CN113990535B - 一种一体化熔盐堆换热器及其非能动余热排出*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一体化熔盐堆换热器及其非能动余热排出***，所述一体化熔盐堆换热器包括一个冷却剂进出口和一个燃料盐进出口，所述冷却剂进出口和所述燃料盐进出口均具有一个双层管法兰，所述双层管法兰包括内套管、外套管和法兰盘，所述内套管的端面设有环形坡口，所述法兰盘的端面设有卡接部和锁合部，所述卡接部位于所述锁合部的径向内侧。冷却剂进出口和燃料盐进出口均采用短接的方式与相邻***进行对接，减少了管道长度，节省了管道材料、燃料盐及冷却剂用量，***布局紧凑，提高了整体经济性和安全性，利于模块化组装。

Description

一种一体化熔盐堆换热器及其非能动余热排出***
技术领域
本发明涉及小型模块化熔盐堆的模块化热量传输装置及专设安全***领域，具体地涉及一种一体化熔盐换热器及两套相互独立的完全非能动余热排出***。
背景技术
小型模块化反应堆的电功率大都在300MWe以下，采用一体化布局、模块化建造，具有相对于大型反应堆更高的安全性和自然循环能力，并便于运行维护。采用“即插即用”概念在制造厂组装完毕，实现整体运输，缩短现场施工工期，使建造周期缩短到三年，是现代核反应堆技术的主要发展方向。小型模块化熔盐堆主要有两大特点：首先，“小型”含义是指熔盐堆的额定输出功率相对大型核电站要小，通常指反应堆输出额定功率水平为10MWe～300MWe左右的反应堆，可实现区域有限能源应用以及自由灵活的规模化生产匹配要求，必要时可实现与小型规模电网的有机匹配；另外，“模块化”指的是裂变能量产生模块及热量传输***以及发电***进行简单地耦合之后就可以实现所需能源产品的供应。***部件模块化组装可以由一个或者多个子模块进行组装，还可以根据热工参数匹配性能要求从一个或者多个模块机组组装成大规模发电厂，以用于生产电力或者其他用途。更重要的是，模块的安装部署可以灵活安排施工顺序，模块化安装部署可以最大化地将设备或零部件由设备装配厂制造并组装，并在规定的有限时间内灵活调整投资及交付时间。
已经实现应用的小型模块堆大都是传统压水堆，例如法国戴高乐号航母所用的K-15反应堆、俄罗斯“罗蒙诺索夫院士号”浮动核电站所用的KLT-40S反应堆等。但小型模块堆的未来发展不仅仅局限于压水堆，许多先进小堆的设计都是基于***核反应堆技术的，例如小型模块化熔盐堆(SmallModular Molten Salt Reactor，SM-MSR)。熔盐堆是***核能***的重要堆型之一，在固有安全性、经济效益、燃料在线处理、防核扩散等方面具有显著的优势。熔盐堆由美国橡树岭国家实验室(ORNL)提出，并于1954年建成了第一个用于军用空间核动力研究的2.5MW实验熔盐堆(ARE)，还建立了循环氟化熔盐***的性能基准。1965年至1969年，ORNL完成了10MW熔盐实验堆(MSRE)设计、建造并成功运行13000h。2011年中科院上海应用物理研究所承担的科技专项“未来先进裂变核能——钍基熔盐堆核能***”，第二阶段的重要堆型为小型模块化钍基液态熔盐堆。与传统固态燃料反应堆不同的是，熔盐堆是唯一一种使用液态燃料的***反应堆堆型，在正常运行工况下，载有衰变热的裂变产物核素会随燃料盐的流动被分散在整个主回路管道以及相关热工水利力连接区域，包括热管段、冷管段、主泵、主换热器等区域，正常运行达到平衡时，总衰变热约占反应堆总热功率的7％，总热功率的7％是一个很可观的数值，这些衰变热在主回路管道及设备内将被视为持续发热的热源，在正常运行工况下设备内衰变热若不能准确估算并从设计上确保热量的带出，很有可能会使得主管道材料及设备在超设计温度下服役，最终可能降低材料及设备使用寿命，甚至酿成破口及设备损坏等严重事故，最终导致放射性物质泄漏至环境中。
