CN114334196B

CN114334196B - 氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法、装置及设备

Info

Publication number: CN114334196B
Application number: CN202111537464.2A
Authority: CN
Inventors: 刘晓晶; 柴翔; 管超然; 谢秋霞
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2041-12-15
Also published as: CN114334196A

Abstract

本申请实施例公开了一种氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法、装置及设备，该方法包括：氦氙冷却反应堆的堆芯结构材料选用石墨，承压外壳选用奥氏体304不锈钢，反应堆布置方式选用横向依次布置方式；在氦氙供应丧失工况下，计算反应堆堆芯温度；判断反应堆堆芯温度是否小于燃料熔点及结构材料熔点；若是则确定氦氙冷却反应堆为固有安全反应堆。本申请通过选用合理化的堆芯材料与结构，利用热传导、自然对流和热辐射等自然物理规律，使得反应堆停堆后只剩停堆余热的情况下，不依靠外动力源的输入能够实现堆芯余热的安全导出，令该反应堆具有固有安全特性。

Description

氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法、装置及设备

技术领域

本发明涉及氦氙冷却反应堆技术领域，尤其涉及一种氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法、装置及设备。

背景技术

随着科技进步与社会发展，偏远地区用电困难及特种装备的发展对大功率、长寿命及可移动的电源系统提出了重大的需求。小型核反应堆电源具有结构紧凑，尺寸小，重量轻，能量密度高；续航时间与续航距离长；输出功率大；安全可靠，维护方便等优点，能有效满足上述需求。因此，可移动式小型核反应堆电源的研发设计，具有十分重要的现实意义。目前，主流的小型核电源堆型包括热管冷却堆、液态金属冷却堆和气冷堆。相对于兆瓦级小型核反应堆电源设计，气冷堆具有明显优势。

气冷堆是用石墨慢化、惰性气体冷却的反应堆。气冷堆由于具有大量石墨结构材料，有很强的负温度反应系数和热惯性，使其在正反应性导入、失去外部冷却的事故工况下，可以实现安全停堆并导出反应堆余热。但是在气冷堆的基准设计事故中，依然需要人为干预，不能称为完全的固有安全。由于堆芯功率密度大，早期商用气冷堆不能只依靠热传导、自然对流和热辐射等非能动机制将堆芯余热导出，需要设计停堆后应急冷却剂风机提供强迫循环来冷却堆芯。

近年来，模块式气冷堆概念提出，余热排出无需应急风机即可将余热从堆芯传至堆舱内的水冷壁。然而，在水冷壁将堆芯余热导出至最终热阱(如大气)的过程中，现有设计仍然以能动的循环冷却方式为主，依靠安全级的泵驱动系统回路中的水在水冷壁管路和空冷器中流动，从而与外界进行热交换。这种设计虽然能够实现安全导出堆芯余热，但由于采用了泵等需要外动力源持续驱动的能动部件，即便采用冗余设计，仍然具有较高的失效概率。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法、装置及设备，用以解决现有气冷堆的在失去外部冷却的事故工况下，无法做到不依赖外界动力源将堆芯余热安全导出的问题。

为解决上述技术问题，本申请实施例是这样实现的：

一方面，本申请实施例提供一种氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法，包括：所述氦氙冷却反应堆的堆芯结构材料选用石墨，承压外壳选用奥氏体304不锈钢，反应堆布置方式选用横向依次布置方式；在氦氙供应丧失工况下，计算反应堆堆芯温度；判断所述反应堆堆芯温度是否小于燃料熔点及结构材料熔点；若是则确定所述氦氙冷却反应堆为固有安全反应堆。

另一方面，本申请实施例提供一种氦氙冷却反应堆的固有安全设计装置，包括：设计模块，用于所述氦氙冷却反应堆的堆芯结构材料选用石墨，外层承压层选用奥氏体304不锈钢，反应堆布置方式选用横向依次布置方式；计算模块，用于在氦氙供应丧失工况下，计算反应堆表面温度及反应堆堆芯温度；比较模块，用于确定所述反应堆表面温度及反应堆堆芯温度是否小于燃料熔点及结构材料熔点；确定模块，用于若是则确定所述氦氙冷却反应堆为固有安全反应堆。

