CN117716446A - 使用重液态金属冷却剂的核反应堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核电工程，且具体涉及主要使用基于铅或基于铅铋合金的重液态金属冷却剂来确保核反应堆的安全。所述核反应堆，在堆芯入口处，包括过滤器(5)，所述过滤器(5)具有多个孔(11、12)位于所述过滤器5的不同高度处，用于冷却剂的通过并用于捕获杂质颗粒。孔(11)的尺寸不超过所述堆芯中最小流动面积的特征尺寸，并且孔(11、12)沿着所述过滤器5的高度间隔开，使得没有任何杂质颗粒能够同时阻塞位于不同的高度的孔。技术效果是提高的冷却剂中颗粒的净化程度，而不显著地降低冷却剂的自然循环水平。

Description

使用重液态金属冷却剂的核反应堆

技术领域

本发明涉及核电工程，特别涉及确保核反应堆(nuclear reactors，NRs)的安全，主要使用基于铅或基于铅铋合金的重液态金属冷却剂(heavy liquid metal coolant，HLMC)。

背景技术

所有在反应堆装置使用的液态金属冷却剂的一个特点是，由于维持所需冷却剂质量的系统运行中断或其他工作介质进入冷却剂，可能会形成不溶性杂质。例如，油从循环泵的轴承进入会导致其破裂并形成不溶于重液态金属冷却剂和碱金属的固体颗粒。空气进入重液态金属冷却剂回路的气体系统会导致形成过量的氧化铅，这可能沉积在表面上，也可能以固体颗粒的形式存在于冷却剂中。

冷却剂中和表面上存在的固体颗粒，有可能会被冷却剂流去除表面污染物，这是一种极其危险的现象，可能导致与堆芯入口处的冷却剂流区域重叠。此类事件的结果可能是反应堆堆芯中燃料元件(fuel elements，FEs)的热量损失或显着减少，以及燃料元件的危险过热及其后续的损坏。

解决上述问题的一种可能是在堆芯入口处安装全流式过滤器，以去除冷却堆芯的整个冷却剂流中的不溶性杂质。然而，这个问题没有简单的解决方案，因为过滤器堵塞也会导致堆芯冷却损失的事故。同时，传统的过滤器设计通常具有足够高的液压阻力，这导致泵送冷却剂的成本增加，并且会显着地降低自然循环水平，从而使安全特性恶化。

现有技术公开了多种方法来解决液态金属冷却剂中的杂质和颗粒的净化问题，然而，这些方法大部分基于使用化学试剂或加热冷却剂。

因此，根据一些俄罗斯专利，RU2226723、RU2247435、RU44414、RU120275等，对于冷却剂净化，建议将还原性气体混合物应用于铅冷却剂。美国专利US3854933公开了一种钠冷却剂，其通过在450至850摄氏度的温度下溶解杂质并随后冷却至略高于冷却剂熔点的温度来纯化。另一项美国专利US4928497公开了一种冷阱(cooled trap)，用于通过去除溶解在冷却剂中的氧气和氢气来净化液态金属冷却剂，这会导致颗粒的形成。德国专利DE1813822公开了通过在回热式热交换器(recuperative heat exchanger)中将冷却剂加热到略高于饱和点的方式来净化(含铅的)冷却剂。然后冷却液进入冷却器，冷却器内除壁上沉积杂质外，还额外安装旋风分离器。

俄罗斯专利RU2632814提到了使用机械过滤器净化冷却剂的可能性。德国专利号DE1583891和DE1758953提出使用多孔膜来机械净化冷却剂。此外，中国专利申请CN111739671提出使用磁力分离器来去除铅冷却剂中的杂质。

作为本发明的原型，可以根据俄罗斯专利RU2608596选择具有液态金属冷却剂的快中子反应堆。热阱(hot trap)位于由燃料组件(fuel assembly,FA)形成的核反应堆的堆芯中。热阱主体的制作与燃料组件主体相同，且主体内部有一个装有材料(吸气剂(getter))的滤筒，旨在吸收钠液态金属冷却剂中的杂质。此现有技术解决方案使得可以简化反应器设计和操作、提高反应器容器的可靠性以及消除对使用额外工艺设备的需要。