传统回路式熔盐堆管路设计较长，主回路***设备及法兰接口较多，这种传统设计不利于整个***的模块化安装及建造，且对主回路***的屏蔽设计及防止主回路***接口处燃料盐的泄漏提出了巨大挑战。小型模块化熔盐堆换热器的一体化设计及紧凑布局更不仅有利于快速组装及缩短建造周期，还能大幅降低主回路***屏蔽设计的技术难度及经济成本，降低***装配的复杂性，降低放射性泄漏的风险。衰变余热的顺利导出是任何反应堆确保放射性实体屏障不被破坏的关键。首先，熔盐堆的余热导出可以设计在排盐罐中，例如，在MSRE中，熔盐堆停堆后，***将液态燃料盐排入排盐罐中，然后通过能动的方式将衰变余热传输至最终热阱，很显然，在全厂断电的情况下依靠动力载出余热的方式将失效。另外，还可以将余热导出设计在熔盐堆活性区两侧，但是在正常运行时，这种余排长期处于强伽马强中子辐射场，不可避免地对非能动余热排出***带来辐照损伤，被中子和伽马辐照活化后的非能动余排***为该***的在役检查与检修带来巨大挑战。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中的熔盐换热器管路复杂，泄漏风险高的缺陷，提供一种一体化熔盐堆换热器及其非能动余热排出***。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供一种一体化熔盐堆换热器，所述一体化熔盐堆换热器包括一个冷却剂进出口和一个燃料盐进出口，所述冷却剂进出口和所述熔盐进出口均具有一个双层管法兰，所述双层管法兰包括内套管、外套管和法兰盘，所述内套管的端面设有环形坡口，所述法兰盘的端面设有卡接部和锁合部，所述卡接部位于所述锁合部的径向内侧。
本发明的一体化熔盐堆换热器用于小型模块化熔盐堆(SmallModular MoltenSalt Reactor，SM-MSR)。本发明的一体化熔盐堆换热器只有两个接口，并能够采用短接的方式与熔盐堆本体及冷却剂回路相连，这简化了管路结构，同时也降低了泄漏风险。在双层管法兰中，冷却剂或燃料盐从内套管进入一体化熔盐堆换热器，冷却剂或燃料盐从外套管流出一体化熔盐堆换热器。燃料盐走壳侧，冷却剂走管侧，即同一种流体介质从同一出口进出。只需两个进出口就能够完成常规技术中四个进出口的功能。
内套管的端面设有环形坡口，环形坡口既可以为外凸坡口，也可以为内凹坡口，如果本发明为外凸坡口，则对接的内套管可以为内凹坡口，如果本发明为内凹坡口，则对接的内套管可以为外凸坡口，本发明的环形坡口能够与对接的双层管法兰的内套管密封结合，防止流体从内套管中泄漏。卡接部既可以为环形凸缘，也可以为环形凹槽，如果本发明的卡接部为环形凸缘，则对接的卡接部可以为环形凹槽，如果本发明的卡接部为环形凹槽，则对接的卡接部可以为环形凸缘。本发明的卡接部能够与对接的双层管法兰的卡接部密封结合，防止流体从外套管中泄漏。锁合部又将整个双层管法兰与对接的双层管法兰密封锁合，进一步防止流体在接口处泄漏。
优选地，在所述一体化熔盐堆换热器上，所述环形坡口为内凹坡口。由于一体化熔盐堆换热器的尺寸较大，环形坡口设置为内凹坡口，能够减少尖锐部分，便于移动运输，提高整体使用寿命。
优选地，在所述一体化熔盐堆换热器上，所述卡接部为环形凹槽。由于一体化熔盐堆换热器的尺寸较大，卡接部设置为环形凹槽，能够减少尖锐部分，便于移动运输，提高整体使用寿命，并且凹槽内容易布置密封部件，从而进一步提高密封性能。
