CN219017251U - 一种熔盐堆 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种熔盐堆。该熔盐堆包括堆芯容器和至少一个螺旋盘管；螺旋盘管设于堆芯容器中；螺旋盘管的内部为中空结构，且包括自螺旋盘管的顶部入口端起沿螺旋盘管的纵轴线呈螺旋形向下延伸至底端面的下降管路，以及沿螺旋盘管的底端面向上折返延伸至螺旋盘管的顶部出口端的上升管路，下降管路和上升管路在螺旋盘管的底端面处连通；入口端与出口端均与能量转化系统连接。本申请的熔盐堆结构紧凑，且能够有效提高熔盐堆的热效率、可靠性和稳定性。

Description

一种熔盐堆

技术领域

本实用新型涉及一种熔盐堆。

背景技术

核能能量密度高且高效清洁，因此有着广泛应用。微型反应堆功率从千瓦级到兆瓦级，具有小巧灵活、建设周期短、安全可靠、适应性强等特点，可采用车载或船载方式实现移动式部署，是偏远地区商业运营、军事基地或深海供电主要趋势之一，具备较强的实用价值。美俄等国从上世纪六十年代即开始研发空间、潜艇等用途核反应堆，我国需要提升微型反应堆技术创新及应用以提高综合竞争力。

熔盐堆是第四代核能系统中唯一液态燃料堆型，燃料盐即可作为燃料也可以作为冷却剂，燃料均匀分布于熔盐中使燃耗均匀化；堆芯工作温度高，具有较高热效率，同时保持低蒸汽压，从而降低机械应力，提高安全性，并且比熔融钠冷却剂活性低。中国专利文献CN201711137574.3公开了一种一体化小型熔盐堆，采用热管插入熔盐堆堆芯导出核热，热管冷端需要连接换热器，增加了热量损失；中国专利文献CN202111079829.1熔盐堆堆芯及熔盐堆系统采用气体管路通入堆芯将热量直接导出至布雷顿循环回路，具有较高传热效率。但难以避免流致振动和高温热应力可能导致的变形破损等问题。而且在摇摆等环境中，由于管排在不同角度对自然对流的影响不同导致热工不稳定问题。以上两种专利都由于堆芯两端(或一端)存在大量而密集的焊点，造成制备上的困难。在高温热应力、振动、摇摆或冲击等条件下，焊点处容易造成破口，导致熔盐泄漏等安全性问题。

因此，亟需提供一种热效率高、性能稳定可靠的熔盐堆及其组装运行方法和应用。

实用新型内容

本实用新型在于克服现有技术中熔盐堆的热效率低，易产生应力形变、性能不稳定等问题，并提供一种熔盐堆及其应用和运行方法。本实用新型的熔盐堆结构紧凑，且能够有效提高熔盐堆的热效率、可靠性和稳定性。

为了实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

本实用新型提供了一种熔盐堆，所述熔盐堆包括堆芯容器和至少一个螺旋盘管；所述螺旋盘管设于所述堆芯容器中；

所述螺旋盘管的内部为中空结构，且包括自所述螺旋盘管的顶部入口端起沿所述螺旋盘管的纵轴线呈螺旋形向下延伸至底端面的下降管路，以及沿所述螺旋盘管的底端面向上折返延伸至所述螺旋盘管的顶部出口端的上升管路，所述下降管路和所述上升管路在所述螺旋盘管的底端面处连通。

本实用新型中，所述堆芯容器的外部设计可按本领域常规，由所述堆芯容器内沿轴线向外依次设有反射层、屏蔽层和保温层。

本实用新型中，所述堆芯容器一般可设有进口和出口，用于通入和排出堆芯燃料盐和保护气。

本实用新型中，所述反射层中一般可设有至少两个控制鼓或侧控制罩，较佳地，所述控制鼓沿所述堆芯容器的中心线对称分布。

本实用新型中，较佳地，所述螺旋盘管为单侧螺旋盘管或双侧螺旋盘管；其中，所述单侧螺旋盘管包括沿所述单侧螺旋盘管的底端面垂直向上折返延伸至所述单侧螺旋盘管的顶部出口端的上升管路；其中，所述双侧螺旋盘管包括沿所述双侧螺旋盘管的底端面呈螺旋形向上折返延伸至所述双侧螺旋盘管的顶部出口端的上升管路。

