所述冷却介质管路连接。
本发明中，所述U型换热管可由折流板固定。
本发明中，所述冷却介质管路中的冷却介质可为本领域常规，例如NaF-BeF2盐。
本发明中，各部件之间的连接方式可为本领域常规，例如焊接。
本发明还提供一种如上所述的熔盐堆的运行方法，其包括以下步骤：在所述熔盐堆运行过程中，所述熔盐堆内所设有的熔盐燃料通过所述泵的泵取从所述下腔室经所述堆芯泵至所述上腔室，再自然流入所述环形空间，至所述换热装置处，所述换热装置将熔盐燃料的热量带出，熔盐燃料自然流回所述下腔室，实现循环。
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：
1、本发明的熔盐堆控制了堆容器内与熔盐接触的各区域温度低于600℃，进而降低了熔盐堆的腐蚀速率，增强了机械强度，使其具有更高的可靠性和更长的使用寿命。
2、本发明的熔盐堆提出了换热器、泵置于堆内，U型换热管进出口位于堆外的一体化结构；该高度集成的模块便于组装、运输和装卸；减少了包容边界的连接环节，提高了放射性的容纳能力；同时，装卸处位于堆外，二次污染少。若监测到单根U换热管道发生失效，可将换热管的堆外端焊接封闭，由于不涉及到放射性处理，可以延长换热器的使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例1熔盐堆的结构示意图；
图2是本发明实施例1熔盐堆的堆芯结构示意图；
图3是本发明实施例1熔盐堆的套管内冷却装置示意图；
图4是本发明实施例1堆容器冷却装置示意图；
附图标记说明：
堆芯1，上腔室2，下腔室3，泵4，U型换热管5，堆容器6，堆内套管7，堆容器冷却装置8，U型换热管出口环形管9，U型换热管进口环形管10，顶盖11，活性区石墨慢化组件101，活性区熔盐燃料102，上支撑板103，下支撑板104，反射层石墨105，吸收层含硼石墨106，围筒107，冷却引管201，套管内构件202，冷却介质301，冷却U型管302，冷却容器303。
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，本实施例的熔盐堆包括含顶盖11的堆容器6、泵4和换热装置；
堆容器6内自下而上设有下腔室3、与堆容器6同轴的堆芯1和上腔室2，下腔室3和堆芯1通过与堆容器6内径相同的下支撑板104分割，堆芯1和上腔室2通过与堆容器6内径相同的上支撑板103分割；堆芯1的直径小于堆容器6的内径，堆芯1的外壁面与堆容器6的内壁面形成环形空间；
其中，换热装置包括若干U型换热管5，其由折流板固定并均匀环设于堆芯1的外壁面与堆容器6的内壁面所形成环形空间内；每一个U型换热管5的出口端和入口端穿过所述顶盖，分别在堆容器6的外部，与U型换热管出口环形管9和U型换热管入口环形管10焊接。U型换热管出口环形管9和U型换热管入口环形管10用于外接冷却介质管路，实现换热装置的换热，其中冷却介质为NaF-BeF2盐。
其中，泵4设于上腔室2中，用于驱动下腔室3中的熔盐燃料经堆芯1向上腔室2流动。
本实施例的熔盐堆中，下腔室3设有流量分配板。
本实施例的熔盐堆中，堆芯1的结构具体如图2所示，其包括由外至内同轴紧固设置的活性区石墨慢化组件101，活性区熔盐燃料102、反射层石墨105、吸收层含硼石墨106和围筒107。石墨慢化组件101为削棱六棱柱结构。
本实施例的熔盐堆中，顶盖11设有进气口和出气口，用于向上腔室2的内部通入保护气体以隔离熔盐燃料与顶盖11。
本实施例的熔盐堆中，堆芯1的内部设有若干堆内套管7，其依次穿过顶盖11、上腔室2和上支撑板103插设于堆容器6的活性区石墨慢化组件101中。堆内套管7结构具体如图3所示，包括冷却引管201和套管内构件202(控制棒和测量设备)，其中，冷却引管201中为氮气。
本实施例的熔盐堆中，堆容器6的器壁外设有堆容器冷却装置8，其结构具体如图4所示，包括冷却容器303、填充于冷却容器303的冷却介质301、以及浸没于冷却介质301的冷却U型管302。其中冷却介质301为FLiNaK盐，冷却U型管302中为导热油。
本实施例的熔盐堆中，围筒107、堆内套管7、上支撑板103、下支撑板104、堆容器6的材料均为镍基合金。
本实施例的熔盐堆中，泵4包括叶轮和泵轴，叶轮设于上腔室2中，泵轴穿设于顶盖11的轴心。
本实施例的熔盐堆的运行原理：
在堆芯1内，快中子在石墨慢化组件101内经过慢化成热中子，进入活性区熔盐燃料102内发生裂变反应，产生核裂变能，核裂变能加热熔盐燃料到700℃，在泵4的驱动下进入上腔室2，接着流入堆芯1的外壁面与堆容器6的内壁面所形成的环形空间。在该环形空间内，通过U型换热管5对流换热，将热量传递给换U型换热管5内的导热油，并冷却到600℃。此后，熔盐燃料进入下腔室，经过流量分配板进入堆芯1，并再次核裂变能加热，循环流动。