优选地，在所述一体化熔盐堆换热器上，所述内套管、外套管和法兰盘的端面齐平。内套管、外套管和法兰盘三者的端面齐平，容易加工，同时能够进一步减少尖锐部分，便于移动运输，提高整体使用寿命。
优选地，所述一体化熔盐堆换热器还包括主泵，所述主泵用于驱动燃料盐的流动，所述主泵位于一体化熔盐堆换热器之内且位置高于所述冷却剂进出口。主泵能够使燃料盐流动起来，促进燃料盐的换热，并且主泵将燃料盐提升到冷却剂进出口之上，更加充分地与冷却剂交换热量。
主泵是熔盐堆关键设备之一，也是熔盐堆主回路***唯一的转动设备，在熔盐堆正常运行期间为主回路燃料盐提供不间断的循环动力，实现燃料盐与冷却剂之间的热量传输，本发明中，主泵与换热器采用集成与嵌入式相结合，使其维修更方便，更安全。主泵电机及泵轴可插拔式拆卸，使得主泵电机与换热器更易于分离运输，易于主泵在役检查检修。设备集成式设计以及接线与控制***的集成化使得设备易于布置既能减少现场设备的干涉，又能减少接线及设备分别安装调试的复杂性，更能减少安装工程师现场接线及安装出错的概率，保证设备安装质量，缩短设备安装及建造工期。
进一步优选地，所述一体化熔盐堆换热器的外壳为双层结构并具有环腔，所述环腔与所述燃料盐进出口的外套管连通，所述主泵包括泵壳，所述泵壳上开有燃料出口，所述燃料出口与所述环腔连通。主泵将一体化熔盐堆换热器内部的燃料盐向上提升，提升的过程中燃料盐一直与冷却剂发生热量交换，直到提升高过冷却剂进出口，燃料盐进入主泵内，然后从泵壳的燃料出口进入一体化熔盐堆换热器的外壳的环腔中，在环腔中下降，流到燃料盐进出口的外套管中，流出一体化熔盐堆换热器，整个过程可以让燃料盐更充分地与冷却剂交换热量，提高换热效率。
优选地，所述一体化熔盐堆换热器内部还包括多个折流板，所述折流板用于使燃料盐的流动路径弯折。折流板可以让燃料盐在一体化熔盐堆换热器内部曲折上升，从而进一步充分地与冷却剂进行热量交换，提高换热效率。
优选地，所述冷却剂进出口位于一体化熔盐堆换热器的上部，所述燃料盐进出口位于一体化熔盐堆换热器的下部。初始的冷却剂先下降，获得热量后再上升；初始的燃料盐先上升，失去热量后再下降，这样的设置充分利用了流体热胀冷缩的特性，顺应了流体自然流动的趋势，使得流体的流动更加顺畅，提高了换热效率。
本发明还提供一种非能动余热排出***，包括余排换热器、蒸汽上升管线、冷凝水下降管线和给水总管线，所述余排换热器靠近上述的一体化熔盐堆换热器，所述余排换热器与所述一体化熔盐堆换热器不接触。通过水的汽化和冷凝，非能动余热排出***可以自行工作，无需额外提供动力。由于余排换热器布置在一体化熔盐堆换热器附近而非布置在堆芯附近，因此避免了余排换热器受到辐照，提高了余排换热器的可靠性。在一体化熔盐堆换热器附近能够方便地布置多个相互独立的余排换热器，进一步提高了余排换热器的可靠性。非能动余热排出***位于换热器两侧，使得非能动余热排出***具有更高的可靠性，极大地提高了非能动余热排出***在役检查及检修的便利性。
优选地，所述给水总管线通过并联的第一给水分管线和第二给水分管线连接至冷凝水下降管线，所述第一给水分管线上设置有电磁阀，所述第二给水分管线上设置有电动阀，所述电磁阀为断电打开型，所述电动阀为通电打开型。
