CN101964214A

CN101964214A - 用于反应堆冷中子源的单相慢化剂自然循环装置

Info

Publication number: CN101964214A
Application number: CN2010102733812A
Authority: CN
Inventors: 冯全科; 孙硕; 李健; 余小玲; 吴伟烽
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2030-09-06
Also published as: CN101964214B

Abstract

一种应用于反应堆冷中子源的单相慢化剂自然循环装置，包括一个壳管式换热器，该换热器的管侧入口连通上升管内流道的出口和慢化剂储罐连接管，换热器的管侧出口连通下降管的内流道的入口；换热器的壳侧入口连通冷源供气管，换热器的壳侧出口连通下降管的外夹层的入口；下降管的内流道出口连通冷包的内流道的入口，下降管的外夹层出口连通冷包的外夹层入口；冷包的内流道出口连通上升管的内流道入口，冷包的外夹层出口连通上升管的外夹层，上升管的外夹层下部连通冷源回气管；换热器管侧与下降管，冷包，上升管的内流道构成慢化剂循环回路，冷源供气管、换热器的壳侧、下降管的外夹层、冷包的外夹层、上升管的外夹层和冷源回气管构成制冷剂回路。

Description

用于反应堆冷中子源的单相慢化剂自然循环装置

技术领域

本发明涉及一种应用于反应堆冷中子源的单相慢化剂自然循环装置，特别涉及应用于大功率反应堆冷中子源的单相慢化剂自然循环装置。

背景技术

冷中子是指能量小于Be的晶格切断能5meV的一类中子，由于其波长与物质的分子尺度相近，因此被广泛应用于识别各种物质结构的中子散射实验中。冷中子源是获取冷中子的装置，它的工作原理是令反应堆产生的热中子穿过慢化剂，从而改变中子能谱，有效增加冷中子的份额。目前国外许多研究堆上都建造有冷中子源装置，我国自行建造的功率为60MW的中国先进研究堆(CARR堆)也计划建造大型冷中子源及冷中子应用的多个中子散射孔道，用于多学科领域微观结构的识别和检测。

冷中子源的核心***是慢化剂回路，其中对于单相慢化剂，慢化剂自然循环回路一般由换热器，冷包和两根传输管组成。它们的作用是将冷包中由于中子慢化产生的热量通过单相自然循环转移到顶部的换热器中，再通过外加的制冷***将换热器中的热量带到常温。单相慢化剂自然循环***的优点是不需要任何外加驱动力，仅通过温差产生的热虹吸效应驱动，运行稳定可靠，这对于安全可靠性要求极高的反应堆***具有重要意义。但是单相慢化剂循环***的缺点是热虹吸效应产生的驱动力小，循环速度低，因此换热能力较小。在以往的实践中，单相慢化剂循环回路多用于小功率反应堆的冷中子源。对于像CARR堆这样的大型反应堆，单相慢化剂循环回路的设计还是一个有待解决的技术难题。

另一方面，传统的单相慢化剂自然循环回路直接暴露在反应堆孔道的真空防爆管内。一旦慢化剂回路发生泄露，慢化剂将气化并充满真空管，由于慢化剂多采用氢，氘，甲烷等易燃工质，因此存在着一定的安全隐患。

发明内容

根据上述的技术现状和传统单相慢化剂自然循环回路的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种适应大功率反应堆冷中子源的单相慢化剂自然循环装置。

为了实现以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种应用于反应堆冷中子源的单相慢化剂自然循环装置，其特征在于，包括一个壳管式换热器、一个带夹层的下降管、一个带夹层的冷包、一个带夹层的上升管，所述换热器的管侧入口连通上升管内流道的出口和慢化剂储罐连接管，换热器的管侧出口连通下降管的内流道的入口；换热器的壳侧入口连通冷源供气管，换热器的壳侧出口连通下降管的外夹层的入口；下降管的内流道出口连通冷包的内流道的入口，下降管的外夹层出口连通冷包的外夹层入口；冷包的内流道出口连通上升管的内流道入口，冷包的外夹层出口连通上升管的外夹层，上升管的外夹层下部连通冷源回气管；换热器管侧与下降管，冷包，上升管的内流道构成慢化剂循环回路，冷源供气管、换热器的壳侧、下降管的外夹层、冷包的外夹层、上升管的外夹层和冷源回气管构成制冷剂回路。