本实用新型中，所述堆芯容器可包括停堆棒，所述停堆棒较佳地设于所述堆芯容器的中心；其宜采用磁驱动机构，尽量减少封头贯穿件。

本实用新型中，所述螺旋盘管的入口端和出口端一般可设置在同侧。

本实用新型中，较佳地，所述入口端和所述出口端分别与能量转化系统连接。

一较佳的实施例中，当所述螺旋盘管为一个时，所述螺旋盘管的入口端和出口端与所述能量转化系统直接连接。

另一较佳的实施例中，当所述螺旋盘管为至少两个时，所述堆芯容器内的上部设有一汇集室，所述汇集室通过一隔板分为冷流体汇集室和热流体汇集室，并与所述能量转化系统相连；各所述螺旋盘管的入口端与所述冷流体汇集室相连，各所述螺旋盘管的出口端均与所述热流体汇集室相连。冷流体从所述冷流体汇集室进入各螺旋盘管的入口端，经熔盐堆加热后，热流体从各螺旋盘管的出口端经过所述热流体汇集室进入能量转化系统，经能量系统换热后重新变为冷流体回到所述冷流体汇集室，形成一回路。

本实用新型中，较佳地，所述能量转换系统为斯特林发电系统、布雷顿循环系统和高温制氢储能系统中的一种或多种。

本实用新型中，较佳地，所述螺旋盘管的内壁和/或外壁为光滑、螺纹、波纹、槽或凸起结构中的一种或多种。上述结构可减薄边界层、增加流体质点扰动同时扩展传热面积，提高换热效率。

本实用新型中，较佳地，所述螺旋盘管为圆管或扁管；所述圆管为径向截面为圆形的管路，所述扁管为径向截面为椭圆形的管路。

本实用新型中，较佳地，所述螺旋盘管的壁厚为1～3mm。

本实用新型中，较佳地，所述螺旋盘管的螺距相等。

本实用新型中，较佳地，当所述螺旋盘管的数量为至少两个时，各所述螺旋盘管的管径相同；各所述螺旋盘管之间的间距相同。

本实用新型中，所述螺旋盘管的螺距、间距、管径可根据堆芯功率密度分布进行适应性调整。

本实用新型中，较佳地，当各所述螺旋盘管的直径相等时，各所述螺旋盘管的中轴线在一圆形的圆周上或一正三角形的边长上；较佳地为各所述螺旋盘管的中轴线在同心圆的圆周上。

本实用新型中，较佳地，当各所述螺旋盘管的直径不相等时，各所述螺旋盘管的中轴线在一圆形的圆周上或一正三角形的边长上或按同心环排列。

本实用新型中，较佳地，所述堆芯容器中还设有至少两个定距柱，各所述定距柱之间夹设有一螺旋盘管，以提高螺旋管刚性。

本实用新型中，较佳地，所述堆芯容器的底部有定距块或凹槽，用于径向固定所述螺旋盘管。

本实用新型中，较佳地，所述堆芯容器的材料为耐高温熔盐腐蚀和辐照的金属材料，较佳地为哈氏合金。

本实用新型中，较佳地，所述螺旋盘管的材料为高热导率耐高温腐蚀辐照材料，所述高热导率耐高温腐蚀辐照材料的导热系数为11W/(m·K)以上，例如12～220W/(m·K)。

