CN103714868A - 一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内热分隔*** - Google Patents

一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内热分隔*** Download PDF

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赵鹏程
周光明
陈钊
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Abstract

本发明公开了一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内热分隔***。该***由内层冷却剂进口、外层冷却剂进口、冷却剂进口挡板、内层热隔板、中层热隔板、外层热隔板、内层冷却剂出口、外层冷却剂出口、内层冷却剂出口挡和外层冷却剂出口挡板组成。该***的热隔板间隙内充满了液态重金属并与冷池相通，热隔板间隙内的冷却剂在自然循环驱动力作用下自下向上冷却热隔板，并由位于热隔板上方的冷却剂出口汇入热池。本发明实现了液态重金属冷却自然循环池式反应堆的堆内冷热池分隔功能，***采用完全的非能动设计，结构简单，运行时无需增加或启动堆内构件，可有效提高液态重金属冷却自然循环池式反应堆的热效率，维持反应堆的冷却剂的稳定循环，提高反应堆的经济性和安全性。

Description

一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内热分隔***
技术领域
本发明属于反应堆***部件设计技术领域，具体涉及一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内冷热池分隔***。
背景技术
液态重金属冷却自然循环池式反应堆采用一体化设计，所有的堆内部件均浸没在一个容器内，同时利用液态重金属良好的自然循环特性，主冷却剂***采用自然循环驱动，极大降低了一回路失流事故、冷却剂丧失事故的发生概率，具有良好的固有安全性和经济性。其的简单工作过程是：冷却剂由冷池进入堆芯，在自然循环驱动力作用下冷却堆芯后汇入热池，热池的冷却剂进入主热交换器，将热量传递给二回路冷却剂并汇入冷池，形成一回路冷却剂的循环。
堆内热分隔***是液态重金属冷却自然循环池式反应堆的重要部件。液态重金属冷却自然循环反应堆通过热分隔***将主容器内冷却剂分为上部的热池和下部的冷池，用于减小热池向冷池的热量传递，维持热池和冷池的温差。对于液态重金属冷却自然循环池式反应堆，其热池和冷池温度不同，导致主容器内上部和下部的冷却剂产生密度差，同时液态重金属具有优良的自然循环特性，从而对一回路冷却剂产生自然循环驱动力。堆内热分隔***的隔热效果将直接决定热池和冷池间温差的维持，直接影响反应堆的自然循环能力及冷却剂循环的稳定性，从而影响液态重金属自然循环池式反应堆的经济性和固有安全性。
在现有的液态金属冷却池式反应堆中，堆内热分隔***多采用单层钢板或多层钢板结构的热隔板方案。在中国实验快堆的设计中，反应堆中水平方向采用彼此间隔的三层钢板、竖直方向采用彼此间隔的双层钢板，构成堆内热分隔***，该方案可以降低热隔板两侧的温差，减小热隔板上的热应力，但进入热隔板间隙的冷却剂采用强迫循环，不适合采用自然循环驱动的池式反应堆。中国科学院合肥物质研究院设计的一种液态金属冷却池式反应堆堆内冷热池分隔***，依靠热隔板间隙内的稀薄气体达到热分隔效果，但是该方案依然存在内外层热隔板间的辐射传热，同时靠近热池的内层热隔板一侧为液态金属、一侧为稀薄空气，热池内所有液态金属均加载在内层热隔板上，对于热隔板材料选择和加工挑战较大，工程可行性不高。
比利时的铅铋冷却反应堆MYRRHA、法国的凤凰快堆Phoenix和印度的钠冷快堆PFBR的设计中，热隔板***仅为单层钢板，钢板上的热应力较大，对材料属性要求高，实现难度大，隔热效果不好。同时这些反应堆均采用驱动循环，热池向冷池传热对其冷却剂循环能力的影响可以忽略不计。如果自然循环反应堆采用这种设计，不利于维持热池与冷池的温差，会降低全堆的自然循环能力，影响一回路冷却剂循环的热效率及稳定性。
发明内容