上述方案中，位于上升管内流道出口与换热器管侧入口连通处的上升管外夹层具有一封闭的盲端，使上升管外夹层与换热器壳侧不连通。

所述换热器壳侧的上端与慢化剂储罐连接管固联；上升管外夹层的盲端与换热器壳侧固联。

在冷包上方罩有一个倒置漏斗形的铍反射体，该反射体直接固定在上升管和下降管的底端。

本发明具有如下优点：

首先，慢化剂回路处处被制冷剂包裹，制冷剂流过各段慢化剂通道的外夹层，这样一方面换热不再仅仅局限于换热器，而延伸到多个位置，极大的增加了换热面积，尤其是在核发热集中的冷包部分，外夹层的制冷剂可以及时将冷包内慢化剂产生的热量以及所有金属壁面产生的热量迅速带走，这样将大幅度提升自然循环***的换热能力；另一方面制冷剂包裹在慢化剂外层，形成了一道保护层。一般冷中子源多采用氦制冷***作为冷源，氦是惰性气体，一旦慢化剂回路有损坏，慢化剂会泄露到外夹层，氦气可以稀释慢化剂浓度，能有效的防止***的发生，提高循环***的安全性。

其次，对于上升管段的制冷剂夹层，制冷剂的出口并没有顺着流动方向布置在上升管顶部，而设置在上升管的底部，这样使得上升管段的外夹层成为一个制冷剂几乎不流动的空间，这样设计的目的是降低制冷剂对上升管的冷却作用，使上升管和下降管内的慢化剂之间保持更大的温差以提高循环的驱动力，从而增强换热能力。而与此同时几乎不流动的制冷剂可以继续在外夹层发挥安全保护作用。

进一步地，本发明中内外通道的金属壳体和管道仅在换热器顶部区域的两个位置固连，而换热器管侧的下端、下降管的内管和冷包的内壳体，上升管内管的下端都是自由端，它们与在其外侧包裹的壳体和管道之间没有固定连接，因此内侧的壳体和管道允许在一定的范围内自由伸缩不受约束。这样设计的原因是冷中子源在运行中要反复经历停源和开源两种不同模式的切换，不同模式的工作温度相差几百度，因此由温度引起的热应力问题非常突出。传统的换热器和双层同轴管道的内外壳体多是通过两端焊接将内外层结构固定，一旦有较大范围的温度变化，在局部可能引起较大的拉压应力，反复发生则很容易引起材料的疲劳断裂，这将对冷源的运行安全性产生很大影响。如果不能妥善的解决，将产生严重的后果。本发明的内外回路各自形成一个单独的连接体，内外壳体间只在顶部固定连接。内管路可以相对外管路在一定的范围内自由伸缩，这将大大降低传统的固定连接带来的应力，有效提高了结构的安全性。为了避免可能产生内管在外管中震荡和摆动的问题，可以通过在内管外壁上增加部分定位翅片来实现径向的约束，由于径向尺寸与轴向相比要小得多，因此其尺寸变化较小，产生的应力也较小。

最后，本发明在冷包上方靠近冷包上封头的位置设置有倒置漏斗形的铍反射体，反射体的尺寸可以完整的覆盖冷包的轴向投影。该铍反射体的作用是阻止慢化包内的中子沿着真空孔道向上逃逸。由于中子在慢化过程中与慢化剂碰撞后发生散射，散射的方向是杂乱无章的，由于整个冷中子源被放置在反应堆内的一个垂直孔道里，孔道周围被重水包裹，重水可以有效的反射中子，而只有冷包上方沿着孔道的方向上是没有中子屏蔽体的，铍反射体的作用就是屏蔽中子。这样一方面减少中子损失，提高中子束流的强度，另一方面也防止中子逃逸到反应堆外对实验人员造成伤害。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明单相慢化剂自然循环装置的***结构图。图1中：1、冷源供气管；2、慢化剂储罐连通管；3、壳管式换热器；4、下降管；5、铍反射体；6、冷包；7、上升管；8、冷源回气管；9、上升管外夹层盲端；10、真空防爆管。

图2是本发明单相慢化剂自然循环装置中慢化剂和制冷剂的流动示意图。图2中，点云区域为制冷剂流动区域，网格区域为慢化剂流动区域

具体实施方式

参照图1，图2，本发明所述的单相慢化剂循环装置包括一个壳管式换热器3、一个带夹层的下降管4，一个带夹层的冷包6，一个带夹层的上升管7，换热器的管侧入口连通上升管内流道的出口和慢化剂储罐连接管2，换热器的壳侧入口连通冷源供气管1；换热器的管侧出口连通下降管的内流道的入口，换热器的壳侧出口连通下降管的外夹层的入口；下降管的内流道出口连通冷包的内流道的入口，下降管的外夹层出口连通冷包的外夹层入口；冷包的内流道出口连通上升管的内流道入口，冷包的外夹层出口连通上升管的外夹层，上升管的外夹层下部连通冷源回气管8；换热器管侧与下降管，冷包，上升管等的内流道构成慢化剂循环回路，慢化剂循环回路的外夹层(冷源供气管、换热器的壳侧、下降管的外夹层、冷包的外夹层、上升管的外夹层)与冷源回气管构成制冷剂回路。