再一方面，本申请实施例提供一种氦氙冷却反应堆的固有安全设计设备，包括：处理器；以及被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述处理器实现上述氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法。

再一方面，本申请实施例提供一种存储介质，用于存储计算机可执行指令，所述可执行指令在被执行时实现上述氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法。

本申请实施例的技术方案，通过选用合理化的堆芯材料与结构，利用热传导、自然对流和热辐射等自然物理规律，使得反应堆停堆后只剩停堆余热的情况下，不依靠外动力源的输入能够实现堆芯余热的安全导出，令该反应堆具有固有安全特性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一实施例的氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法的流程示意图；

图2是根据本发明一实施例的氦氙冷却反应堆的结构示意图；

图3是根据本发明一实施例的氦氙冷却反应堆的固有安全设计装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

反应堆的固有安全是指极端事故下，不依靠外力，仅通过导热和自然对流排出堆芯热量，而不发生严重事故。当反应堆出现异常工况时应不依靠人为操作或外部设备的强制干预，只有反应堆自然安全性(堆功率的负反馈)和非能动的安全性(无需外部动力设备的安全性)，控制反应性或移出堆芯热量，使反应堆趋于正常运行和安全停闭。否则，堆内热量累积温度升高将导致堆芯熔化，从而引起严重的放射性外释事故。反应堆固有安全设计是反应堆设计中的重要环节。

本发明提供了一种氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法，该氦氙冷却反应堆可以应用于陆上移动式小型核反应堆电源。参见图1所示的氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法的流程示意图，该方法包括：

S102，氦氙冷却反应堆的堆芯结构材料选用石墨，承压外壳选用奥氏体304不锈钢，反应堆布置方式选用横向依次布置方式。

具体地，石墨材料因其较高的中子慢化能力、低中子吸收截面、良好的辐照性能、低热膨胀系数和高热导率以及高温下优异的力学性能等诸多优点，并且有成熟的加工制造技术，可以作为堆芯结构材料、反射层等。奥氏体304不锈钢的高温强度及抗腐蚀性能优良，且具有较好的中子经济性，可以用于反应堆的承压外壳。

反应堆选择瘦长的堆型布置、各设备横向依次布置的方式，参见图2所示的氦氙冷却反应堆的结构示意图，示出了反应堆包括承压外壳20，以及位于承压外壳20中的堆芯24、涡轮24、压气机22、回热器23和前冷器21。前冷器21、压气机22、回热器23、堆芯24和涡轮25沿承压外壳20的长度方向依次排布。在图2中还示出了与涡轮25连接的发电机26。

在本实施例中依靠自然对流换热等物理界自然规律实现散热。自然对流换热，是指不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。参与换热的流体由于各部分温度不均匀而形成密度差，从而在重力场中产生浮升力所引起的对流换热现象。反应堆停堆后仍将产生衰变余热，若此时失去氦氙冷却剂的持续供应，堆芯相当于一个放置在环境中的加热体，堆芯加热通道中的空气，空气受热膨胀从图2所示的右侧流出，右侧压力降低使得左侧冷空气注入堆芯，如此形成自然对流，从而导出堆芯余热。

S104，在氦氙供应丧失工况下，计算反应堆堆芯温度。

在氦氙供应丧失工况下，氦氙冷却反应堆呈开放状态。若出现氦氙失压事故，例如系统出现破口氦氙气体泄漏，则导致系统压力从额定2MPa下降至大气压。可选地，通过自然对流算出反应堆表面温度，然后已知反应堆表面温度及堆芯余热功率大小分布，可以由传热学公式算出反应堆堆芯温度，得到堆芯温度最大值。

