CN116779195A - 放射性气溶胶滞留装置、高温气冷堆反应系统及实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种放射性气溶胶滞留装置、高温气冷堆反应系统及实验系统。包括水洗滞留池和进气管，水洗滞留池内间隔设有多个折流板，相邻折流板之间、折流板与水洗滞留池的池壁之间形成多个滞留区；进气管的出口端与位于最底部的滞留区连通。使用时，将进气管与高温气冷堆的一回路连接，在发生进水事故时，进水使高温气冷堆的一回路压力升高，混杂有裂变产物和放射性石墨颗粒的气流经进气管流入水洗滞留池，水洗滞留池中水对气流中的裂变产物和放射性石墨颗粒进行滞留吸收，且水洗滞留池内通过间隔设置的多个折流板形成的滞留区能够延长气流在水洗滞留池中的滞留时间，能够提升对非冷凝氦气气流中的微小尺寸裂变产物和放射性石墨颗粒的吸收效果。
Description
技术领域
本发明涉及核安全技术领域，尤其涉及放射性气溶胶滞留装置、高温气冷堆反应系统及实验系统。
背景技术
高温气冷堆是第四代核电的重要选项，具有很强的应用前景。对于球床式高温气冷堆，燃料元件和堆内构件均为石墨材料，燃料球与结构元件的磨损会产生石墨粉尘，并吸附放射性裂变产物，成为事故安全分析和源项评估的重点。在高温气冷堆HTR-PM和HTR-PM600设计基准事故中，仅有进水事故会导致一回路超压泄放。发生进水事故发生会导致大量原本沉积的放射性石墨粉尘发生重悬浮。现有技术中，通常将球床式高温气冷堆设置于安全壳内，当触发超压泄放整定值时，一回路安全阀打开，大量石墨颗粒随高温氦气被排放到安全壳中，又由于低压通风型安全壳的使用，石墨颗粒最终将从泄放导管排放到外界环境中，造成放射性泄露。
虽然石墨粉尘作为球床式高温气冷堆的重要源项而备受关注，但现有技术中仍未有针对该源项的主动清除设计。从清除难度来说，相较于压水堆和沸水堆中的粉尘，高温气冷堆内的石墨粉尘具有难以清除的特点。一方面在于石墨易碎导致粉尘粒径分布偏小，已有研究预测经过泄放阀撞击后的石墨气溶胶粒径分布大多在2微米以下，斯托克斯数小，不利于去除。另一方面，由于高温气冷堆一回路介质氦气的非凝结性特点和低压通风型安全壳的设计，无法利用冷凝机制来捕获粉尘，这与轻水堆十分不同。
因此，亟需一种适用于高温气冷堆的放射性石墨气溶胶滞留装置，且需要特别的结构设计来实现对石墨粉尘的高清除能力，以在发生进水事故时对放射性气溶胶进行滞留吸收。
发明内容
本发明一方面提供一种放射性气溶胶滞留装置，针对高温气冷堆发生进水事故时，对高温气冷堆的一回路中溢出的含裂变产物及放射性石墨粉尘的氦气及水蒸气(放射性气溶胶)进行滞留吸收处理。
本发明另一方面实施例提供一种高温气冷堆反应系统。
本发明另一方面实施例提供一种实验系统。
本发明提供一种放射性气溶胶滞留装置，包括：
水洗滞留池，所述水洗滞留池内间隔设有多个折流板，相邻所述折流板之间、所述折流板与所述水洗滞留池的池壁之间形成多个滞留区；
进气管，所述进气管的进口端适用于与高温气冷堆的一回路连接，所述进气管的出口端与位于最底部的所述滞留区连通。
根据本发明提供的放射性气溶胶滞留装置，所述进气管包括进气总管和多个进气支管，所有的所述进气支管与所述进气总管连通，多个所述进气支管分别与位于不同高度的多个所述滞留区连通。
根据本发明提供的放射性气溶胶滞留装置，所述进气管包括进气总管和多个进气支管，多个所述进气支管的出口端均布于位于最底部的所述滞留区的底部。
根据本发明提供的放射性气溶胶滞留装置，位于最上端的所述滞留区的上方设有气泡破碎装置，所述气泡破碎装置包括至少一块气泡破碎板，所述气泡破碎板上均布设有通孔；所述气泡破碎装置在包括多块所述气泡破碎板的情况下，所述气泡破碎板间隔设置。
