CN114708996A - 一种用于液态金属冷却反应堆的双层直管换热管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于液态金属冷却反应堆的双层直管换热管，由掺杂了石墨烯的多层石墨烯/316L复合材料的内管以及与之紧密结合的掺杂了石墨烯的多层石墨烯/316L复合材料的外管组成，其中，内管的内壁以及外管的外壁涂有石墨烯纳米防腐涂料，两管间隙注入镓基石墨烯纳米流体。本发明采用紧密贴合在一起的双层直管、多层石墨烯/316L复合材料以及石墨烯纳米防腐涂料，从设计上大大降低了换热管破裂事故发生的概率，从而有效提高热工安全性。同时，本发明通过向两管间隙处注入石墨烯纳米流体，极大降低了紧密贴合处缝隙的传热热阻，并且强化了对流传热，进而高效导出反应堆堆芯裂变热量，进一步带来更大经济效益。

Description

一种用于液态金属冷却反应堆的双层直管换热管
技术领域
本发明属于换热管技术领域，具体涉及一种用于液态金属冷却反应堆的双层直管换热管。
背景技术
钠冷快堆用液态金属钠作为冷却剂，通过流经堆芯的液态钠将核反应释放的热量带出堆外。钠的中子吸收截面小，导热性好，而且不容易减慢中子速度，不会妨碍快堆中链式反应的进行，所以是理想的冷却液体。但钠的缺点是化学性质活泼，易与氧和水起化学反应，在使用钠时，要采取严格的防范措施。为确保因蒸汽发生器泄漏发生钠-水反应时的堆芯安全，钠冷快堆在钠冷却剂回路(一回路)和汽-水回路(二回路)之间增加了一个以液钠为工作介质的中间回路和钠-钠中间热交换器，但热效率势必大打折扣。因此，若能取消中间回路转而改进主换热器的换热管，不仅堆芯安全有保障，热效率也能大幅度提升。
SGTR事故是指蒸汽发生器中一根或多根传热管发生破裂(也包括导致轻微连续泄露的裂纹)导致的事故。它使核电厂第二道屏障(一回路压力边界)失去完整性，并导致一回路和二回路连通，使二回路被具有放射性的一回路水污染。如果凝汽器不可用时，放射性物质就会通过二次侧大气释放阀或安全阀直接排入大气。压水堆核电厂的运行经验表明，SGTR事故在核电厂事故中居首要地位。因此，如果能减少此类事故的发生概率，对于核电站运行的安全性、经济性及可靠性都具有重大意义。
换热管是液态金属冷却反应堆中的关键热传输设备，是将堆芯裂变热传递给二回路冷却剂系统的重要设备，同时也是防止一回路放射性液态金属冷却剂外逸的一道安全屏障。目前，世界液态金属冷却反应堆的换热管结构方案设计较少，能否高效导出反应堆堆芯裂变热量以及能否在高温高压的恶劣工况下保证换热管不发生破裂事故是换热管设计过程中必须解决和回答的问题。采用双层换热管能有效地解决上述问题，但同时对双层换热管的性能也提出了很高的要求。
由于双层管壁表面粗糙度的影响，无论换热管的内外两层管接触地如何紧密，实际情况下只是在一些离散点处接触，而在未接触的地方由空气填充，由于间隙处空气的导热系数远小于换热管所用的固体材料的导热系数，因此具有较大的传热热阻。将石墨烯纳米流体注入到间隙中不仅可以降低传热热阻，而且能大大增强对流传热，提高换热器的可靠性。
316L不锈钢是一种奥氏体不锈钢，光泽度很好，具有较好的耐腐蚀性、力学性能及焊接性能,常用于管道、食品、化工、钟表、建筑、医学等领域，有着极其广泛的应用。目前，国际上液态金属冷却反应堆的换热管大多采用316L和T91两种不锈钢材料。石墨烯在光学、电学、力学和热学方面拥有很多优异的特性，堪称超级材料。单层石墨烯的导热系数高达5300Wm-1K-1，可见，石墨烯具有非常好的热传导性能。采用激光沉积增材制造的方式制备的多层石墨烯/316L复合材料，结合各自的优异性能，不仅提高了整个材料的热量传导速率，而且其他方面的性能也有大幅度提升。因此，若采用多层石墨烯/316L复合材料制的双层换热管，势必提高反应堆的经济性和安全性。