旨在净化冷却剂的已知现有技术(包括原型)的缺点是它们的复杂性，导致核反应堆的可靠性降低、需要经常维护以及冷却剂净化颗粒的效率低。

发明内容

本发明要解决的问题是消除同家族专利的上述缺点并提高核反应堆的操作安全性。

所提出的发明的技术成果是提高了冷却剂中颗粒的净化程度，而不显着降低自然冷却剂循环水平。

为了解决所述问题并达到特定的技术效果，建议在核反应堆堆芯入口处的过滤器中安装一个有不同高度孔的过滤器，使冷却剂能够通过这些孔并捕获杂质颗粒。这些孔的尺寸不超过堆芯中最小流动面积的特征尺寸。同时，这些孔沿所述过滤器的高度间隔开，使得任何杂质颗粒都不能同时堵塞位于不同高度的孔。

为了避免冷却剂堵塞或过滤器渗透性显着恶化的问题，过滤器捕获的颗粒尺寸应大于燃料元件之间的流动面积的最小尺寸，并且应使用带有上述特征尺寸孔的设计。然后，可能堵塞燃料元件之间的冷却剂流通部分的颗粒将被捕获，而不会对堆芯中的流动区域造成阻塞威胁的颗粒将通过过滤器。换句话说，过滤器仅捕获那些对堆芯冷却构成直接威胁的颗粒。

因此，解决了两个重要的技术问题：第一是防止由于燃料元件网格内冷却剂流动区域重叠而造成堆芯冷却浪费；其次，防止由于过滤器被小颗粒堵塞而造成堆芯冷却浪费，这不会对堆芯中的散热造成危险。在过滤器和堆芯之间形成腔室，堆芯元件固定在腔室中。在这种情况下，即使过滤器的部分流通区域被堵塞，所述腔室中的冷却剂流也会被重新分配，使得堆芯入口处的流量在所有通道中是均等的。所述腔室的存在确保了堆芯冷却可靠性的提高。

另外，由于使用至少两个高度水平的过滤孔，从表面去除的大颗粒聚集体或大部分沉积物在最小程度上阻塞了这种过滤器捕集器的流动区域，而不会显着影响冷却剂流动。

在本发明的可能实施例中也解决了给定的问题，并且也实现了所要求保护的技术结果，然而，本发明不限于此。

因此，所述过滤器可以制成具有孔的第一板的形式，并且包括多个杯体，其底部基本上垂直于所述第一板放置并且从所述第一板突出，所述底部定向在冷却剂流的下游。同时，底部包括多个孔。在这样的过滤器设计中，冷却剂流被分成两部分：一部分穿过下游的孔，穿过具有底部的杯体，且所述底部包括孔；第二部分水流穿过位于上游的所述第一板上的孔，并且所述第一板中的孔的直径优选大于所述底部中的孔的直径。在这种情况下，水流携带的大颗粒要么因与杯体的碰撞而被分成较小的颗粒，要么它们通过较大直径的孔穿过第二高度水平孔上方，或者被水流压至所述第一板而不阻碍冷却剂流过所述杯体。因此，大颗粒或沉积物不能同时阻塞大面积，并且所述过滤器的突出结构元件形成用于压碎大污染物颗粒的装置。

优选的是，所述过滤器包括第二板，所述第二板位于所述第一板的与所述底部位置相对的一侧。具有较大颗粒的冷却剂流穿过所述第一板，进入形成在所述第一板和所述第二板之间的腔室，且所述杯体通过所述第一板和所述第二板。所述杯体中的孔可以形成在所述第一板和所述第二板之间的区域中，并且优选地位于所述杯体的下部部分中，更靠近所述第一板。这些孔的尺寸以及杯体底部中的孔的尺寸优选地不超过堆芯中的最小流动面积。因此，已经进入所述第一板、所述第二板和所述杯体之间的所述腔室的空腔的较大颗粒由于与结构元件的碰撞而被压碎，或者被卡在所述腔室中。由于冷却剂出口的孔位于所述腔室的底部，因此在这些孔被堵塞之前，所述腔室上部的颗粒团聚不会阻碍冷却剂的流动。