本发明的非能动余热排出***采用冷却水作为换热介质，当发生事故时通过高位水箱将冷却水注入非能动余热排出***的冷凝水下降管线，冷却水流经余排换热器，通过换热器的辐射换热将冷却水加热为蒸汽，蒸汽经过余排蒸汽上升管线流入最终热阱冷凝管，并将热量传输至最终热阱冷凝水池。给水总管线设两条并联的第一给水分管线和第二给水分管线，分别通过电磁阀及电动阀连接，其中电磁阀为非能动，断电时打开；电动阀门为能动设计，通电可打开。两套不同机理的阀门开启设计保证了给水管线的设计冗余，提高了给水可靠性。该余热排出***为冷凝换热，相比单相对流换热而言换热系数更大，换热效率更高；蒸汽上升管线流过的是饱和蒸汽，冷凝水下降管线为冷凝水，密度差更大，蒸汽冷凝时形成的抽吸力增强了回路的循环能力。本发明提高了***的非能动工作能力，解决了由于能动式***设计带来的故障率高等问题，两套不同原理的给水分管线隔离阀更加提高了熔盐堆换热器余热排出***的可靠性，确保换热器内余热能够被迅速有效地排出，保证了事故条件下的回路***整体的安全，非能动余热排出***可以设计为两套，一用一备，任何一套正常工作均能满足余热的有效导出。主换热器上部和下部分别设有裂变气体排放管线出口及燃料盐装卸口，方便裂变气体及时排出至尾气处理***，方便燃料盐的装卸。
本发明的积极进步效果在于：
(1)通常液体工质易从法兰接口处渗漏，换热器最外层法兰连接口的减少降低了燃料盐泄漏风险，同时四接口换热器通常有较长的管线。而本发明的一体化熔盐堆换热器与传统(四个进出口)类型换热器相比减少了法兰接口数量，从而降低了燃料盐及冷却剂的高放射性工质泄漏到环境中的概率，更有利于放射性包容和反应堆安全。进出口采用短接的方式与相邻***进行对接，减少了管道长度，节省了管道材料、燃料盐及冷却剂用量，***布局紧凑，提高了整体经济性和安全性，利于模块化组装。
(2)将非能动余热排出***设置在熔盐堆换热器处能够在事故(如紧急排盐失效且主泵卡轴事故)情况下将换热器内的燃料盐衰变热通过完全非能动的方式排出，极大提高了熔盐堆的安全性，且正常停堆情况也能载出燃料盐中衰变余热，且余热排出***不存在强伽马中子辐射场，辐射损伤及中子活化程度大大降低，降低了在役检修难度。非能动换热***采用蒸汽和冷凝的换热方式，与传统的单相介质(如空气、水)对流换热相比热阻更小，换热系数更高，***尺寸更小。余热排出蒸汽上升管线内流过的是饱和蒸汽状态，冷凝水下降管线流过的是冷凝水，在同样设计压力情况下，冷热段流体具有更大的密度差；另外，蒸汽的冷凝过程能够形成抽吸力，进一步增强了余热排出***管线内的循环能力，大大增强了***的载热能力。
(3)便于设两套余热排出***，一备一用，每个余热排除***中的给水管线设两条并联给水分管线，每一条给水分管线设电动阀及电磁阀一个，电磁阀设计为断电打开型，即使全场断电事故情况下也能保证给水功能正常运行，并实现完全非能动余热排出。
(4)换热器与主泵采用一体化集成方案，使得设备布置更紧凑，节省整体空间，取消了换热器与泵的管道的复杂连接，节省建造周期的同时消除了熔盐堆管道破口的隐患。一/二次侧流体介质的进出口均管道均采用双层管设计，与其相连接的堆芯容器或***同样采用双层管设计，***间直接连接从而实现堆芯-换热器-主泵的紧凑布置，节省了***整体空间尺寸，同时双层管接口减少了进出口数量降低了流体介质泄漏概率。
附图说明
图1为本发明的一体化熔盐堆换热器及其非能动余热排出***的整体结构示意图。
图2为本发明的一体化熔盐堆换热器的外轮廓示意图。
图3为本发明的一体化熔盐堆换热器的内部结构示意图。
图4为本发明的双层管法兰与对接的另一个双层管法兰的外轮廓立体示意图。
图5为本发明的双层管法兰与对接的另一个双层管法兰的外轮廓主视图。
图6为图5沿A-A方向的剖视图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。
