一种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，当反应堆处于正常运行工况时，打开热分隔阀门，关闭辅助加热阀门，启动气体过滤器和气体压缩机，系统起到热分隔作用；当反应堆处于低功率运行或停堆工况时，打开辅助加热阀门，关闭热分隔阀门，启动气体过滤器、气体加热器和气体压缩机，系统起到辅助加热作用。该系统结构简单，启动方便，可同时实现液态金属冷却池式反应堆的冷热池分隔和堆内冷却剂辅助加热两项功能，可有效降低反应堆系统结构的复杂性，提高反应堆的经济性和安全性。该系统的适用范围广，不但适用于采用强迫循环的液态金属冷却池式反应堆，而且适用于采用自然循环的液态金属冷却池式反应堆。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于反应堆系统部件设计的
，具体涉及一种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统。
技术介绍
液态金属冷却池式反应堆采用一体化池式结构，所有的堆内部件均浸没于主容器内的液态金属内，可有效降低一回路冷却剂丧失事故(LOCA)的发生概率；主容器内装载大量的液态金属，使反应堆具有良好的热惰性；同时液态重金属具备良好的自然循环能力，主冷却剂系统可采用自然循环驱动，可有效提高反应堆的经济性和固有安全性。基于液态金属冷却池式反应堆的突出优点，目前其已经成为第四代先进核能系统的重要发展方向。堆内热分隔系统是液态金属冷却池式反应堆的重要系统之一。热分隔系统将液态金属冷却池式反应堆主容器内的液态金属分为上部的热池和下部的冷池，以减少热池向冷池传递的热量，维持冷热池之间的温差。热分隔系统的性能将直接影响液态金属反应堆在正常运行工况下的热效率，以及事故运行工况下主容器内液态金属的自然循环能力，进而影响反应堆的经济性和安全性。在现有的液态金属冷却池式反应堆中，堆内热分隔系统多采用单层或多层钢板结构设计。在采用多层钢板结构的热隔板系统设计中，比较典型的设计方案如下：(1)中国实验快堆(CEFR)所设计的堆内热分隔系统水平方向采用彼此间隔的三层热隔板、竖直方向采用彼此间隔的双层热隔板，隔板间隙内通有液态金属循环冷却热隔板。这种设计方案可降低热隔板两侧的温差，减小热隔板上的热应力，但是进入热隔板间隙内的液态金属为由从主泵引入的支流，该设计方案仅适合于采用强迫循环的液态金属冷却池式反应堆，不适合于采用自然循环的液态金属冷却池式反应堆，系统适用范围有限；(2)中国科学院合肥物质科学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系统采用彼此间隔的双层热隔板，依靠热隔板间隙内的空气达到热分隔效果，但是该方案中内、外层热隔板之间没有支撑，内层热隔板需要承受整个热池内液态金属的重量，外层热隔板需要承受冷池内液态金属的压力，这样的设计对于热隔板材料的选择要求较高，加工难度较大，工程可行性不高。在单层钢板结构的热隔板系统设计中，比利时的铅铋冷却反应堆(MYRRHA)、法国的凤凰快堆(Phoenix)和印度的原型快堆(PFBR)所设计的热分隔系统是其中较为典型的代表，但是这种设计方案会导致钢板上的热应力较大，对材料的属性要求较高，实现难度较大，隔热效果不好，采用这种单板结构热分隔系统会牺牲液态金属冷却池式反应堆的部分热效率，降低反应堆的经济性，同时这种设计方案对于采用强迫循环的液态金属冷却池式反应堆来说，尚且可以接受，但是对于自然循环的液态金属冷却池式反应堆来说，采用单层结构热分隔系统会导致热池向冷池传递的热量较多，不利于维持热池和冷池之间的温差，除了会影响反应堆的热效率外，同时会降低主冷却剂系统的自然循环能力，不利于反应堆的稳定运行。反应堆辅助加热系统是液态金属冷却池式反应堆的另一个重要系统。当反应堆处于低功率运行或停堆工况时，堆芯所产生的热量将不足以维持主容器内的液态金属温度在熔点以上，若冷却剂一旦发生凝固，将会对反应堆堆本体的系统和设备造成严重的破坏。