CN220189251U - 一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器，主要包括电机、提升叶轮、内提升通道、装料腔、氧化铅陶瓷小球和外包壳等部件，工作时由电机带动提升叶轮旋转将液态铅铋从内提升通道底部向上输送到达其中部，其中部设置了泄流孔，液态铅铋从这些泄流孔向下流入外包壳与内提升通道之间的装料腔，装料腔内是氧化铅陶瓷小球组成的填充球床，液态铅铋流经球床时氧化铅陶瓷小球发生溶解，氧浓度升高的液态铅铋从外包壳底部流出，达到增氧的目的。所述的一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器用于补充池式液态铅铋系统在运行过程中结构材料消耗的溶解氧，以维持溶解氧浓度处于既不产生固体氧化物又能够使铁基结构材料产生氧化膜的范围内。
Description
技术领域
本实用新型涉及第四代核反应堆铅基快堆领域，具体属于一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器。
背景技术
液态铅铋是第四代反应堆铅基快堆冷却剂和加速器驱动的次临界系统中散裂靶首选材料之一，具有优良的化学、物理和核特性。但液态铅铋在高温下对反应堆结构材料具有很强的腐蚀性，而其腐蚀性受溶解氧浓度的影响。研究表明，非等温液态铅铋系统存在一个合理氧浓度范围，氧浓度控制在此范围内时，使铁基金属材料表面形成致密的氧化层，而氧化层能够减缓液态铅铋合金对结构材料的腐蚀。因此控制溶解氧浓度对液态铅铋系统是必不可少的。目前国际上用于控制液态铅铋合金氧浓度的方式大多数是气态氧控，但是气态氧控存在一些固有缺点；例如利用三元混合气体控制氧浓度时氧离子交换速率较慢；而利用二元气体进行氧控时则低氧分压特别难控制容易导致注气管局部产生氧化物；并且气态氧控有产生气态放射性废物的风险。固态氧控通过调节固态氧化铅陶瓷小球溶解速率，能够对液态铅铋系统进行快速增氧，是一项国际前沿的领先技术，具有高效的氧离子交换速率、快速的氧浓度调节、无氧化物残渣生成等诸多潜在优点，相比于气态氧控来说具有很大的优越性。
发明内容
本实用新型解决的技术问题是：克服液态铅铋合金气态氧控供氧技术的不足，提供一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器，能够快速调节液态铅铋合金的溶解氧浓度，使得液态铅铋合金的氧浓度处于合理范围内，达到有效抑制液态铅铋对结构材料腐蚀的目的。
本实用新型解决上述的技术问题采用的技术方案如下：一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器，包括电机(1)、提升叶轮(10)、内提升通道(22)、装料腔(18)、氧化铅陶瓷小球(19)和外包壳(21)，所述电机(1)与内提升通道(22)的上端法兰(2)密封焊接，与传动杆(7)连接；所述传动杆(7)上部穿过内提升通道的上端法兰(2)与电机(1)连接，下部与提升叶轮(10)连接，带动提升叶轮(10)旋转为铅铋提供向上流动的驱动力，提升叶轮(10)在突扩口(20)处旋转，目的是增大提升流速；所述内提升通道(22)是竖直的液态铅铋内部流动通道，最下端是液态铅铋入口(16)，下部的管道穿过装料腔(18)后利用压紧弹簧(11)和定位螺母(14)压紧装料腔(18)，中部的管道设置了泄流孔(9)，上部的管道外壁面共设置了配合法兰(4)、上端法兰(2)和水冷套(3)，其中上端法兰(2)用于密封连接电机(1)，靠近上端法兰(2)的管道外设置了水冷套(3)，水冷套(3)下方的法兰是配合法兰(4)，配合法兰(4)与外包壳(21)的密封法兰(5)连接固定；所述装料腔(18)用于填充氧化铅陶瓷小球(19)，设置了上孔板(12)和下孔板(17)以及4个分流孔(13)，下孔板(17)被定位螺母(14)顶住，上孔板(12)被压紧弹簧(11)压住，氧化铅陶瓷小球(19)则被固定在装料腔(18)中；所述外包壳(21)用于包容装料腔(18)和内提升通道(22)，其底部设置成倒锥形孔板(15)，倒锥形孔板(15)的中间开孔使内提升通道(22)的液态铅铋入口(16)伸出，中部设