根据本发明提供的放射性气溶胶滞留装置，还包括水位反馈调节模块，所述水位反馈调节模块包括控制器、放射性检测装置和补水装置，所述放射性检测装置设置于所述进气管，所述补水装置与所述水洗滞留池连通，放射性检测装置和所述补水装置与所述控制器通信连接。
根据本发明提供的放射性气溶胶滞留装置，所述进气管的出口端设有文丘里管。
根据本发明提供的放射性气溶胶滞留装置，所述水洗滞留池内设有固体杂质吸附剂。
根据本发明提供的放射性气溶胶滞留装置，还包括后处理池，所述水洗滞留池与所述后处理池之间采用连接管连通，所述连接管的第一端与所述水洗滞留池的上端连接，所述连接管的第二端与所述后处理池的底部连接。
本发明还提供一种高温气冷堆反应系统，包括高温气冷堆、安全壳和如上任一项所述的放射性气溶胶滞留装置，所述放射性气溶胶滞留装置设置于所述安全壳内，所述进气管与所述高温气冷堆的一回路连接，所述进气管上设有安全阀，所述安全壳上设有第一排气管，所述第一排气管上设有爆破阀。
本发明还提供一种实验系统，包括通过管路依次连接的空气压缩机、气溶胶发生装置和如上任一项所述的放射性气溶胶滞留装置，所述放射性气溶胶滞留装置连接有第二排气管；
所述气溶胶发生装置与所述放射性气溶胶滞留装置之间设有第一采样口，所述第二排气管上设有第二采样口。
根据本发明提供的实验系统，所述空气压缩机与所述气溶胶发生装置之间依次串联设有控制阀、质量流量控制器和第一过滤器；
所述第二排气管上设有干燥器，所述干燥器设置于所述第二采样口的上游，所述排气管的出口端设有第二过滤器。
本发明提供的放射性气溶胶滞留装置，使用时，将进气管与高温气冷堆的一回路连接，在发生进水事故时，进水使高温气冷堆的一回路压力升高，混杂有裂变产物和放射性石墨颗粒的气流经进气管流入水洗滞留池，水洗滞留池中水对气流中的裂变产物和放射性石墨颗粒进行滞留吸收，且水洗滞留池内通过间隔设置的多个折流板形成的滞留区能够延长非冷凝氦气气流中的微小尺寸裂变产物在水洗滞留池中的滞留时间，能够提升对气流中的裂变产物和放射性石墨颗粒的吸收效果。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的放射性气溶胶滞留装置的示意图；
图2是本发明实施例提供的放射性气溶胶滞留装置中放射性石墨颗粒捕获机制示意图；
图3是本发明另一实施例提供的放射性气溶胶滞留装置的示意图；
图4是本发明另一实施例提供的放射性气溶胶滞留装置的示意图；
图5是本发明另一实施例提供的放射性气溶胶滞留装置的示意图；
图6是本发明另一实施例提供的放射性气溶胶滞留装置的示意图；
图7是本发明实施例提供的高温气冷堆反应系统的示意图；
图8是本发明实施例提供的实验系统的示意图；
图9是本发明实施例提供的实验系统中实验数据结果图之一；
图10是本发明实施例提供的实验系统中实验数据结果图之二。
附图标记：
1、水洗滞留池2、进气管；3、折流板；4、气泡破碎装置；5、后处理池；6、连接管；7、高温气冷堆；8、安全壳；9、安全阀；10、第一排气管；11、爆破阀；12、空气压缩机；13、气溶胶发生装置；14、第二排气管；15、第一采样口；16、第二采样口；17、控制阀；18、质量流量控制器；19、第一过滤器；20、干燥器；21、第二过滤器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图10描述本发明提供的放射性气溶胶滞留装置、高温气冷堆反应系统及实验系统。
如图1所示，本发明提供一种放射性气溶胶滞留装置，包括水洗滞留池1和进气管2。其中，水洗滞留池1内间隔设有多个折流板3，相邻折流板3之间、折流板3与水洗滞留池1的池壁之间形成多个滞留区；进气管2的进口端适用于与高温气冷堆的一回路连接，进气管2的出口端与位于最底部的滞留区连通。