本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内热分隔***，***采用非能动设计，引冷池冷却剂冷却热隔板，并最终汇入热池。在水平方向和竖直方向均采用3层热隔板设计，可有效缓冲加载在整个热隔板***两侧的温差，减小热隔板两侧的热应力。同时热隔板间隙内冷却剂吸收由热池向冷池传递的热量，并最终汇入热池，可有效增强隔热效果，从而提高了反应堆***的热效率，维持冷热池的温差，保证液态重金属冷却自然循环池式反应堆的稳定运行。
本发明的技术解决方案：一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆热分隔***，由内层冷却剂进口1、外层冷却剂进口2、冷却剂进口挡板3、内层热隔板4、中层热隔板5、外层热隔板6、内层冷却剂出口7、外层冷却剂出口8、内层冷却剂出口挡板9和外层冷却剂出口挡板10组成。其中热池13和冷池14均位于主容器15内部，且热池13位于冷池14的上方；内层热隔板4、中层热隔板5和外层热隔板6均由上部竖直段、中部水平段、下部竖直段组成，内层热隔板4与热池13相接触，外层热隔板6下部竖直段和中部水平段与冷池14相接触且上部竖直段紧贴主容器15内壁面，中层热隔板5位于内层热隔板4和外层热隔板6之间，且到内层热隔板4与外层热隔板6之间的距离相等，形成热分隔内层间隙11和热分隔外层间隙12；内层热隔板4、中层热隔板5和外层热隔板6上端均悬挂在堆顶盖16上，下端均通过堆芯冷却剂入口挡板18与堆芯19水平连接；冷却剂进口挡板3水平连接中层热隔板5和外层热隔板6，内层冷却剂出口挡板9水平连接内层热隔板4和中层热隔板5，且面向热池13的斜向下延伸一段距离，外层冷却剂出口挡板10水平连接内层热隔板4、中层热隔板5和外层热隔板6，内层冷却剂出口挡板9位于外层冷却剂出口挡板10的正下方；内层冷却剂进口1和外层冷却剂进口2位于外层热隔板6的下端，且被冷却剂进口挡板3隔开，内层冷却剂进口1位于外层冷却剂进口2下部；内层冷却剂出口7位于内层热隔板4上端，外层冷却剂出口8位于内层热隔板4和中层热隔板5上端，内层冷却剂出口7和外层冷却剂出口8被内层冷却剂出口挡板9隔开，内层冷却剂出口7位于外层冷却剂出口8的下部，且两者位置均高于主容器15内的液态重金属自由液面17。来自冷池14的冷却剂由内层冷却剂进口1和外层冷却剂进口2进入热分隔内层间隙11和热分隔外层间隙12，分别冷却内层热隔板4、中层热隔板5和外层热隔板6，吸收热池13径向和纵向向冷池14传递的热量，冷却剂温度不断升高，密度下降，从而产生自然循环驱动力，在自然循环驱动力的作用下，冷却剂分别由内层冷却剂出口7和外层冷却剂出口8流入热池13，从而实现主容器15内将热池13与冷池14的分隔功能。
所述的内层冷却剂进口1和外层冷却剂进口2为在外层热隔板6的底端沿着周向开设若干层小孔20形成，内层冷却剂出口7为在内层热隔板4上端进行同样的开孔操作形成，外层冷却剂出口8为分别在内层热隔板4和中层热隔板5上端进行同样的开孔操作形成。
本发明的原理为：液态重金属通过冷却剂进口进入3层热隔板间隙，由于热隔板间隙上端和下端分别靠近反应堆冷池和热池，热隔板间隙内的冷却剂存在温差，温差导致冷却剂出现密度差，同时液态重金属具有优良的自然循环特性，从而在热隔板间隙内形成自然循环驱动力，驱动冷池冷却剂由下向上冷却热隔板，吸收热池向冷池传递的热量，并最终汇入热池。同时本***设计的热分隔内层间隙和热分隔外层间隙分别形成了内侧、外侧两个冷却剂流动通道，内侧冷却剂流动通道上端相对外侧冷却剂流动通道上端更靠近热池，从而使内侧冷却剂流动通道所产生的自然循环驱动力更大，导致内侧冷却剂流动通道内冷却剂流速较外侧冷却剂流动通道内冷却剂流速更大，较大的内侧冷却剂流动通道冷却剂流速更有利于对热分隔***的冷却，减小热池通过径向、轴向向冷池传递的热量；***采用的三层隔板设计，相较于单层隔板，更有利于减小热隔板上的热应力，缓冲加载在整个热隔板***两侧的温差，隔热效果更好。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
（1）该***结构设计简单，无需增设任何专门的能动部件，通过自然循环驱动液态重金属冷却热隔板，提高了***的可靠性。与中国实验快堆的热分隔***相比，本发明的有点在于完全采用非能动设计，提高了反应堆***的可靠性和安全性。
（2）该***水平和轴向均采用3层热隔板设计，形成了两个冷却剂流动冷却通道，可有效缓冲热隔板***两侧的温差，减小热隔板两侧的热应力，与中国实验快堆仅水平采用3层热隔板设计相比，可进一步增大热隔板间隙内冷却剂的自然循环能力，增强对***内热隔板的冷却，隔热效果更好。