置了安全孔(8)，上部设置了安装法兰(6)以便于安装到控氧装置中，上端部设置了密封法兰(5)用于固定内提升通道(22)；所述的一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器工作时，预先将氧化铅陶瓷小球(19)安装到装料腔(18)内，然后将其套上内提升通道(22)再利用定位螺母(14)和压紧弹簧(11)固定装料腔(18)的下孔板(17)和上孔板(12)，接着将内提升通道(22)和外包壳(21)连接密封，再将电机(1)与内提升通道(22)连接密封，最后将整个装置安装到需要供氧的池式铅铋快堆中；开启电机(1)提升铅铋到从内提升通道(22)入口向上流动到泄流孔(9)再向下流动，当高温的液态铅铋流过装料腔(18)时，预置的氧化铅陶瓷小球(19)溶解，氧化铅随液态铅铋进入到低氧浓度的铅铋中，则实现了液态铅铋固态氧控质量交换的目的。
所述内提升通道(22)设置的泄流孔(9)是液态铅铋合金从内流道向外流道流动时的路径，对称分布于内提升通道(22)中部管道的壁面上，多孔对称设计使流场更均匀。
所述压紧弹簧(11)压紧装料腔(18)的上孔板(12)，用于固定和压紧装料腔(18)内的氧化铅陶瓷小球(19)，确保氧化铅陶瓷小球(19)不会因为消耗变小而松散。
其中，所述外包壳(21)底部设置成倒锥形孔板(15)，确保液态铅铋的顺利流出，同时过滤可能的氧化铅陶瓷小球碎片，防止碎片流入液态铅铋系统内。
其中，所述水冷套(3)的设置是为了保证电机(1)的安全工作温度，由于液态铅铋合金的温度很高，常规温度为450℃左右，热量从传动杆(7)传输至电机(1)时温度可能超过电机(1)的耐受温度，导致电机(1)故障或影响使用寿命，所以增加了水冷套(3)进行冷却。
其中，所述外包壳(21)中部设置了安全孔(8)是为了防止由于流道堵塞导致液态铅铋液面升高，避免高温的液态铅铋对上部设备造成损坏。
其中，所述氧化铅陶瓷小球(19)的溶解速率与流体过流速度和温度有关，因此通过调节电机(1)功率和液态铅铋温度来调节增氧速率。
实施本实用新型的有益效果为：
在本实用新型中池式铅铋快堆中溶解氧浓度通过固态氧控质量交换器中氧化铅陶瓷小球的溶解进行补充，相比气态氧控，具有快速的增氧和稳定供氧的能力，不会造成过量氧化物，没有产生气体废弃物的风险。
附图说明
图1为本实用新型一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器原理图；
图2为本实用新型一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器结构示意图；
图2中，电机(1)、上端法兰(2)、水冷套(3)、配合法兰(4)、密封法兰(5)、安装法兰(6)、传动杆(7)、安全孔(8)、密封法兰(8)、泄流孔(9)、提升叶轮(10)、压紧弹簧(11)、上孔板(12)、分流孔(13)、定位螺母(14)、倒锥形孔板(15)、液态铅铋入口(16)、下孔板(17)、装料腔(18)、氧化铅陶瓷小球(19)、突扩口(20)、外包壳(21)、内提升通道(22)。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
本实用新型提供一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器，具有高效的氧离子交换速率、快速的氧浓度调节、无氧化物残渣生成等诸多优点，能够快速调整液态铅铋合金的氧浓度，使得液态铅铋合金的氧浓度处于合理范围内，达到有效抑制液态铅铋合金对结构材料腐蚀的目的。
如图1所示，本实用新型一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器工作原理图，固态氧控质量交换器内提升通道入口处流入的液态铅铋氧浓度为C[O]0，到达内提升通道的泄流孔后向下流动，进入装料腔后液态铅铋流体冲刷氧化铅陶瓷小球使之溶解，由于氧化铅小球溶解球床下游液体铅铋氧浓度变为C[O]1，液态铅铋流体继续向下流动，在出口处与氧浓度为C[O]0的液态铅铋流体混合得到氧浓度为C[O]2的液态铅铋流体，从而达到调节液态铅铋合金中氧浓度的目的。