需要说明的是，本发明对水洗滞留池1中折流板3的数量不做具体限定，一般来说，折流板3的数量越多，水洗滞留池1中形成的滞留区也就越多，能够使带有放射性固体杂质颗粒的气流在水洗滞留池1中的滞留时间变长，提升放射性石墨颗粒的捕获吸收效果。在本发明实施例中，水洗滞留池1内采用水对放射性石墨颗粒进行滞留吸收。水对放射性石墨颗粒捕获吸收的机制如图2所示，放射性气溶胶射入水洗滞留池1后，在进入水洗滞留池1的部分形成边界不稳定的连续大气泡，由于惯性和重力沉降，固体颗粒运动到气液边界并被液体捕获。在上层的高水位区，气泡破碎形成尺寸稳定和速度稳定的小气泡群，在这一区间内，颗粒依靠扩散、热泳、惯性、沉降等机制被液体捕获从而滞留在水池中，最后经过滞留吸收的气流经由水洗滞留池1顶部出口逸出。可以预见的是，在一些实施例中，水洗滞留池1中也可以不设置折流板3，直接将带有放射性固体杂质颗粒的气流通入水洗滞留池中进行处理即可。由于经高温气冷堆一回路流出的带有放射性固体杂质颗粒的气流温度和压强较高，本发明实施例中，进气管采用至少可以耐受250℃温度和1MPa压力的金属材质；水洗滞留池1可以采用方柱体，也可以采用圆柱体，其顶部设有用于气体流出的排气口。
本发明提供的放射性气溶胶滞留装置，使用时，将进气管2与高温气冷堆的一回路连接，在发生进水事故时，进水使高温气冷堆的一回路压力升高，混杂有放射性固体杂质颗粒(主要包括裂变产物和放射性石墨颗粒)的气流经进气管2流入水洗滞留池1，水洗滞留池1中水对气流中的放射性固体杂质颗粒进行滞留吸收，且水洗滞留池1内通过间隔设置的多个折流板3形成的滞留区能够延长非冷凝氦气气流中的微小尺寸裂变产物在水洗滞留池1中的滞留时间，能够提升对气流中的放射性固体杂质颗粒的吸收效果。
由于高温气冷堆溢出的石墨颗粒具有粗糙片层形貌和易碎性材质，通过超压泄放安全阀后石墨颗粒容易破碎至2μm以下，本发明提供如下三种方案，以提升对放射性固体杂质颗粒的吸收效果，请参照图3至图5。
如图3所示，在本发明一些实施例中，进气管2包括进气总管和多个进气支管，所有的进气支管与进气总管连通，多个进气支管分别与位于不同高度的多个滞留区连通。当高温气冷堆的一回路排出的气量较大时，在进气总管上连通多个进气支管，并将多个进气支管分别与不同高度的滞留区连通，能够通过多个进气支管将混杂有放射性固体杂质颗粒的气流分配至不同高度的滞留区进行同时处理，可以有效地加快高温气冷堆的一回路的泄压速度，还能够保证对放射性固体杂质颗粒滞留吸收效果。
如图4所示，在本发明一些实施例中，进气管2包括进气总管和多个进气支管，多个进气支管的出口端均布于位于最底部的滞留区的底部。如此，能够将混杂有放射性固体杂质颗粒的气流经进气总管分配至多个进气支管，再通过多个进气支管均匀地输送至水洗滞留池1内，提升对放射性固体杂质颗粒滞留吸收效果。
如图5所示，在本发明一些实施例中，位于最上端的滞留区的上方设有气泡破碎装置4，气泡破碎装置4包括多块间隔设置的气泡破碎板，气泡破碎板上均布设有通孔。气泡破碎装置4能够将滞留区未吸收的气泡进行破碎，再通过气泡破碎装置4上放的水对放射性固体杂质颗粒进行吸收，以提升对放射性固体杂质颗粒滞留吸收效果。当然，在一些实施例中，气泡破碎装置4还可以仅包括一块气泡破碎板，同样能够对气泡起到破碎效果。可以预见的是，在如图3和图4所示的实施例中，也可以设置上述的气泡破碎装置4。在一些实施例中，还可以在位于最下端的折流板3的下方设置气泡破碎装置4。
在本发明一些实施例提供的放射性气溶胶滞留装置中，还包括水位反馈调节模块，水位反馈调节模块包括控制器、放射性检测装置和补水装置，放射性检测装置设置于进气管2，补水装置与水洗滞留池1连通，放射性检测装置和补水装置与控制器通信连接。放射性检测装置检测到进气管2中的放射性较高时，控制器可以控制补水装置对水洗滞留池1内进行补水，增加补水池的深度，延长带有放射性固体杂质颗粒的气流在水洗滞留池1中的滞留吸收时间。