所述第一板和所述杯体中的孔的形状可以是圆形的。或者，所有或部分最小特征尺寸的孔可以制成纵向槽的形式，其中特征最小尺寸是槽宽度。同时，槽孔显然确保了上述技术成果的实现，但通过增加流动面积，它们还降低了过滤器的流阻。

在本发明的另一个实施例中，所述过滤器包括第二板，当可拆卸单元安装在核反应堆中时，排气口可以设置在所述第二板中，以去除气体。

另外，所述核反应堆可以包括位于所述过滤器上游和冷却剂流下游的冷却剂搅拌器。

下面，参考附图更详细地解释所要求保护的核反应堆的设计及其可能的实施例，本发明不限于此。

附图说明

图1示意性地示出了带有过滤器的核反应堆的可拆卸单元。

图2示出了具有第一板和第二板的过滤器的实施例。

图3示出了根据图2的过滤器实施例的区域A的放大视图。

图4a示出了图3中杯体的1-1部分。

图4b示出了图3中杯体的2-2部分。

图中标记了以下元件，且图中箭头通常显示冷却剂的运动。

1：支撑网格；

2：燃料组件；

3：护套；

4：侧反应堆元件；

5：过滤器；

6：过滤器本体；

7.1：第一板；

7.2：第二板；

8：杯体；

9：通气孔；

10：底部；

11：底部的孔；

12：第一板上的孔；

13：杯体上的孔。

具体实施方式

一般而言，核反应堆(nuclear reactor，NR)包括反应堆容器、堆芯、控制与保护系统、至少一个循环泵、至少一个热交换器以及本领域技术人员熟知的其他部件。由于这些部件不是本发明的保护对象，因此不对它们进行详细解释。

所述核反应堆的堆芯由可拆卸单元定义，这也是众所周知的核反应堆元件，示意性如图1所示。特别地，所述可拆卸单元包括支撑网格1、多个燃料组件2、控制与保护系统(control and protection system，CPS)的多个护套3、侧反应堆元件4和其他元件。

根据本发明的所述核反应堆的设计的特征在于，在所述堆芯下方、特别是在所述支撑栅格1下方放置过滤器5，所述过滤器5设计成过滤液态金属冷却剂流中的颗粒。所述过滤器5是机械过滤器，其中颗粒通过所述过滤器5的结构元件中形成的孔进行过滤：当冷却剂通过这些孔时，特征尺寸超过这些孔的特征尺寸的颗粒被保留在所述过滤器5的结构元件中而不进入所述核反应堆的堆芯。

由于所述过滤器5首先必须确保有效过滤颗粒，其次必须确保对冷却剂流的低阻力，因此本发明提出所述过滤器5包括位于不同高度处的多个孔，至少位于两个不同高度处的孔。这些孔沿所述过滤器的高度间隔开，使得任何杂质颗粒都不能同时堵塞位于不同高度的孔。在这种情况下，这些孔的尺寸(或这些孔的特征尺寸，如果它们制成复杂形状，例如细长形状)不应超过所述堆芯中最小流动面积的特征尺寸，例如所述燃料组件2中相邻的燃料元件之间的距离。

具体而言，所述过滤器5设计用于保护所述堆芯免受大于2.5毫米(小于燃料元件之间的单元尺寸)的机械颗粒的进入，并且平衡所述堆芯入口处的冷却剂流量。

图2详细示出了所述过滤器5的可能实施例。所述过滤器5是包括圆柱形过滤器本体6的组装单元，第一板7.1通过焊接固定在所述过滤器本体6内。另外，但不是必须的，第二板7.2也可以固定在本体6内部，与所述第一板7.1间隔开。

在所述第一板7.1上，固定有多个过滤杯体8(例如通过焊接)。

如果所述过滤器5也包括所述第二板7.2，则优选的是，杯体8的一部分仅焊接到其中的一个板(例如所述第二板7.2)，而所述杯体8的另一部分同时与所述第一板7.1和所述第二板7.2焊接，以保证所述过滤器5有足够的结构刚度。