构成慢化剂流动空间的内层管路及壳体与外夹层的管路及壳体只在换热器顶部区域固定连接(换热器壳侧的上端与慢化剂储罐连接管2固联；上升管外夹层的盲端9与换热器壳侧固联)，在其余位置内层管路及壳体可以在外夹层管路及壳体内自由伸缩。上升管的外夹层是一端封闭的管，该管顶部与换热器壳侧不连通，底部与冷包外夹层出口和冷源回气管连通。在冷包上方上罩有一个倒置漏斗形的铍反射体5，该反射体直接固定在上升管和下降管的底端。

本发明的工作原理如下：

一旦冷中子源启动，慢化剂开始逐渐从储罐内流入换热器的顶部，沿着换热器的管侧向下流动，同时被壳侧的低温制冷剂(一般为氦气)逐渐冷却为液体，然后沿着下降管流入冷包。当循环回路里充满液体并冷却到规定温度，反应堆启动，热中子流穿过冷包的壁面和内盛的慢化剂，与慢化剂发生碰撞，热中子流的能量降低，转变为以冷中子为主的束流，同时产生大量的热。慢化剂回路内不平衡的温度分布驱动慢化剂液体产生自然对流。换热器内的被制冷剂冷却的低温慢化剂向下流动，经过下降管流入冷包，吸收冷包热量后，再向上流入上升管，最终流回换热器重新冷却。对于包裹在慢化剂回路外的制冷剂，从换热器顶部的壳侧流入换热器，冷却管侧的慢化剂，然后流入下降管的外夹层，继续冷却管内的慢化剂，再流入冷包的外夹层，和冷包的壁面及冷包内的慢化剂交换热量，最后从冷包出口沿着冷源回气管流回冷源，经冷源冷却后再流入换热器顶部。

在本发明中上升管的外夹层是一个一端封闭的管，内部存有一定量几乎不流动的制冷剂。这样设计的目的是既保证慢化剂回路处处被制冷剂包裹，又减少对上升管的冷却作用，从而在保证反应堆安全的同时提高慢化剂回路的换热能力。

本发明的另一个优点是尽可能减少内外壳体的固定连接，内外壳体仅通过换热器顶部固结，其余部分都允许小范围的相互运动，这样就有效的减小了大温度变化引起热应力，从而提高了***的安全性和使用寿命。

另外，在冷包上方设置铍反射体作为中子屏蔽器，这样可以最大限度的提高中子利用率，也减少中子外逸造成的不良影响。反射体被固结在上升管和下降管的底部，反射体产生的热量可以通过导热被上升管和下降管内的制冷剂带走。

Claims

1.一种应用于反应堆冷中子源的单相慢化剂自然循环装置，其特征在于，包括一个壳管式换热器(3)、一个带夹层的下降管(4)、一个带夹层的冷包(6)、一个带夹层的上升管(7)，所述换热器的管侧入口连通上升管内流道的出口和慢化剂储罐连接管(2)，换热器的管侧出口连通下降管的内流道的入口；换热器的壳侧入口连通冷源供气管(1)，换热器的壳侧出口连通下降管的外夹层的入口；下降管的内流道出口连通冷包的内流道的入口，下降管的外夹层出口连通冷包的外夹层入口；冷包的内流道出口连通上升管的内流道入口，冷包的外夹层出口连通上升管的外夹层，上升管的外夹层下部连通冷源回气管(8)；换热器管侧与下降管，冷包，上升管的内流道构成慢化剂循环回路，冷源供气管(1)、换热器的壳侧、下降管的外夹层、冷包的外夹层、上升管的外夹层和冷源回气管(8)构成制冷剂回路。

2.如权利要求1所述的应用于反应堆冷中子源的单相慢化剂自然循环装置，其特征在于，位于上升管内流道出口与换热器管侧入口连通处的上升管外夹层具有一封闭的盲端，使上升管外夹层与换热器壳侧不连通。

3.如权利要求2所述的应用于反应堆冷中子源的单相慢化剂自然循环装置，其特征在于，所述换热器壳侧的上端与慢化剂储罐连接管固联；上升管外夹层的盲端与换热器壳侧固联。

4.如权利要求1-3任一所述的应用于反应堆冷中子源的单相慢化剂自然循环装置，其特征在于，在冷包上方罩有一个倒置漏斗形的铍反射体，该反射体直接固定在上升管和下降管的底端。