在本发明一些实施例中，进气管2的出口端设有文丘里管。文丘里管具备两个扩口和一个喉部，能够使进气管2进入水洗滞留池1中的气体产生较小的气泡，以提升放射性固体杂质颗粒的滞留吸收效果。在一些实施例中，还可以在文丘里管的出口处设置气泡破碎网，在气泡破碎网的作用下进一步将气泡破碎变小，以提升放射性固体杂质颗粒的滞留吸收效果。
在本发明一些实施例中，水洗滞留池1内设有固体杂质吸附剂。具体地，可以在折流板3的表面设置吸附剂载体，并将吸附剂固定设置于吸附剂载体上，通过设置吸附剂能够将被捕获的放射性固体杂质颗粒收集吸附。固体杂质吸附剂可以采用硅胶、氧化铝和分子筛等多孔物质等。
如图6所示，在本发明一些实施例提供的放射性气溶胶滞留装置中，还包括后处理池5，水洗滞留池1与后处理池5之间采用连接管6连通，连接管6的第一端与水洗滞留池1的上端连接，连接管6的第二端与后处理池5的底部连接。后处理池5可以对经水洗滞留池1处理后的气体再次进行吸收处理(尾气处理)，提升对放射性固体杂质颗粒的滞留吸收效果，增加装置的安全性。可以预见的是，在一些实施例中，还可以设置多级后处理池5进行后处理。
如图7所示，本发明实施例还提供一种高温气冷堆反应系统，包括高温气冷堆7、安全壳8和如上任一项实施例所述的放射性气溶胶滞留装置，放射性气溶胶滞留装置设置于安全壳8内，进气管2与高温气冷堆7的一回路连接，进气管2上设有安全阀9，安全壳8上设有第一排气管10，第一排气管10上设有爆破阀11。模块式高温气冷堆在核反应过程中具有独特的固有安全性，从理论上消除了发生严重事故的可能性，成为第四代先进反应堆的重要选择。对于球床式高温气冷堆，燃料元件和堆内构件均为石墨材料，燃料球与结构元件的磨损会产生石墨粉尘，并吸附放射性裂变产物，成为事故安全分析和源项评估的重点。在高温气冷堆HTR-PM和HTR-PM600设计基准事故中，仅有进水事故会导致一回路超压泄放。当一回路超压泄放时，一回路中的蒸汽发生器的螺旋换热管断裂，安全阀9起跳打开，一回路内含裂变产物及放射性石墨粉尘的氦气及水蒸气(放射性气溶胶)经进气管2流入水洗滞留池1，水洗滞留池1内的多个滞留区(内的水)能够对裂变产物及放射性石墨粉尘进行滞留吸收，吸收后的排气可以进入后处理池5进行后处理，或者直接排放至其他后处理设备。
本发明提供的高温气冷堆反应系统，利用在安全壳8内设置的放射性气溶胶滞留装置对放射性气溶胶进行吸收处理，去除其中的放射性固体杂质，代替现有技术中将放射性气溶胶直接通入安全壳8内的方式，其安全性更高，且具备较好的吸收效果。
如图8所示，本发明实施例还提供一种实验系统，包括通过管路依次连接的空气压缩机12、气溶胶发生装置13和如上任一项实施例所述的放射性气溶胶滞留装置，放射性气溶胶滞留装置连接有第二排气管14；
气溶胶发生装置13与放射性气溶胶滞留装置之间设有第一采样口15，第二排气管14上设有第二采样口16。
在本发明实施例中，空气压缩机12与气溶胶发生装置13之间依次串联设有控制阀17、质量流量控制器18和第一过滤器19；第二排气管14上设有干燥器20，干燥器20设置于第二采样口16的上游，排气管的出口端设有第二过滤器21。控制阀17可以控制管路的通断。质量流量控制器18可以对空气压缩机12通入管路中的流量进行控制，第一过滤器19能够将空气中的固体杂质进行过滤，防止其影响实验结果。干燥器20能够去除排气中的夹带液滴，降低对第二采样口16采样结果的影响，第二过滤器21能够将排气中残留的固体杂质进行清除，防止造成空气污染。
下面就本发明提供的实验系统的实验过程进行具体说明，请参照图8至图10。
如图8所示，空气压缩机12向管路中鼓入高压空气，高压空气流经气溶胶发生装置13后带出气溶胶颗粒形成放射性气溶胶，放射性气溶胶在进入放射性气溶胶滞留装置之前经第一采样口15进行采样检测，得出进口处的放射性固体颗粒浓度，放射性气溶胶进入放射性气溶胶滞留装置滞留吸收后经第二采样口16进行采样检测，得出出口处的放射性固体颗粒浓度。通过本发明提供的实验系统可以得出经放射性气溶胶滞留装置处理前后的放射性固体颗粒浓度，并使用水洗效率指标Q来表征滞留吸收的效果，水洗效率即被去除的颗粒总质量与入口颗粒总质量之比。具体地，可以采用气溶胶粒径谱仪测量第一采样口15和第二采样口16处的气流颗粒浓度。