（3）该***热隔板间隙内的冷却剂吸收热池向冷池传递的热量，并最终汇入热池，维持了热池与冷池间的温差，不但保障自然循环反应堆的稳定运行，同时可以有效提高反应堆的热效率。与比利时的MYRRHA和法国的凤凰快堆Phoenix相比，本发明的优点在于***降低了对于热隔板材料的要求，同时有效减小了热池向冷池的热量传递，提高了反应堆的经济性。
附图说明
图1是本发明的***结构示意图；
图2为本发明中内层冷却剂进口、外层冷却剂进口局部示意图；
图3为本发明内层热隔板、中层热隔板和外层热隔板与堆顶盖的连接关系。
图中：1为内层冷却剂进口，2为外层冷却剂进口，3为冷却剂出口挡板，4内层热隔板，5为中层热隔板，6为外层热隔板，7为内层冷却剂出口，8为外层冷却剂出口，9为内层冷却剂出口挡板，10为外层冷却剂出口挡板，11为热分隔内层间隙，12为热分隔外层间隙，13为热池，14为冷池，15为主容器，16为堆顶盖，17为液态重金属自由液面，18为堆芯冷却剂入口挡板，19为堆芯，20为小孔。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内冷热池分隔***，由内层冷却剂进口1、外层冷却剂进口2、冷却剂进口挡板3、内层热隔板4、中层热隔板5、外层热隔板6、内层冷却剂出口7、外层冷却剂出口8、内层冷却剂出口挡板9和外层冷却剂出口挡板10组成。其中热池13和冷池14均位于主容器15内部，且热池13位于冷池14的上方；内层热隔板4、中层热隔板5和外层热隔板6均由上部竖直段、中部水平段、下部竖直段组成，内层热隔板4与热池13相接触，外层热隔板6下部竖直段和中部水平段与冷池14相接触且上部竖直段紧贴主容器15内壁面，中层热隔板5位于内层热隔板4和外层热隔板6之间，且到内层热隔板4与外层热隔板6之间的距离相等，形成热分隔内层间隙11和热分隔外层间隙12；内层热隔板4、中层热隔板5和外层热隔板6上端均悬挂在堆顶盖16上，下端均通过堆芯冷却剂入口挡板18与堆芯19水平连接；冷却剂进口挡板3水平连接中层热隔板5和外层热隔板6，内层冷却剂出口挡板9水平连接内层热隔板4和中层热隔板5，且面向热池13的斜向下延伸一段距离，外层冷却剂出口挡板10水平连接内层热隔板4、中层热隔板5和外层热隔板6，内层冷却剂出口挡板9位于外层冷却剂出口挡板10的正下方；内层冷却剂进口1和外层冷却剂进口2位于外层热隔板6的下端，且被冷却剂进口挡板3隔开，内层冷却剂进口1位于外层冷却剂进口2下部；内层冷却剂出口7位于内层热隔板4上端，外层冷却剂出口8位于内层热隔板4和中层热隔板5上端，内层冷却剂出口7和外层冷却剂出口8被内层冷却剂出口挡板9隔开，内层冷却剂出口7位于外层冷却剂出口8的下部，且两者位置均高于主容器15内的液态重金属自由液面17。来自冷池14的冷却剂由内层冷却剂进口1和外层冷却剂进口2进入热分隔内层间隙11和热分隔外层间隙12，分别冷却内层热隔板4、中层热隔板5和外层热隔板6，吸收热池13径向和纵向向冷池14传递的热量，冷却剂温度不断升高，密度下降，从而产生自然循环驱动力，在自然循环驱动力的作用下，冷却剂分别由内层冷却剂出口7和外层冷却剂出口8流入热池13，从而实现主容器15内将热池13与冷池14的分隔功能。
图2为本发明中内层冷却剂、外层冷却剂进口示意图。内层冷却剂进口1和外层冷却剂进口2为在外层热隔板6的底端沿着周向开设若干层小孔20形成，内层冷却剂出口7为在内层热隔板4上端进行同样的开孔操作形成，外层冷却剂出口8为分别在内层热隔板4和中层热隔板5进行同样的开孔操作形成，小孔20的孔径和层数可根据反应堆额定功率大小进行增减。
图3为本发明中内层热隔板、中层热隔板和外层热隔板与堆顶盖的连接关系图。本发明的内层热隔板4、中层热隔板5和外层热隔板6的上部竖直段和下部竖直段均为沿主容器15中轴线径向向外叠加，彼此留有间隙的圆桶型钢板，内层热隔板4、中层热隔板5和外层热隔板6的中部水平段为沿轴向向下叠加，彼此留有间隙的圆环钢板；热分隔内层间隙10和热分隔外层间隙11的间隙大小可根据反应堆额定功率大小进行调整。外层热隔板6上部竖直段的直径与主容器15内径相同，内层热隔板4、中层热隔板5和外层热隔板6水平段可放置热交换器，内层热隔板4下部竖直段直径比与堆芯19直径稍大。
本发明的内层冷却剂出口挡板9面向热池13斜向下延伸一段距离，可使内层冷却剂出口7和外层冷却剂出口8流出的冷却剂彼此完全分离，防止外层冷却剂出口8的冷却剂倒灌进入内层冷却剂出口7内。外层冷却剂出口挡板10封闭了外层冷却剂出口8上方的热分隔内层间隙11和热分隔外层间隙12，防止冷却剂进一步上升并倒流，使冷却剂完全汇入热池13。