如图2所示，本实用新型一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器的结构示意图，包括电机(1)、提升叶轮(10)、内提升通道(22)、装料腔(18)、氧化铅陶瓷小球(19)和外包壳(21)，所述电机(1)与内提升通道(22)的上端法兰(2)密封焊接，与传动杆(7)连接；所述传动杆(7)上部穿过内提升通道的上端法兰(2)与电机(1)连接，下部与提升叶轮(10)连接，带动提升叶轮(10)旋转为铅铋提供向上流动的驱动力，提升叶轮(10)在突扩口(20)处旋转，目的是增大提升流速；所述内提升通道(22)是竖直的液态铅铋内部流动通道，最下端是液态铅铋入口(16)，下部的管道穿过装料腔(18)后利用压紧弹簧(11)和定位螺母(14)压紧装料腔(18)，中部的管道设置了泄流孔(9)，上部的管道外壁面共设置了配合法兰(4)、上端法兰(2)和水冷套(3)，其中上端法兰(2)用于密封连接电机(1)，靠近上端法兰(2)的管道外设置了水冷套(3)，水冷套(3)下方的法兰是配合法兰(4)，配合法兰(4)与外包壳(21)的密封法兰(5)连接固定；所述装料腔(18)用于填充氧化铅陶瓷小球(19)，设置了上孔板(12)和下孔板(17)以及4个分流孔(13)，下孔板(17)被定位螺母(14)顶住，上孔板(12)被压紧弹簧(11)压住，氧化铅陶瓷小球(19)则被固定在装料腔(18)中；所述外包壳(21)用于包容装料腔(18)和内提升通道(22)，其底部设置成倒锥形孔板(15)，倒锥形孔板(15)的中间开孔使内提升通道(22)的液态铅铋入口(16)伸出，中部设置了安全孔(8)，上部设置了安装法兰(6)以便于安装到控氧装置中，上端部设置了密封法兰(5)用于固定内提升通道(22)；所述的一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器工作时，预先将氧化铅陶瓷小球(19)安装到装料腔(18)内，然后将其套上内提升通道(22)再利用定位螺母(14)和压紧弹簧(11)固定装料腔(18)的下孔板(17)和上孔板(12)，接着将内提升通道(22)和外包壳(21)连接密封，再将电机(1)与内提升通道(22)连接密封，最后将整个装置安装到需要供氧的池式铅铋快堆中；开启电机(1)提升铅铋到从内提升通道(22)入口向上流动到泄流孔(9)再向下流动，当高温的液态铅铋流过装料腔(18)时，预置的氧化铅陶瓷小球(19)溶解，氧化铅随液态铅铋进入到低氧浓度的铅铋中，则实现了液态铅铋固态氧控质量交换的目的。
氧化铅陶瓷小球(19)的溶解速率与流体过流速度和温度有关，因此通过增大电机(1)转速带动提升叶轮(10)提升速率调节增氧速率，使流过装料腔(18)的液态铅铋流速增大；或者提高整个液态铅铋温度来调节增氧速率。
综上所述，本实用新型一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器，避免了气态氧控存在一些固有缺点；例如利用三元混合气体控制氧浓度时氧离子交换速率较慢；而利用二元气体进行氧控时则低氧分压特别难控制容易导致注气管局部产生氧化物；并且气态氧控有产生气态放射性废物的风险。固态氧控通过调节固态氧化铅陶瓷小球溶解速率，能够对液态铅铋系统进行快速增氧，是一项国际前沿的领先技术，具有高效的氧离子交换速率、快速的氧浓度调节、无氧化物残渣生成等诸多潜在优点，相比于气态氧控来说具有很大的优越性。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器，其特征在于，包括电机(1)、提升叶轮(10)、内提升通道(22)、装料腔(18)、氧化铅陶瓷小球(19)和外包壳(21)，所述电机(1)与内提升通道(22)的上端法兰(2)密封焊接，与传动杆(7)连接；所述传动杆(7)上部穿过内提升通道的上端法兰(2)与电机(1)连接，下部与提升叶轮(10)连接，带动提升叶轮(10)旋转为铅铋提供向上流动的驱动力，提升叶轮(10)在突扩口(20)处旋转，目的是增大提升流速；所述内提升通道(22)是竖直的液态铅铋内部流动通道，最下端是液态铅铋入口(16)，