如图9所示，实验结果表明，质量流量控制器18将回路气流控制在30L/min，随着水深的增加，水洗效率逐渐提高，当水深为105厘米时，已经可以清除95％以上的实验固体颗粒(以石墨颗粒为例)。考虑安全裕量和水洗滞留池1挥发导致的水深偏低问题，本发明设定水深至少为1.5米高。如图10所示，实验中采用的石墨颗粒的粒径主要分布在500纳米至10微米之间，水洗滞留池1对不同粒径大小的石墨颗粒都有显著的清除效果。由此可见，本发明提供的放射性气溶胶滞留装置能够对放射性气溶胶中的放射性固体杂质起到显著的清除效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (11)
1.一种放射性气溶胶滞留装置，其特征在于，包括：
水洗滞留池，所述水洗滞留池内间隔设有多个折流板，相邻所述折流板之间、所述折流板与所述水洗滞留池的池壁之间形成多个滞留区；
进气管，所述进气管的进口端适用于与高温气冷堆的一回路连接，所述进气管的出口端与位于最底部的所述滞留区连通。
2.根据权利要求1所述的放射性气溶胶滞留装置，其特征在于，所述进气管包括进气总管和多个进气支管，所有的所述进气支管与所述进气总管连通，多个所述进气支管分别与位于不同高度的多个所述滞留区连通。
3.根据权利要求1所述的放射性气溶胶滞留装置，其特征在于，所述进气管包括进气总管和多个进气支管，多个所述进气支管的出口端均布于位于最底部的所述滞留区的底部。
4.根据权利要求1所述的放射性气溶胶滞留装置，其特征在于，位于最上端的所述滞留区的上方设有气泡破碎装置，所述气泡破碎装置包括至少一块气泡破碎板，所述气泡破碎板上均布设有通孔；所述气泡破碎装置在包括多块所述气泡破碎板的情况下，所述气泡破碎板间隔设置。
5.根据权利要求1所述的放射性气溶胶滞留装置，其特征在于，还包括水位反馈调节模块，所述水位反馈调节模块包括控制器、放射性检测装置和补水装置，所述放射性检测装置设置于所述进气管，所述补水装置与所述水洗滞留池连通，放射性检测装置和所述补水装置与所述控制器通信连接。
6.根据权利要求1所述的放射性气溶胶滞留装置，其特征在于，所述进气管的出口端设有文丘里管。
7.根据权利要求1所述的放射性气溶胶滞留装置，其特征在于，所述水洗滞留池内设有固体杂质吸附剂。
8.根据权利要求1-7任一项所述的放射性气溶胶滞留装置，其特征在于，还包括后处理池，所述水洗滞留池与所述后处理池之间采用连接管连通，所述连接管的第一端与所述水洗滞留池的上端连接，所述连接管的第二端与所述后处理池的底部连接。
9.一种高温气冷堆反应系统，其特征在于，包括高温气冷堆、安全壳和如权利要求1-8任一项所述的放射性气溶胶滞留装置，所述放射性气溶胶滞留装置设置于所述安全壳内，所述进气管与所述高温气冷堆的一回路连接，所述进气管上设有安全阀，所述安全壳上设有第一排气管，所述第一排气管上设有爆破阀。
10.一种实验系统，其特征在于，包括通过管路依次连接的空气压缩机、气溶胶发生装置和如权利要求1-8任一项所述的放射性气溶胶滞留装置，所述放射性气溶胶滞留装置连接有第二排气管；
所述气溶胶发生装置与所述放射性气溶胶滞留装置之间设有第一采样口，所述第二排气管上设有第二采样口。
11.根据权利要求10所述的实验系统，其特征在于：所述空气压缩机与所述气溶胶发生装置之间依次串联设有控制阀、质量流量控制器和第一过滤器；
所述第二排气管上设有干燥器，所述干燥器设置于所述第二采样口的上游，所述第二排气管的出口端设有第二过滤器。
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