本发明中热分隔内层间隙11和热分隔外层间隙12内冷却剂的驱动力来源：热分隔内层间隙11和热分隔外层间隙12的上端和下端的冷却剂分别与热池13和冷池14相接触，冷却剂存在温差，温差导致冷却剂出现密度差，同时液态重金属具有优良的自然循环特性，从而在热分隔内层间隙11和热分隔外层间隙12内产生自然循环驱动力。
下面以某铅铋冷却自然循环反应堆的堆内热分隔***为例，提供反应堆热隔板的相关设计参数和额定工况下热隔板间隙内冷却剂的流量和进出口温度，设计标准为在反应堆处于额定功率下，热池向冷池传递的热量在反应堆额定功率的5%以下，通过理论计算和CFD的数值模拟结果，对设计的热分隔***的热隔板间隙大小、热隔板厚度、冷却剂进口小孔孔径、出口小孔孔径等主要技术参数进行优化，所最终确定的设计方案中，内层热隔板间隙、外层热隔板间隙内的冷却剂所吸收的热量占反应堆额定功率的4.33%，低于5%，符合设计标准。表1为铅铋冷却反应堆处于额定工作工况时热分隔***的主要技术参数。
Figure BDA0000455890040000061
本发明的液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内热分隔***采用自然循环驱动，属于完全的非能动设计，使得***的可靠性更高。基于液态重金属优良的热膨胀自然机理，完全不依赖于能动设施和操作员的操作，同时可有效降低热池向冷池传递的热量，可有效解决一回路冷却剂采用全自然循环驱动的液态金属冷却池式反应堆冷热池分隔问题，维持冷热池的温差，确保液态重金属冷却自然循环池式反应堆冷却剂的稳定循环，从而提高反应堆的经济性和安全性。
本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆热分隔***，其特征在于：由内层冷却剂进口（1）、外层冷却剂进口（2）、冷却剂进口挡板（3）、内层热隔板（4）、中层热隔板（5）、外层热隔板（6）、内层冷却剂出口（7）、外层冷却剂出口（8）、内层冷却剂出口挡板（9）和外层冷却剂出口挡板（10）组成。其中热池（13）和冷池（14）均位于主容器（15）内部，且热池（13）位于冷池（14）的上方；内层热隔板（4）、中层热隔板（5）和外层热隔板（6）均由上部竖直段、中部水平段、下部竖直段组成，内层热隔板（4）与热池（13）相接触，外层热隔板（6）下部竖直段和中部水平段与冷池（14）相接触且上部竖直段紧贴主容器（15）内壁面，中层热隔板（5）位于内层热隔板（4）和外层热隔板（6）之间，且到内层热隔板（4）与外层热隔板（6）之间的距离相等，形成热分隔内层间隙（11）和热分隔外层间隙（12）；内层热隔板（4）、中层热隔板（5）和外层热隔板（6）上端均悬挂在堆顶盖（16）上，下端均通过堆芯冷却剂入口挡板（18）与堆芯（19）水平连接；冷却剂进口挡板（3）水平连接中层热隔板（5）和外层热隔板（6），内层冷却剂出口挡板（9）水平连接内层热隔板（4）和中层热隔板（5），且面向热池（13）的斜向下延伸一段距离，外层冷却剂出口挡板（10）水平连接内层热隔板（4）、中层热隔板（5）和外层热隔板（6），内层冷却剂出口挡板（9）位于外层冷却剂出口挡板（10）的正下方；内层冷却剂进口（1）和外层冷却剂进口（2）位于外层热隔板（6）的下端，且被冷却剂进口挡板（3）隔开，内层冷却剂进口（1）位于外层冷却剂进口（2）下部；内层冷却剂出口（7）位于内层热隔板（4）上端，外层冷却剂出口（8）位于内层热隔板（4）和中层热隔板（5）上端，内层冷却剂出口（7）和外层冷却剂出口（8）被内层冷却剂出口挡板（9）隔开，内层冷却剂出口（7）位于外层冷却剂出口（8）的下部，且两者位置均高于主容器（15）内的液态重金属自由液面（17）。
2.根据权利要求1所述的一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内热分隔***，其特征在于：所述内层冷却剂进口（1）和外层冷却剂进口（2）为在外层热隔板（6）的底端沿着周向开设若干层小孔（20）形成，内层冷却剂出口（7）为在内层热隔板（4）上端进行同样的开孔操作形成，外层冷却剂出口（8）为分别在内层热隔板（4）和中层热隔板（5）进行同样的开孔操作形成。
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