单层石墨烯是一种二维网状材料，理论上单层厚度只有0.34nm，不仅具有非常好的热传导性能，其在防腐涂料方面也有着可观的研究价值。由特种树脂，石墨烯，少量纳米复合陶瓷等材料组成的石墨烯纳米防腐涂料具有耐腐蚀、导热率高、硬度高、耐冲击等众多优异性能。可见，将石墨烯纳米防腐涂料覆盖在换热管管壁上具有不可忽视的价值。
发明内容
本发明的目的是针对液态金属冷却反应堆换热管的需要，克服目前现有技术系统结构复杂，影响反应堆经济性和安全性的不足，提供一种结构简单，壳程冷却剂压损小，可从设计上降低换热管破裂事故发生的概率，同时能高效导出反应堆堆芯裂变热量的适用于液态金属冷却反应堆的双层直管换热管。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于液态金属冷却反应堆的双层直管换热管，所述双层直管换热管包括供二回路冷却剂进入和流出的掺杂了石墨烯的多层石墨烯/316L复合材料的内管、与所述内管紧密结合的掺杂了石墨烯的多层石墨烯/316L复合材料的外管以及所述内管和外管之间的间隙；其中，所述内管的内壁涂有第一石墨烯纳米防腐涂料以及所述外管的外壁涂有第二石墨烯纳米防腐涂料，所述间隙注入镓基石墨烯纳米流体。
进一步地，所述内管与外管通过机械力紧密贴合在一起，且均为直管。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明采用紧密贴合在一起的双层直管，与意大利MYRRHA单管直管换热管相比，任意一管出现裂纹都会在两层管接触的地方停止扩展，互不干涉，因此，从设计上大大降低了换热管破裂事故发生的概率，从而有效提高反应堆热工安全性；与欧盟ELSY螺旋换热管相比，能有效降低一次侧的压损，提高一回路的自然循环能力，同时，泵的功耗小，流体振动幅度小，管束不易磨损，结构设计简单，寿命更长。
(2)本发明两管间隙注入有镓基石墨烯纳米流体，当内管或外管有地方出现裂纹，可及时检测出来，从而可以及时阻止换热管破裂事故的发生，更进一步提高反应堆热工安全性。由于间隙注入有镓基石墨烯纳米流体，使得原有的空气间隙传热热阻大大降低。由于间隙的宽度很窄，微小的通道使得对流传热系数增加，有效强化了对流传热，同时大量纳米颗粒的存在不仅增加了流体的热容量与表面积，而且大大增加了流体的有效导热系数，有利于反应堆裂变释放热量的导出，进一步提高反应堆的经济性。
(3)本发明所使用的石墨烯纳米防腐涂料，具有耐酸碱、耐腐蚀的优异性能，覆盖在内管内壁与外管外壁上，有效避免了因内管内壁与二回路冷却剂以及外管外壁与一回路冷却剂接触而造成的对换热管材料的腐蚀，对冷却剂起到了很好的屏蔽作用。同时，由于石墨烯纳米防腐涂料的耐冲击性能，有效降低了换热管内部拉应力的大小以及换热管的振动，进而大大减弱了对材料的应力腐蚀，更进一步提高反应堆热工安全性。同时，由于石墨烯纳米防腐涂料非常高的导热率，有利于热量的传递，进一步优化了换热管的传热性能。同时，由于石墨烯纳米防腐涂料的硬度优势，使得该换热管具有更大的承压能力，更耐温差，进一步降低了换热管破裂事故发生的概率。
(4)本发明所使用的多层石墨烯/316L复合材料相比于316L不锈钢材料，其硬度更高使得该换热管的承压能力进一步提高，更耐温差，有效提高了反应堆热工安全性。同时，由于多层石墨烯/316L复合材料更快的热量传导速率、更高的导热系数，有利于反应堆裂变释放热量的导出，进一步提高反应堆的经济性。
附图说明
图1为本发明的双层直管换热管局部结构示意图；
图2为本发明的双层直管换热管局部间隙放大示意图；
图3为本发明的双层直管换热管俯视图。
图中：1-二回路冷却剂，2-内管，3-间隙，4-外管，5-一回路冷却剂，6-第一石墨烯纳米防腐涂料，7-第二石墨烯纳米防腐涂料。
具体实施方式
本发明提供一种用于液态金属冷却反应堆的双层直管换热管，下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细阐述：