其中，较佳地，所述螺旋盘管的材料为铬合金、铁碳合金、钛合金和镍合金中的一种或多种。

一较佳的实施例中，当所述螺旋盘管的材料为铬合金时，所述铬合金为不锈钢；所述不锈钢的导热系数为17.4W/(m·K)。

一较佳的实施例中，当所述螺旋盘管的材料为铁碳合金时，所述铁碳合金为钢；所述钢的导热系数为45.4W/(m·K)。

一较佳的实施例中，当所述螺旋盘管的材料为镍合金时，所述镍合金的导热系数为12.3～171W/(m·K)。

本实用新型中，所述熔盐堆的放置方式可为横置、竖置或任意角度。

本实用新型还提供了一种如上所述的熔盐堆在陆基机动、深海探测或偏远地区的能源供应中的应用。

本实用新型还提供了一种熔盐堆的运行方法，其采用如上所述的熔盐堆，其包括如下步骤，用含有冷却剂的所述螺旋盘管进行换热。

本实用新型中，所述熔盐堆一般可含有燃料盐和保护气，所述保护气位于所述燃料盐的上方；所述螺旋盘管浸于所述熔盐堆中。

其中，所述堆芯燃料盐的上方一般留有一定的保护气和燃料盐膨胀空间。

本实用新型中，较佳地，所述堆芯燃料盐的体积占所述堆芯容器的体积的10～95％。

其中，较佳地，所述燃料盐为液态燃料盐，更佳地为FLiU。当所述燃料盐为FLiU时，所述燃料盐在所述堆芯容器中的预留体积大于等于5％，对于LiF与UF₄的摩尔比为72.5:27.5的FLiU，当温度由600℃上升至800℃，熔盐体积膨胀约5％。

其中，较佳地，所述燃料盐的加入方式采用气压压注法。

其中，较佳地，所述熔盐堆的运行温度为500℃以上，更佳地为500-800℃。

其中，较佳地，所述冷却剂为冷却气或冷却液，更佳地为氦气、氦氙、氢气、超临界二氧化碳、钠钾合金、熔盐、铅铋或钠。

其中，较佳地，所述熔盐堆的运行功率为10kW～10MW，更佳地为十千瓦或百千瓦级。

其中，较佳地，当所述冷却剂为冷却气时，所述螺旋盘管为内壁呈螺纹或波纹状的圆管，所述螺旋盘管的外壁为光滑圆管，以提高气体侧换热能力，圆管外壁光滑减少熔盐应力腐蚀。

其中，较佳地，当所述冷却剂为冷却液时，所述螺旋盘管的内壁为光滑圆管。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。

本实用新型所用试剂和原料均市售可得。

本实用新型的积极进步效果在于：

(1)本实用新型的熔盐堆中，采用螺旋盘管浸入熔盐池，由管内冷却剂直接带走核热，无中间回路，提高了换热效率；螺旋盘管的设计可在高温熔盐中可有效补偿热位移，消除热应力。

(2)在本实用新型的熔盐堆中，熔盐可在盘管外横向或纵向流动，不同倾角下熔盐流动变化小，可减小摇摆等环境因素对堆芯熔盐对流换热的影响；

(3)本实用新型的熔盐堆的堆型经济性好，易于维护，适用于海洋环境、陆基机动及偏远地区的能源供应。

(4)本实用新型熔盐堆的结构紧凑，对冷热变化有良好补偿能力；同时轴向和径向都有相对均匀的管间流道。相比于管状反应堆，有效避免应力变形和不同倾角时的热工稳定性问题。

附图说明

图1为实施例1熔盐堆的结构示意图；

图2为实施例1螺旋盘管的结构示意图；

图3为实施例1熔盐堆的应用示意图；

附图标记说明：

熔盐堆A

堆芯活性区1

螺旋盘管2

下降管路2a

上升管路2b

堆芯容器3

反射层4

屏蔽层5

保温层6

进口7a

出口7b

控制鼓8

能量转化系统9

定距块10

定距柱11

汇集室12

冷流体汇集室12a

热流体汇集室12b

斯特林发电系统18

布雷顿循环系统19

高温制氢储能系统20。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型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