如图1所示，本发明所针对的一体化熔盐堆换热器1及其非能动余热排出***主要由集主泵为一体的一体化熔盐换热器1和非能动余热排出***组成。非能动余热排出***包括余排换热器2，蒸汽上升管线3，最终热阱冷凝管4，冷凝水下降管线5。非能动余热排出***还包含一个高位储水箱8，及与之相连的给水总管线9。给水总管线9通过并联的第一给水分管线10和第二给水分管线11连接至冷凝水下降管线5，第一给水分管线10设电磁阀12，电磁阀12在正常状态下保持供电，为关闭状态，水不可以流过，可以通过手动断电的方式打开电磁阀，也可以在全厂断电失去所有电力供给时自动打开，从而允许水通过电磁阀12。第二给水分管线11设电动阀13，该电动阀13为依靠电力打开的阀门，电动阀13在正常状态下不供电，为关闭状态，水不可以流过，在紧急情况下，电动阀13通电打开，允许水的流过。
当发生紧急排盐失效并且主泵卡轴事故时，事故信号传递至中控室报警指示台，并自动触发电动阀13的开启。此时高位储水箱8内的冷却水沿给水分管线11流入冷凝水下降管线5，从而流入余排换热器2，一体化熔盐堆换热器1内的衰变热在热传导及热辐射的作用下，将热量传递至余排换热器2内的冷凝水，此时冷凝水快速转化为高压蒸汽，并通过蒸汽上升管线3输运至最终热阱冷凝管4中，并将热量通过热传导及对流换热传递至最终热阱冷凝水池6，热量再通过最终热阱端空冷塔7排入大气。通过最终热阱冷凝水池6的冷却作用，高温高压蒸汽被冷凝为冷凝水，沿冷凝水下降管线5下降至余排换热器2，从而完成一个完整循环，将一体化熔盐堆换热器1中的热量载出，确保了一体化熔盐堆换热器1的热工安全及其结构的完整性。
如图2和图3所示，一体化熔盐堆换热器1为一种双层壳体的固定管板式换热器，热端燃料盐流体走壳侧，冷却盐流体走管侧。一体化熔盐堆换热器1(下文中也可为主换热器)包括主换热器外壳体17，在主换热器外壳体17的上部设置有裂变气体排放管线出口18，在主换热器外壳体17的下部设置有燃料盐装卸口35。一体化熔盐堆换热器1内集成了主泵，主泵包括电机14、泵轴15、支撑结构16、叶轮19和泵壳20。主换热器外壳体17由上段、中段和下段构成，上段和中段通过上部法兰29连接，中段和下段通过底部法兰36连接。
热端燃料盐流体的进出口管为双层设计，燃料盐首先从堆芯出口流出，并流入主换热器燃料盐入口管37，进而穿过一体化熔盐堆换热器1的双层壳体进入主换热器内壳体34，在主换热器折流板32的导流作用下沿垂直方向向上流，并进入主泵进口管27，如此完成了与主换热器管侧下降管31与主换热器管侧上升管30的对流换热。
燃料盐在主泵叶轮19的转动下从主泵进口管27进入泵壳20内，然后燃料盐从泵壳20周围对称布置的四个泵壳出口21流出，然后自上而下流经主换热器燃料盐下降环腔33，经过主换热器壳侧下腔室40，并从主换热器燃料盐出口管38流出，并进入反应堆入口。冷却剂从冷却剂入口管24流入冷却剂入口水室22，在冷却剂出口水室23和冷却剂入口水室22通过冷却剂水室隔板26隔开。冷却剂从入口水室22向下流入主换热器管侧下降管31，通过主换热器管侧冷却剂下腔室39混匀后向上进入主换热器管侧上升管30，随后进入冷却剂出口水室23，最后冷却剂从冷却剂出口管25流出，进入下一级换热***或热利用***。下一级换热***或热利用***通过冷却剂进出口法兰28与一体化熔盐堆换热器1短接。
如图4-图6所示，燃料盐沿堆本体侧法兰出口方向内套管41流入主换热器侧法兰入口方向内套管42，在主换热器完成换热之后，燃料盐从主换热器侧法兰出口方向外套管45流入堆本体侧法兰入口方向外套管46。堆本体侧法兰盘和换热器侧法兰盘均设置有卡接部，本体侧法兰盘的卡接部为凸面端47，换热器侧法兰盘的卡接部为凹面端48。凹面端48为环形凹槽。堆本体侧法兰凸面端47与换热器侧法兰凹面端48密封对接。堆本体侧法兰出口方向内套管41与主换热器侧法兰入口方向内套管42通过堆本体侧法兰出口方向内套管环形坡口43及主换热器侧法兰入口方向内套管环形坡口44进行配合连接。环形坡口44为内凹坡口。堆本体侧法兰盘和换热器侧法兰盘通过锁合部进行紧固，锁合部可为螺栓49。