因此，当反应堆处于低功率运行或停堆工况时，必须对液态金属冷却池式反应堆主容器内的液态金属进行辅助加热，以维持其为液态。目前，液态金属冷却池式反应堆的辅助加热系统，主要有以下几种方式：(1)中国实验快堆(CEFR)的辅助加热系统。当反应堆处于低功率运行或停堆工况时，主要依靠主泵与液态金属的摩擦生热，在二回路和事故余热排出系统中间回路上布置电跟踪加热器等方式，使用主热交换器和事故余热热交换器对主容器内的液态金属进行辅助加热，但是这种辅助加热系统对对主泵有依赖，一旦主泵因失电停止运行，将对整个辅助加热系统的正常运行造成较大影响，同时当主泵无法正常工作，仅依靠主热交换器和事故余热热交换器向堆内液态金属传热时，将会导致堆内液态金属的流动发生反转，给堆内系统和设备带来较大的热应力危害。(2)比利时设计的铅铋冷却反应堆(MYRRHA)的辅助加热系统。该系统直接位于堆芯下部，系统中安装电加热器，以此来直接加热主容器内的液态铅铋。但该设计方案的加热装置位于反应堆堆池内，增加了堆内结构的复杂性，同时需要考虑液态铅铋对于电加热器的腐蚀作用，且系统维修和检查不便。(3)同中国科学院合肥物质科学研究院在对现有堆内辅助加热系统进行改进的基础上，提出了一种在主容器外部对堆池内液态金属进行加热的辅助加热系统。该方案启动方便，结构简单。但是该设计方案中，气体输入管位于主容器和安全容器形成的环腔内，一旦主容器发生破裂，液态金属将进入环腔内，淹没气体输入管，此时系统将无法再继续运行，反应堆内的液态金属将存在凝固的风险。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对液态金属冷却池式反应堆冷热池分隔和堆内液态金属辅助加热的需要，克服目前现有技术适用范围有限，系统结构复杂、维修不便的不足，提供一种启动方便、可靠性高，可同时实现堆内冷热池分隔和堆内液态金属辅助加热功能，适用于强迫循环和自然循环液态金属冷却池式反应堆的基于气举的多功能热分隔系统，以提高反应堆的经济性和安全性。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能热分隔系统，该系统包括气体贮存罐1、气体过滤器2、热分隔阀门3、辅助加热阀门4、气体加热器5、气体压缩机6、气体输入管7、喷嘴8、内层热隔板9、外层热隔板10、凸台11、气体输出管12和风机13；其中内层热隔板9和外层热隔板10均有上部竖直段、中部水平段和下部竖直段组成，内层热隔板9和外层热隔板10彼此之间留有间隙，形成热隔板间隙23，外层热隔板10的上部竖直段紧贴主容器16的内壁面，内层热隔板9的下部竖直段与堆芯18的径向间隔为15～20cm，内层热隔板9和外层热隔板10的上端均悬挂在堆顶盖19上，下端均连接堆芯冷却剂入口挡板17并与堆芯18相连；在热隔板间隙23正上方对应的堆顶盖19上开有气体输入管7和气体输出管12的通过小孔；冷却剂进口14位于外层热隔板10的下端，冷却剂出口15位于内层热隔板9的上端且其上沿位于自由液面20下方，在冷却剂出口15的下沿焊有凸台11，凸台11由向左上方延伸的倾斜段和竖直段组成；气体贮存罐1与气体过滤器2相连，气体过滤器2分别通过相应的管道连接热分隔阀门3和辅助加热阀门4，在辅助加热阀门4之间装有气体加热器5，热分隔阀门3和辅助加热阀门4分别通过相应管道连接气体压缩机6，气体压缩机6与气体输入管7相连，气体输入管7通过堆顶盖19上的开孔进入热隔板间隙23并与喷嘴8相连，气体输出管12连接堆顶盖19并与热隔板间隙23相通，风机13一端连接气体输出管12，一端与气体贮存罐1相连，从而建立系统内气体的闭式循环空间。更进一步的，所述的冷却剂进口14为在外层热隔板10的底端沿周向开设若干层小孔形成，冷却剂出口15为在内层热隔板9的上端沿周向开设若干层小孔形成。采用这样的设计不会危及内层热隔板9和外层热隔板10的结构安全性，同时可通根据反应堆热分隔和辅助加热需要，调整小孔层数和小孔的孔径，以调整进入热分隔间隙23内的液态金属质量流量。