图1、图2是本发明的一种用于液态金属冷却反应堆的双层直管换热管的局部结构示意图和局部间隙放大示意图。本发明的双层直管换热管包括掺杂了石墨烯的多层石墨烯/316L复合材料形成的供二回路冷却剂1进入和流出的内管2以及与所述内管2紧密结合的掺杂了石墨烯的多层石墨烯/316L复合材料的外管4。其中，所述内管2的内壁涂有第一石墨烯纳米防腐涂料6以及外管4的外壁涂有第二石墨烯纳米防腐涂料7，所述内管2和外管4的间隙3注入镓基石墨烯纳米流体。
在反应堆正常运行工况下，如反应堆功率运行模式(RP)。此时所述内管2内壁涂有的第一石墨烯纳米防腐涂料6与所述二回路冷却剂1直接接触，所述外管4外壁涂有的第二石墨烯纳米防腐涂料7与一回路冷却剂5直接接触。所述一回路冷却剂5在泵的作用下在壳程自上而下流动，所述二回路冷却剂1在管程自下而上流动，形成平行逆流换热方式。由于所述内管2内的所述二回路冷却剂1和所述外管4外的所述一回路冷却剂5的温度差，一回路冷却剂5经堆芯时吸收核裂变释放的热量，依次通过所述外管4外壁涂有的第二石墨烯纳米防腐涂料7、外管4、注入有镓基石墨烯纳米流体的间隙3、内管2、内管2内壁涂有的第一石墨烯纳米防腐涂料6，最终将热量传递给所述二回路冷却剂1。
所述的内管2与外管4通过机械力紧密贴合在一起，且均为直管。通过机械力紧密地贴合在一起相较于其它工艺可以使间隙最小化，任意一管出现裂纹都会在两层管接触的地方停止扩展，互不干涉，因此，从设计上大大降低了换热管破裂事故发生的概率。对于铅合金冷却反应堆，采用这样的设计能降低一次侧压损，有助于建立自然循环流动方式，从设计上降低换热管破裂事故发生的概率。
所述的内管2与外管4所用材料均为性能更优的多层石墨烯/316L复合材料。使用这样的材料使得该换热管具有更大的承压能力，更耐温差，进一步降低了换热管破裂事故发生的概率，同时其热量传导速率更快，导热系数更高，从而有效提高了反应堆的热工安全性。
所述的内管2的内壁涂有第一石墨烯纳米防腐涂料6以及外管4的外壁涂有第二石墨烯纳米防腐涂料7。涂有这样的涂料有效避免了因内管2的内壁与二回路冷却剂1以及外管4的外壁与一回路冷却剂5接触而造成的对换热管材料的腐蚀，对冷却剂起到了很好的屏蔽作用，同时进一步降低了换热管破裂事故发生的概率。
所述的内管2与外管4之间的间隙3注入的石墨烯纳米流体使得原有的空气缝隙传热热阻大大降低，有效强化了对流传热，进一步提高反应堆的经济性。
所述的石墨烯纳米流体以液态金属镓为基液，添加新型碳纳米材料碳纳米管制得。由于金属镓的低熔点、高沸点、高热导率，可见将镓作为石墨烯纳米流体基液不会因温度高而产生沸腾现象，适用于液态金属冷却反应堆。其除了满足所需的工作温度范围以外，还保证其与换热管壁材料之间的相容性问题。
在换热管设计中，要严格控制石墨烯添加的量。在采用激光沉积增材制造的方式制备多层石墨烯/316L复合材料时，若石墨烯添加的量过多，反而会适得其反，相较于316L钢材，其各项性能都会大幅度下降，进一步不利于提高反应堆安全性和经济性。
在换热管设计中，要严格控制配制石墨烯纳米防腐涂料的各项材料的比重。石墨烯纳米防腐涂料是由特种树脂、石墨烯、功能颜料、填料、助剂、溶剂等材料配制而成的双组份防腐涂料。对于不同的应用场合，各项材料所占的比重全然不同，对于腐蚀能力强、温度高的一回路冷却剂5侧，应适当增加各项比重。
在换热管设计中，在工质允许的范围内，间隙3宽度应尽可能地加工到最小，从而间隙3处的石墨烯纳米流体的流动分子效应越明显，进一步强化对流传热。但同时也要注意到：若间隙3过小，则无法阻止任意一管出现的裂纹扩展至另一管，若间隙3过大，不利于热量传递，因此，一般取平均值10um-35um。
在换热管设计中，由于双层管壁表面粗糙度的影响，无论换热管的内外两层管接触地如何紧密，实际情况下只是在一些离散点处接触，而在未接触的地方——间隙3由空气填充，内管2与外管4之间的间隙3应由上管板以及下管板完全封死，并在封死前先将间隙3处抽真空。
在换热管设计中，应保证导热的水平均匀性，同时避免出现局部区域温度过高的情况，因此，应注意内管2内壁涂有的第一石墨烯纳米防腐涂料6以及外管4外壁涂有的第二石墨烯纳米防腐涂料7的均匀性和完整性。