下部的管道穿过装料腔(18)后利用压紧弹簧(11)和定位螺母(14)压紧装料腔(18)，中部的管道设置了泄流孔(9)，上部的管道外壁面共设置了配合法兰(4)、上端法兰(2)和水冷套(3)，其中上端法兰(2)用于密封连接电机(1)，靠近上端法兰(2)的管道外设置了水冷套(3)，水冷套(3)下方的法兰是配合法兰(4)，配合法兰(4)与外包壳(21)的密封法兰(5)连接固定；所述装料腔(18)用于填充氧化铅陶瓷小球(19)，设置了上孔板(12)和下孔板(17)以及4个分流孔(13)，下孔板(17)被定位螺母(14)顶住，上孔板(12)被压紧弹簧(11)压住，氧化铅陶瓷小球(19)则被固定在装料腔(18)中；所述外包壳(21)用于包容装料腔(18)和内提升通道(22)，其底部设置成倒锥形孔板(15)，倒锥形孔板(15)的中间开孔使内提升通道(22)的液态铅铋入口(16)伸出，中部设置了安全孔(8)，上部设置了安装法兰(6)以便于安装到控氧装置中，上端部设置了密封法兰(5)用于固定内提升通道(22)；所述的一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器工作时，预先将氧化铅陶瓷小球(19)安装到装料腔(18)内，然后将其套上内提升通道(22)再利用定位螺母(14)和压紧弹簧(11)固定装料腔(18)的下孔板(17)和上孔板(12)，接着将内提升通道(22)和外包壳(21)连接密封，再将电机(1)与内提升通道(22)连接密封，最后将整个装置安装到需要供氧的池式铅铋快堆中；开启电机(1)提升铅铋到从内提升通道(22)入口向上流动到泄流孔(9)再向下流动，当高温的液态铅铋流过装料腔(18)时，预置的氧化铅陶瓷小球(19)溶解，氧化铅随液态铅铋进入到低氧浓度的铅铋中，则实现了液态铅铋固态氧控氧质量交换。
2.根据权利要求1所述的一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器，其特征在于，内提升通道(22)设置的泄流孔(9)是液态铅铋合金从内流道向外流道流动时的路径，对称分布于内提升通道(22)中部管道的壁面上，多孔对称设计使流场更均匀。
3.根据权利要求1所述的一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器，其特征在于，压紧弹簧(11)压紧装料腔(18)的上孔板(12)，用于固定和压紧装料腔(18)内的氧化铅陶瓷小球(19)，确保氧化铅陶瓷小球(19)不会因为消耗变小而松散。
4.根据权利要求1所述的一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器，其特征在于，外包壳(21)底部设置成倒锥形孔板(15)，确保液态铅铋的顺利流出，同时过滤可能的氧化铅陶瓷小球碎片，防止碎片流入液态铅铋系统内。
5.根据权利要求1所述的一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器，其特征在于，水冷套(3)的设置是为了保证电机(1)的安全工作温度，由于液态铅铋合金的温度很高，常规温度为450℃左右，热量从传动杆(7)传输至电机(1)时温度可能超过电机(1)的耐受温度，导致电机(1)故障或影响使用寿命，所以增加了水冷套(3)进行冷却。
6.根据权利要求1所述的一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器，其特征在于，外包壳(21)中部设置了安全孔(8)是为了防止由于流道堵塞导致液态铅铋液面升高，避免高温的液态铅铋对上部设备造成损坏。
7.根据权利要求1所述的一种池式铅铋快堆固态氧控质量交换器，其特征在于，氧化铅陶瓷小球(19)的溶解速率与流体过流速度和温度有关，因此通过调节电机(1)功率和液态铅铋温度来调节增氧速率。
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| GR01 | Patent grant | ||
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