更进一步的，所述的气体输入管7沿着主容器16的中轴线对称布置，且彼此之间的周向距离相等，每2个气体输入管7的周向中间位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，其特征在于：该系统包括气体贮存罐(1)、气体过滤器(2)、热分隔阀门(3)、辅助加热阀门(4)、气体加热器(5)、气体压缩机(6)、气体输入管(7)、喷嘴(8)、内层热隔板(9)、外层热隔板(10)、凸台(11)、气体输出管(12)和风机(13)；其中内层热隔板(9)和外层热隔板(10)均有上部竖直段、中部水平段和下部竖直段组成，内层热隔板(9)和外层热隔板(10)彼此之间留有间隙，形成热隔板间隙(23)，外层热隔板(10)的上部竖直段紧贴主容器(16)的内壁面，内层热隔板(9)的下部竖直段与堆芯(18)的径向间隔为15～20cm，内层热隔板(9)和外层热隔板(10)的上端均悬挂在堆顶盖(19)上，下端均连接堆芯冷却剂入口挡板(17)并与堆芯(18)相连；在热隔板间隙(23)正上方对应的堆顶盖(19)上开有气体输入管(7)和气体输出管(12)的通过小孔；冷却剂进口(14)位于外层热隔板(10)的下端，冷却剂出口(15)位于内层热隔板(9)的上端且其上沿位于自由液面(20)下方，在冷却剂出口(15)的下沿焊有凸台(11)，凸台(11)由向左上方延伸的倾斜段和竖直段组成；气体贮存罐(1)与气体过滤器(2)相连，气体过滤器(2)分别通过相应的管道连接热分隔阀门(3)和辅助加热阀门(4)，在辅助加热阀门(4)之间装有气体加热器(5)，热分隔阀门(3)和辅助加热阀门(4)分别通过相应管道连接气体压缩机(6)，气体压缩机(6)与气体输入管(7)相连，气体输入管(7)通过堆顶盖(19)上的开孔进入热隔板间隙(23)并与喷嘴(8)相连，气体输出管(12)连接堆顶盖(19)并与热隔板间隙(23)相通，风机(13)一端连接气体输出管(12)，一端与气体贮存罐(1)相连，从而建立系统内气体的闭式循环空间。...

【技术特征摘要】
1.一种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，其特征在于：该系统包括气体贮存罐(1)、气体过滤器(2)、热分隔阀门(3)、辅助加热阀门(4)、气体加热器(5)、气体压缩机(6)、气体输入管(7)、喷嘴(8)、内层热隔板(9)、外层热隔板(10)、凸台(11)、气体输出管(12)和风机(13)；其中内层热隔板(9)和外层热隔板(10)均有上部竖直段、中部水平段和下部竖直段组成，内层热隔板(9)和外层热隔板(10)彼此之间留有间隙，形成热隔板间隙(23)，外层热隔板(10)的上部竖直段紧贴主容器(16)的内壁面，内层热隔板(9)的下部竖直段与堆芯(18)的径向间隔为15～20cm，内层热隔板(9)和外层热隔板(10)的上端均悬挂在堆顶盖(19)上，下端均连接堆芯冷却剂入口挡板(17)并与堆芯(18)相连；在热隔板间隙(23)正上方对应的堆顶盖(19)上开有气体输入管(7)和气体输出管(12)的通过小孔；冷却剂进口(14)位于外层热隔板(10)的下端，冷却剂出口(15)位于内层热隔板(9)的上端且其上沿位于自由液面(20)下方，在冷却剂出口(15)的下沿焊有凸台(11)，凸台(11)由向左上方延伸的倾斜段和竖直段组成；气体贮存罐(1)与气体过滤器(2)相连，气体过滤器(2)分别通过相应的管道连接热分隔阀门(3)和辅助加热阀门(4)，在辅助加热阀门(4)之间装有气体加热器(5)，热分隔阀门(3)和辅助加热阀门...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘紫静，赵鹏程，
申请(专利权)人：南华大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43