燃料盐介质可以是溶解了易裂变材料235U/233U/239Pu的高温氟化物盐或氯化物盐，冷却剂为不含易裂变材料氟化物盐或氯化物盐，正常工作温度区间为500℃～1000℃，工作压力为常压。一体化熔盐堆换热器1的结构材料采用镍基合金或钛合金或钼合金，这取决于介质材料类型。其中主换热器管侧下降管31和主换热器管侧上升管30以及主换热器折流板32可以是上述金属结构材料，也可以是耐高温碳化硅纤维结构材料，一方面碳化硅纤维具有更高的化学稳定性，不易腐蚀，另一方面事故工况下换热器内部可允许的温度更高，甚至可以承受高达1200℃～1500℃的温度，具有更高的热工安全裕量。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种一体化熔盐堆换热器，其特征在于，所述一体化熔盐堆换热器包括一个冷却剂进出口和一个燃料盐进出口，所述冷却剂进出口位于一体化熔盐堆换热器的上部，所述燃料盐进出口位于一体化熔盐堆换热器的下部，所述冷却剂进出口和所述燃料盐进出口均具有一个双层管法兰，所述双层管法兰包括内套管、外套管和法兰盘，所述内套管的端面设有环形坡口，所述法兰盘的端面设有卡接部和锁合部，所述卡接部位于所述锁合部的径向内侧；
初始的冷却剂先下降，获得热量后再上升；
所述双层管法兰中，冷却剂或燃料盐从内套管进入一体化熔盐堆换热器，冷却剂或燃料盐从外套管流出一体化熔盐堆换热器；
所述一体化熔盐堆换热器还包括主泵，所述主泵用于驱动燃料盐的流动，所述主泵位于一体化熔盐堆换热器之内且位置高于所述冷却剂进出口；
所述一体化熔盐堆换热器的外壳为双层结构并具有环腔，所述环腔与所述燃料盐进出口的外套管连通，所述主泵包括泵壳，所述泵壳上开有燃料出口，所述燃料出口与所述环腔连通；主泵将一体化熔盐堆换热器内部的燃料盐向上提升，提升的过程中燃料盐一直与冷却剂发生热量交换，直到提升高过冷却剂进出口，燃料盐进入主泵内，然后从泵壳的燃料出口进入一体化熔盐堆换热器的外壳的环腔中，在环腔中下降，流到燃料盐进出口的外套管中，流出一体化熔盐堆换热器。
2.如权利要求1所述的一体化熔盐堆换热器，其特征在于，在所述一体化熔盐堆换热器上，所述坡口为内凹坡口。
3.如权利要求1所述的一体化熔盐堆换热器，其特征在于，在所述一体化熔盐堆换热器上，所述卡接部为环形凹槽。
4.如权利要求1所述的一体化熔盐堆换热器，其特征在于，在所述一体化熔盐堆换热器上，所述内套管、外套管和法兰盘的端面齐平。
5.如权利要求1所述的一体化熔盐堆换热器，其特征在于，所述一体化熔盐堆换热器内部还包括多个折流板，所述折流板用于使燃料盐的流动路径弯折。
6.一种如权利要求1至5中任一项所述的一体化熔盐堆换热器的非能动余热排出***，包括余排换热器、蒸汽上升管线、冷凝水下降管线和给水总管线，其特征在于，所述余排换热器靠近所述的一体化熔盐堆换热器，所述余排换热器与所述一体化熔盐堆换热器不接触。
7.如权利要求6所述的一体化熔盐堆换热器的非能动余热排出***，其特征在于，所述给水总管线通过并联的第一给水分管线和第二给水分管线连接至冷凝水下降管线，所述第一给水分管线上设置有电磁阀，所述第二给水分管线上设置有电动阀，所述电磁阀为断电打开型，所述电动阀为通电打开型。
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