另外，如果所述过滤器5包括所述第二板7.2，则通气孔9可以安装在所述第二板7.2中，以在所述核反应堆中安装可拆卸单元时去除气体。

所述杯体8包括底部10，所述底部10中形成有底部的孔11(图3、图4a)。流向所述堆芯的冷却剂流经过所述孔11以及所述第一板7.1中形成的通孔12进行过滤(图3)。此时，孔11和孔12位于所述过滤器5的不同高度处，如图3所示。冷却剂流被分成两部分：一部分冷却剂流穿过孔11向下游穿过具有底部10的杯体8。冷却剂流的第二部分穿过位于上游的所述第一板7.1中的孔12。

孔11的尺寸(或者孔11的特征尺寸，如果它们被制成复杂形状，例如细长形状)不应超过所述堆芯中的最小流动面积的特征尺寸，例如，燃料组件2中相邻的燃料元件之间的距离。在这种情况下，优选地，所述第一板7.1中的孔12的直径大于所述底部10的孔11的直径。

水流携带的大颗粒由于与所述杯体8的碰撞而被分成较小的颗粒，或者它们穿过第二高度孔的上方并且通过较大直径的孔12，或者被水流压向所述第一板7.1而不阻碍冷却剂流动。因此，大颗粒或沉积物不能同时阻塞大区域，并且所述过滤器5的突出结构元件可以粉碎大的污染物颗粒。

如果所述过滤器5还包括所述第二板7.2，则优选地可在所述杯体8的中间部分中制作孔13(参见图3、图4b)，以供冷却剂通过所述过滤器5，以防所述杯体8的下部的流通部分被堵塞。过滤后的颗粒可以保留在所述第一板7.1和所述第二板7.2之间。

孔13的尺寸以及所述杯体8的底部中的孔11的尺寸优选地不超过所述堆芯中的最小流动面积。因此，已经进入所述第一板7.1、所述第二板7.2和所述杯体8之间的空腔的较大颗粒，要么由于与结构元件的碰撞而被压碎，要么被卡在所述空腔中。

所述第一板7.1和/或所述杯体8中的孔11、12和13的形状可以是圆形的。或者，全部或部分的孔可以制成纵向槽的形式，其中特征(最小)尺寸是槽宽度。同时，槽通过增加流动面积来减少所述过滤器5的液压阻力。

因此，要求保护的发明提高了核反应堆的操作安全性，并且提高了冷却剂净化颗粒的程度，同时不会显着地降低自然冷却剂循环水平。

Claims (7)

1.一种使用重液态金属冷却剂的核反应堆，所述核反应堆包含反应堆容器、堆芯、控制与保护系统、至少一个循环泵和至少一个热交换器，其特征在于：在所述堆芯的入口处包括过滤器，所述过滤器具有多个孔，且所述多个孔位于所述过滤器的不同高度上，用作冷却剂的通道并用于捕获杂质颗粒，其中所述多个孔的特征尺寸不超过所述堆芯中的最小流动面积的特征尺寸，并且所述多个孔沿所述过滤器的高度间隔开，使得任何杂质颗粒都不能同时堵塞位于不同高度的所述多个孔。

2.如权利要求1所述的核反应堆，其特征在于：所述过滤器被制成具有多个孔的第一板的形式，并且包括多个具有底部的杯体，所述杯体实质上垂直于所述第一板并且从所述第一板突出，并且所述底部向下延伸到冷却剂流中，所述底部有多个孔。

3.如权利要求2所述的核反应堆，其特征在于：所述过滤器包括第二板，位于所述第一板的与所述底部位置相对的一侧。

4.如权利要求3所述的核反应堆，其特征在于：所述多个孔形成在所述杯体位于所述第一板和所述第二板之间的区域中。

5.如权利要求1至4中任一项所述的核反应堆，其特征在于：至少一些所述多个孔的截面实质上为圆形。

6.如权利要求1至4中任一项所述的核反应堆，其特征在于：至少一些所述多个孔的截面实质上呈细长状。

7.如权利要求3或4所述的核反应堆，其特征在于：所述第二板设有多个通气孔。