S106，判断反应堆堆芯温度是否小于燃料熔点及结构材料熔点。

若堆芯温度最大值小于燃料熔点及结构材料熔点，则反应堆是固有安全的。

S108，若是则确定氦氙冷却反应堆为固有安全反应堆。

本发明实施例提供了一种氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法，通过选用合理化的堆芯材料与结构，利用热传导、自然对流和热辐射等自然物理规律，使得反应堆停堆后只剩停堆余热的情况下，不依靠外动力源的输入能够实现堆芯余热的安全导出，令该反应堆具有固有安全特性。

可选地，在自然对流换热条件下，可以根据牛顿冷却定律计算反应堆表面温度。当堆芯表面与周围媒质存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比，如下：

Φ＝Ah(t_f-t_w)

其中，Φ为堆芯衰变余热，h为换热系数，A为换热面积，t_f为周围流体温度，t_w为表面温度。

已经上式中其余四个参数，就可以算出反应堆表面温度t_w。

例如，22MW热功率，衰变热取1.1MW(额定功率的5％)，堆芯最高温度的计算方式如下：

堆芯几何考虑为直径为1.6m、高度为6m的圆柱体，则换热面积为：

A＝π·d·h＝π×1.6×6＝30.2m²

按质量份额折算总体导热系数，为：

λ_fuel＝30W/m·K

λ_graphite＝129W/m·K

λ_clad＝138W/m·K

λ_reflector＝182W/m·K

λ_tot＝ω_fuel·λ_fuel+ω_graphite·λ_graphite+ω_clad·λ_clad+ω_reflector·λ_reflectpr

＝0.21×3+7.4×10^-4×129+0.05×138+182×0.74＝147.96W/m·K

其中，λ_fuel为燃料导热系数，λ_graphite为石墨导热系数，λ_clad为包层导热系数，λ_reflector为反射层导热系数，ω_fuel为燃料质量份额，ω_graphite为石墨质量份额，ω_clad为包层质量份额，ω_reflector为反射层质量份额。

空气温度取300K，普朗特数Pr＝0.71，取强迫对流空气换热系数h＝100，则堆表面温度为：

A·h·(T_wall-T_∞)＝Φ

30.2×100×(T_wall-300)＝1.1×10⁶

T_wall＝664.24K

其中，T_wall为表面温度，T_∞为空气温度。

根据圆柱导热公式，计算中心温度：

T_center＝T_wall+ΔT＝761.04K

其中，ΔT为表面中心温度差，q_l为线功率密度，T_center为中心温度。

本发明提供的应用于陆上移动式小型核反应堆电源的氦氙冷却固体反应堆固有安全设计方法，能够实现事故工况下，只要堆芯能降到只发出余热的情况下，石墨基体及反应堆的自然对流可以把热量导走，确保只要能够降到堆芯余热，反应堆就不会发生熔化。与现有技术相比，不需要外界能源或动力的输入，衰变热可以由热传导、对流和辐射等非能动机制传到反应堆承压层外，再通过自然循环将传出的堆芯余热散发到大气中。核反应堆在运行参数偏离正常时能依靠自然物理规律趋向安全状态，实现真正的固有安全特性。

以上为本申请实施例提供的氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法，基于同样的思路，本申请实施例还提供一种氦氙冷却反应堆的固有安全设计装置。

图3是本申请的一个实施例的氦氙冷却反应堆的固有安全设计装置的结构示意图，该氦氙冷却反应堆的固有安全设计装置包括：

设计模块31，用于所述氦氙冷却反应堆的堆芯结构材料选用石墨，外层承压层选用奥氏体304不锈钢，反应堆布置方式选用横向依次布置方式；

计算模块32，用于在氦氙供应丧失工况下，计算反应堆表面温度及反应堆堆芯温度；

比较模块33，用于确定所述反应堆表面温度及反应堆堆芯温度是否小于燃料熔点及结构材料熔点；

确定模块34，用于若是则确定所述氦氙冷却反应堆为固有安全反应堆。

在一个实施例中，在所述氦氙供应丧失工况下，所述氦氙冷却反应堆呈开放状态。

在一个实施例中，所述反应堆包括承压外壳，以及位于所述承压外壳中的堆芯、涡轮、压气机、回热器和前冷器；所述前冷器、所述压气机、所述回热器、所述堆芯和所述涡轮沿所述承压外壳的长度方向依次排布。