图1为实施例1熔盐堆的结构示意图。

该熔盐堆A为竖置高温熔盐堆，其包括堆芯容器3和12个螺旋盘管2。堆芯容器3的内部空间为堆芯活性区1，堆芯活性区1的直径为36cm，堆芯容器3的高度为50cm；螺旋盘管2设于堆芯容器3中。

其中，一种螺旋盘管设计为，螺旋盘管2的内部为中空结构的单侧螺旋盘管，且包括自螺旋盘管2的顶部入口端2a起沿螺旋盘管2的纵轴线呈螺旋形向下延伸至底端面的下降管路2c，以及沿螺旋盘管2的底端面垂直向上折返延伸至螺旋盘管2的顶部出口端2b的上升管路2d，下降管路2c和上升管路2d在螺旋盘管2的底端面处连通，螺旋盘管的入口端2a和出口端2b的直径均为4.2cm；

图2是另一种螺旋盘管的结构示意图。双侧螺旋盘管2包括沿双侧螺旋盘管2的底端面呈螺旋形向上折返延伸至双侧螺旋盘管2的顶部出口端的上升管路。

各螺旋盘管2的中轴线在同心圆的圆周上，螺距均为2cm，并每个螺旋盘管2夹持在两个定距柱11，其间距均为2.8cm，堆芯容器3的底部有定距块10，用于固定螺旋盘管2；螺旋盘管2的直径均为1.5cm，壁厚均为1.5mm，由哈氏合金材料制成；螺旋盘管2为圆管，其内壁为螺纹结构，增大层流扰动，增强换热。堆芯容器3内的上部设有一汇集室12，汇集室12通过一隔板分为冷流体汇集室12a和热流体汇集室12b，并与能量转化系统9相连，各螺旋盘管2的入口端与冷流体汇集室12a相连，各螺旋盘管2的出口端均与热流体汇集室12b相连。

由堆芯容器3内沿轴线向外依次设有反射层4、屏蔽层5和保温层6；堆芯容器3设有进口71和出口72，用于通入和排出堆芯燃料盐和保护气，进口71和出口72的直径均为3.8cm；堆芯容器3及其端盖的材质为哈氏合金，厚度为1cm，反射层4的材质为氧化铍，厚度10cm；屏蔽层5的材质为B4C和钨复合材料，厚度10cm；保温层6的厚度为15cm；6个控制鼓8的直径均为6cm，沿堆芯容器3的中心线对称分布于反射层4中。能量转化系统9包括斯特林发电系统18、布雷顿循环系统19和高温制氢储能系统20。熔盐堆A的总直径为108cm，总高度为122cm，其与能量转化系统9连接后系统的总高度在200cm。结构紧凑，便于组装和运输。

图3为实施例1熔盐堆的应用示意图。采用上述熔盐堆A，其中含有以FLiU燃料盐作为堆芯燃料和保护气，堆芯燃料的加入方式采用气压压注法。该熔盐堆A的热功率为50kW，其运行方法包括如下步骤：用含有以氦气作为冷却剂的螺旋盘管2进行换热，各螺旋盘管2的入口端2a的温度为550℃，出口端2b的温度650℃，冷却剂流速为15m/s，压降损失为46kPa。熔盐堆A中含有燃料盐和保护气，保护气位于燃料盐的上方；螺旋盘管2浸于熔盐堆A中。熔盐堆A的运行平均温度620℃，最高670℃。能量转化系统的氦气入口温度650℃，出口温度550℃，考虑5％热损失，发电量45kWe，系统效率45％，是指热转化为电的效率。

现有技术的直管堆，其热点在直管的上部，当直管堆横置时，由于堆芯上方的熔盐距离热管距离较远，热点温度升高，比如，中国专利文献CN202111079829.1所述的相同大小的直管式熔盐堆，不同放置角度下温度变化为80℃。相比之下，本申请的熔盐堆由于熔盐流动变化小，更具有热工稳定性。由于本申请的熔盐堆结构，使得熔盐和螺旋盘管在不同角度下，间距差别不大，以0-90°不同放置角度下熔盐温度变化小于10℃。