在运行过程中，与堆内套管7接触的熔盐燃料的温度在600-700℃之间，但由于受到冷却引管201的持续冷却，可使其保持在600℃以下。当冷却引管201失效时，堆内套管7温度维持在700℃左右，此时不会立即导致堆内套管7的破损，但对其长期运行寿命有一定影响，应停堆后恢复冷却引管201的功能。同样，正常运行时，堆容器冷却装置8通过冷却介质301和冷却U型管302将堆容器6的内壁温度冷却在600℃以下，堆容器6的池内温度则由池内的U型冷却管5冷却，U型冷却管5内通过导热油的自然循环对流，将热量导入环境中，导热油运行上限温度为300℃。其载热能力能够达到满功率的1％，在停堆情况下，可通过调节U型冷却管5中导热油的流量从而适当降低其排热能力。由于是非能动传热装置，可保证任何情况下的堆容器6的冷却。
在运行过程中，如果检测到某一个U型换热管5可能发生失效，则停堆检修。通过在堆外上端将该换热管的出口和进口封堵，使其失去换热能力，即可避免熔盐燃料向外释放的可能。同时，不至于导致整个换热装置功能丧失，可以最大化延长其使用寿命。堆芯1内部的反射层石墨105、吸收层含硼石墨106具有快/热中子屏蔽效果，最大化减低U型换热管5的辐照原子离位现象及氦脆现象，提高其抗辐照能力。
当熔盐堆达到使用寿命时，通过调节顶盖11上进气路和出气路流量从而以气压的形式将熔盐燃料排出堆外，待衰变到一定时间后，可以切断U型换热管出口环形管9和U型换热管进口环形管10与外接回路的连接，将整个熔盐堆吊走，转移到维修间。
Claims (13)
1.一种熔盐堆，其特征在于，所述熔盐堆包括堆容器、泵和换热装置；
所述堆容器的内部自下而上设有下腔室、与所述堆容器同轴的堆芯、上腔室和顶盖，所述下腔室和所述堆芯通过与所述堆容器内径相同的下支撑板分割，所述堆芯和所述上腔室通过与所述堆容器内径相同的上支撑板分割；所述堆芯的内径小于所述堆容器的内径，所述堆芯的外壁面与所述堆容器的内壁面形成环形空间；
所述换热装置包括一个以上的U型换热管和两个环形管，每一个所述U型换热管设于所述环形空间内，每一个所述U型换热管的入口端和出口端均穿过所述顶盖，所述入口端在所述堆容器的外部与一个所述环形管连接，所述出口端在所述堆容器的外部与另一个所述环形管连接，所述环形管与冷却介质管路连接；
所述泵设于所述上腔室中，用于驱动所述下腔室中的熔盐燃料经所述堆芯向所述上腔室流动；
所述堆芯包括由外至内同轴紧固设置的围筒、吸收层、反射层和堆芯活性区；
所述堆芯的内部设有若干堆内套管，所述堆内套管依次穿过所述顶盖、所述上腔室和所述上支撑板并插设于所述堆容器的堆芯活性区中；
所述堆内套管包括套管内构件和套管内冷却装置；其中，所述套管内构件为控制棒或测量设备。
2.如权利要求1所述的熔盐堆，其特征在于，所述围筒的材料为镍基合金；
和/或，所述吸收层为含硼石墨吸收层；
和/或，所述反射层为石墨反射层；
和/或，所述堆芯活性区包括活性区石墨。
3.如权利要求2所述的熔盐堆，其特征在于，所述活性区石墨为石墨慢化组件，所述石墨慢化组件为削棱六棱柱结构。
4.如权利要求1所述的熔盐堆，其特征在于，所述堆内套管的材料为镍基合金；
和/或，所述套管内冷却装置为冷却引管。
5.如权利要求4所述的熔盐堆，其特征在于，所述冷却引管中的冷却介质为惰性气体。
6.如权利要求1所述的熔盐堆，其特征在于，所述堆容器的外壁设有堆容器冷却装置。
7.如权利要求6所述的熔盐堆，其特征在于，所述堆容器冷却装置为水冷壁管或池式盐冷却系统。
8.如权利要求7所述的熔盐堆，其特征在于，所述池式盐冷却系统包括冷却容器、填充于所述冷却容器中的冷却介质、以及浸没于所述冷却介质的冷却U型管。
9.如权利要求8所述的熔盐堆，其特征在于，所述冷却介质为低熔点高沸点的熔盐。
10.如权利要求9所述的熔盐堆，其特征在于，所述冷却介质为氯盐和/或FLiNaK盐。
11.如权利要求8所述的熔盐堆，其特征在于，所述冷却U型管内部为导热油。
12.如权利要求1所述的熔盐堆，其特征在于，所述下腔室设有若干流量分配板；
和/或，所述顶盖设有进气口和出气口，用于向所述上腔室的内部通入保护气体以隔离所述熔盐燃料与所述顶盖；
和/或，所述上支撑板、所述下支撑板、所述堆容器外壁的材料为镍基合金；
和/或，所述U型换热管由折流板固定；
和/或，所述冷却介质管路中的冷却介质为NaF-BeF2盐；
和/或，所述泵包括叶轮和泵轴，所述叶轮设于所述上腔室的内部，所述泵轴穿设于所述顶盖的轴心。
13.一种如权利要求1至12中任一项所述的熔盐堆的运行方法，其特征在于，所述运行方法包括以下步骤：在所述熔盐堆运行过程中，所述熔盐堆内所设有的熔盐燃料通过所述泵的泵取从所述下腔室经堆芯泵至所述上腔室，再自然流入所述环形空间，至所述换热装置处，所述换热装置将熔盐燃料的热量带出，熔盐燃料自然流回所述下腔室，实现循环。
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