本领域的技术人员应可理解，前述氦氙冷却反应堆的固有安全设计装置能够用来实现前述氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法，其中的细节描述应与前文方法部分描述类似，为避免繁琐，此处不再赘述。

基于同样的思路，本申请实施例还提供一种氦氙冷却反应堆的固有安全设计设备，可以包括一个或一个以上的处理器和存储器，存储器中可以存储有一个或一个以上存储应用程序或数据。存储在存储器的应用程序可以包括一个或一个以上模块，每个模块可以包括氦氙冷却反应堆的固有安全设计设备中的一系列计算机可执行指令。更进一步地，处理器可以设置为与存储器通信，在氦氙冷却反应堆的固有安全设计设备上执行存储器中的一系列计算机可执行指令。

基于同样的思路，本申请实施例还提供一种存储介质，用于存储计算机可执行指令，所述可执行指令在被执行时实现上述氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种氦氙冷却反应堆的固有安全设计方法，其特征在于，包括：

所述氦氙冷却反应堆的堆芯结构材料选用石墨，承压外壳选用奥氏体304不锈钢，反应堆布置方式选用横向依次布置方式；

在氦氙供应丧失工况下，计算反应堆堆芯温度；

判断所述反应堆堆芯温度是否小于燃料熔点及结构材料熔点；

若是则确定所述氦氙冷却反应堆为固有安全反应堆；

其中，所述反应堆包括承压外壳，以及位于所述承压外壳中的堆芯、涡轮、压气机、回热器和前冷器；所述前冷器、所述压气机、所述回热器、所述堆芯和所述涡轮沿所述承压外壳的长度方向依次排布；

所述计算反应堆堆芯温度，包括：在自然对流换热条件下，根据牛顿冷却定律计算反应堆表面温度；根据所述反应堆表面温度及传热学公式计算反应堆堆芯温度。

2.根据权利要求1所述的固有安全设计方法，其特征在于，在所述氦氙供应丧失工况下，所述氦氙冷却反应堆呈开放状态。

3.根据权利要求1所述的固有安全设计方法，其特征在于，所述根据牛顿冷却定律计算反应堆表面温度，包括：

按质量份额计算得到总体导热系数；

根据堆芯衰变余热、强迫对流空气换热系数、空气温度及所述总体导热系数计算反应堆表面温度。

4.一种氦氙冷却反应堆的固有安全设计装置，其特征在于，包括：

设计模块，用于所述氦氙冷却反应堆的堆芯结构材料选用石墨，外层承压层选用奥氏体304不锈钢，反应堆布置方式选用横向依次布置方式；

计算模块，用于在氦氙供应丧失工况下，计算反应堆表面温度及反应堆堆芯温度；

比较模块，用于确定所述反应堆表面温度及反应堆堆芯温度是否小于燃料熔点及结构材料熔点；

确定模块，用于若是则确定所述氦氙冷却反应堆为固有安全反应堆；

其中，所述反应堆包括承压外壳，以及位于所述承压外壳中的堆芯、涡轮、压气机、回热器和前冷器；所述前冷器、所述压气机、所述回热器、所述堆芯和所述涡轮沿所述承压外壳的长度方向依次排布。

5.根据权利要求4所述的固有安全设计装置，其特征在于，在所述氦氙供应丧失工况下，所述氦氙冷却反应堆呈开放状态。

6.根据权利要求4所述的固有安全设计装置，其特征在于，所述反应堆包括承压外壳，以及位于所述承压外壳中的堆芯、涡轮、压气机、回热器和前冷器；

所述前冷器、所述压气机、所述回热器、所述堆芯和所述涡轮沿所述承压外壳的长度方向依次排布。

7.一种氦氙冷却反应堆的固有安全设计设备，其特征在于，包括：

处理器；以及被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述处理器实现权利要求1-3任一项所述的固有安全设计方法。

8.一种存储介质，其特征在于，用于存储计算机可执行指令，所述可执行指令在被执行时实现权利要求1-3任一项所述的固有安全设计方法。