下面以某铅铋冷却反应堆的双层直管换热管为例，对换热管的主要技术参数和相关运行工况进行阐述。
整个反应堆的热功率为10MW，所设计的这种液态金属冷却反应堆的双层直管换热管由供二回路冷却剂1进入和流出的掺杂了石墨烯的多层石墨烯/316L复合材料的内管2、与内管2紧密结合的掺杂了石墨烯的多层石墨烯/316L复合材料的外管4以及所述内管2和外管4之间的间隙3，其中，内管2的内壁涂有第一石墨烯纳米防腐涂料6以及外管4的外壁涂有第二石墨烯纳米防腐涂料7，两管的间隙3注入镓基石墨烯纳米流体。
为了更好的进行定量分析，这里对本发明换热管模型进行简化：
假定无轴向热量传递，热量只沿径向均匀传递；
假定热量传递过程中，只存在热传导与热对流，不计热辐射；
假定作为一回路冷却剂5的铅铋合金与作为二回路冷却剂1的加压水温度保持恒定；
假定内管2与外管4光滑，间隙3均为d；
由于间隙3相对于双层直管换热管半径，可以忽略不计，假定内管2内径为d3、内管2外径为d2、外管4内径为d2、外管4外径为d1；
假定内管2内壁的石墨烯纳米防腐涂料6与外管4外壁的石墨烯纳米防腐涂料7厚度均为δ；
假定换热管长度为l；
对于多层石墨烯/316L复合材料导热系数可以采用激光闪光-拉曼光谱法进行测量，这里以316L钢材导热系数代替多层石墨烯/316L复合材料导热系数，并假定为λ1；
石墨烯纳米防腐涂料导热系数假定为λ2；
假定镓基石墨烯纳米流体(石墨烯质量分数为0.05％)对流表面传热系数为h1；
假定空气的对流表面传热系数为h2；
假定加压水的对流表面传热系数为h3；
假定铅铋合金的对流表面传热系数为h4；
假定总传热系数为k；
假定以上假定参数均为常数，任何时候都不发生改变；
对于现有层面的双层管，间隙3处为空气且内管2内壁与外管4外壁均没有石墨烯纳米防腐涂料，该问题为一维问题，采用圆柱坐标，传热总热阻：
Figure BDA0003592933640000061
对于本发明，间隙3处为镓基石墨烯纳米流体且内管2内壁覆盖有石墨烯纳米防腐涂料6与外管4外壁覆盖有石墨烯纳米防腐涂料7，该问题依旧为一维问题，采用圆柱坐标，则传热总热阻：
Figure BDA0003592933640000062
相关参数的具体数值如下表所示：
Figure BDA0003592933640000071
将上述参数的具体数值代入R1、R2中，可得：
R1≈442.1K/W R2≈7.0K/W
可见，与现有的双层管相比，本发明对热量传递的阻碍作用大大减弱，更有利于热量的传递。
总之，本发明采用紧密贴合在一起的双层直管、多层石墨烯/316L复合材料以及石墨烯纳米防腐涂料，从设计上大大降低了换热管破裂事故发生的概率，从而有效提高热工安全性。同时，本发明通过向两管间隙处注入石墨烯纳米流体，极大降低了紧密贴合处缝隙的传热热阻，并且强化了对流传热，进而高效导出反应堆堆芯裂变热量，进一步带来更大经济效益。本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种用于液态金属冷却反应堆的双层直管换热管，其特征在于：所述双层直管换热管包括供二回路冷却剂(1)进入和流出的掺杂了石墨烯的多层石墨烯/316L复合材料的内管(2)、与所述内管(2)紧密结合的掺杂了石墨烯的多层石墨烯/316L复合材料的外管(4)以及所述内管(2)和外管(4)之间的间隙(3)；其中，所述内管(2)的内壁涂有第一石墨烯纳米防腐涂料(6)以及所述外管(4)的外壁涂有第二石墨烯纳米防腐涂料(7)，所述间隙(3)注入镓基石墨烯纳米流体。
2.根据权利要求1所述的一种用于液态金属冷却反应堆的双层直管换热管，其特征在于：所述内管(2)与外管(4)通过机械力紧密贴合在一起，且均为直管。
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