另外，传统的熔盐堆一般采用二回路，即堆芯燃料盐核热先传递给一回路，再经由一回路传递给二回路，再传给能量转化系统，能量损失比较多，一般系统效率20-30％。本实用新型的熔盐堆，由于螺旋管直接浸入堆芯换热，且只有一个回路，损失小且效率高。

本实施例中的熔盐堆能够有效提高熔盐堆的热效率、降低热应力，在应对摇摆等环境时展现较高的系统稳定性。该熔盐堆可应用于陆基机动、深海探测或偏远地区的能源供应中。

Claims (8)

1.一种熔盐堆，其特征在于，所述熔盐堆包括堆芯容器和至少一个螺旋盘管；所述螺旋盘管设于所述堆芯容器中；

所述螺旋盘管的内部为中空结构，且包括自所述螺旋盘管的顶部入口端起沿所述螺旋盘管的纵轴线呈螺旋形向下延伸至底端面的下降管路，以及沿所述螺旋盘管的底端面向上折返延伸至所述螺旋盘管的顶部出口端的上升管路，所述下降管路和所述上升管路在所述螺旋盘管的底端面处连通。

2.如权利要求1所述的熔盐堆，其特征在于，所述堆芯容器内沿轴线向外依次设有反射层、屏蔽层和保温层；

所述堆芯容器设有进口和出口，用于通入和排出堆芯燃料盐和保护气；

所述反射层中设有至少两个控制鼓，所述控制鼓沿所述堆芯容器的中心线对称分布；

所述螺旋盘管为单侧螺旋盘管或双侧螺旋盘管；

所述堆芯容器包括停堆棒，所述停堆棒设于所述堆芯容器的中心。

3.如权利要求1所述的熔盐堆，其特征在于，所述入口端和所述出口端分别与能量转化系统连接。

4.如权利要求3所述的熔盐堆，其特征在于，当所述螺旋盘管为一个时，所述螺旋盘管的入口端和出口端与所述能量转化系统直接连接；

或，当所述螺旋盘管为至少两个时，所述堆芯容器内的上部设有一汇集室，所述汇集室通过一隔板分为冷流体汇集室和热流体汇集室，并与所述能量转化系统相连；各所述螺旋盘管的入口端与所述冷流体汇集室相连，各所述螺旋盘管的出口端均与所述热流体汇集室相连。

5.如权利要求3所述的熔盐堆，其特征在于，所述能量转化系统为斯特林发电系统、布雷顿循环系统和高温制氢储能系统中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的熔盐堆，其特征在于，所述螺旋盘管满足以下条件中的一种或多种：

①所述螺旋盘管的内壁和/或外壁为光滑、螺纹、波纹、槽或凸起结构中的一种或多种；

②所述螺旋盘管为圆管或扁管；

③所述螺旋盘管的壁厚为1～3mm；

④所述螺旋盘管的螺距相等；

⑤当所述螺旋盘管的数量为至少两个时，各所述螺旋盘管的管径相同；各所述螺旋盘管之间的间距相同。

7.如权利要求1所述的熔盐堆，其特征在于，当各所述螺旋盘管的直径相等时，各所述螺旋盘管的中轴线在一圆形的圆周上或一正三角形的边长上；

或，当各所述螺旋盘管的直径不相等时，各所述螺旋盘管的中轴线在一圆形的圆周上或一正三角形的边长上或按同心环排列。

8.如权利要求1所述的熔盐堆，其特征在于，所述堆芯容器中还设有至少两个定距柱，各所述定距柱之间夹设有一螺旋盘管；

所述堆芯容器的底部有定距块或凹槽，用于固定所述螺旋盘管。

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