專利名稱:一種非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置及導(dǎo)出堆芯熱量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核能換熱設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及利用鉛鉍流體傳熱的一種非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置及導(dǎo)出堆芯熱量的方法。具體說，在ADS次臨界反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量，由該裝置帶出熱量，以保證ADS反應(yīng)堆安全運行，實現(xiàn)新能源的正常發(fā)電。
背景技術(shù)：
ADS(accelerate driven system，加速器驅(qū)動系統(tǒng))是最有前景的嬗變技術(shù)之一。 它由中能強流質(zhì)子加速器、外源中子產(chǎn)生靶和次臨界反應(yīng)堆構(gòu)成，是一種高效的核廢物嬗變爐。ADS的基本原理如下由加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束轟擊在次臨界堆中的重金屬靶件，引起散裂反應(yīng)，再通過核內(nèi)級聯(lián)和核外級聯(lián)產(chǎn)生中子，散裂中子靶為次臨界堆提供外源中子。
在ADS中利用液態(tài)鉛鉍合金(PbBi)作為散裂靶兼冷卻劑，除了具有很好的中子學(xué)性能之外，還具有優(yōu)良的抗輻照性能、傳熱性能和安全特性，可以提高靶系統(tǒng)的壽命和次臨界反應(yīng)堆的安全性。由于ADS堆芯冷卻劑采用的是鉛鉍合金這種特殊的材料，因此，有必要設(shè)計一種鉛鉍換熱裝置將熱量有效導(dǎo)出。
現(xiàn)階段國內(nèi)ADS正處于起步階段，研究大都集中于ADS反應(yīng)堆堆芯中的中子物理研究，鉛鉍換熱及其裝置剛剛起步。目前，由于還沒用建成ADS反應(yīng)堆，國外也僅僅在實驗回路上開展研究工作。1998年，法國、意大利、西班牙決定成立一個歐洲實驗加速器驅(qū)動系統(tǒng)(XADS)的研發(fā)平臺。為了滿足技術(shù)研發(fā)的需要，參與者已經(jīng)擴大到歐盟多數(shù)國家。意大利投入了很大力量，設(shè)計一臺80麗的XADS。瑞典皇家理工學(xué)院(KTH)也承擔(dān)了歐盟XADS 計劃的一部分，建造了試驗設(shè)備，來測試鉛鉍冷卻反應(yīng)堆的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱工水力特性。所有實驗中采取的換熱主要是最簡單套管式換熱，意大利對U型管式換熱進行了簡單研究。但所有研究都基于強迫循環(huán)換熱，需要動力支持，且鉛鉍泵的制造也是一種復(fù)雜的工藝。兩側(cè)換熱流由密度差自然循環(huán)驅(qū)動的鉛鉍換熱裝置省略了鉛鉍泵這一環(huán)節(jié)，不需要動力源，更好更安全地實現(xiàn)熱量的有效傳遞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置及導(dǎo)出堆芯熱量的方法， 其特征在于，所述換熱裝置是一種在雙側(cè)實現(xiàn)自然循環(huán)傳熱的裝置，包括圓環(huán)形和方環(huán)形兩種自然循環(huán)傳熱回路結(jié)構(gòu)；鉛鉍換熱裝置的基本回路結(jié)構(gòu)如下由鉛鉍合金加熱器1、鉛鉍合金上充下泄泵7、鉛鉍合金貯存池6和鉛鉍合金換熱裝置3的一次側(cè)鉛鉍合金流體通道 10構(gòu)成一回路，氬氣貯存池8接在一次側(cè)鉛鉍合金流體通道10和鉛鉍合金加熱器1的公共通道上，鉛鉍合金貯存池6與一次側(cè)鉛鉍合金流體通道10和鉛鉍合金上充下泄泵7連接； 由鉛鉍合金換熱裝置3的二次側(cè)流體通道9、二回路冷卻器2和二回路流體上充下泄泵5構(gòu)成二回路，二回路冷卻劑貯存池4與二次側(cè)流體通道9和二回路流體上充下泄泵5連接。
所述鉛鉍合金換熱裝置為圓環(huán)形自然循環(huán)傳熱回路的結(jié)構(gòu)是換熱裝置外環(huán)管12 內(nèi)支撐相互連接的4個結(jié)構(gòu)相同的內(nèi)環(huán)管11 ；內(nèi)環(huán)管11內(nèi)圈為一次側(cè)鉛鉍合金流體通道10，內(nèi)環(huán)管11外圈與外環(huán)管12內(nèi)壁之間為二次側(cè)流體通道9 ；鉛鉍合金換熱裝置兩端分別為下聯(lián)箱13和上聯(lián)箱14。
所述鉛鉍合金換熱裝置為方環(huán)形自然循環(huán)傳熱回路的結(jié)構(gòu)是在方環(huán)形的外環(huán)管 12內(nèi)支撐一個方環(huán)形的內(nèi)環(huán)管11，內(nèi)環(huán)管11內(nèi)圈為一次側(cè)鉛鉍合金流體通道10，內(nèi)環(huán)管外圈與外環(huán)管12內(nèi)壁之間為二次側(cè)流體通道9 ；鉛鉍合金換熱裝置兩端分別為下聯(lián)箱13和上聯(lián)箱14。
所述非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置導(dǎo)出堆芯熱量的方法是來自ADS堆芯產(chǎn)生熱量，經(jīng)過下聯(lián)箱13，由載熱液體鉛鉍合金流入非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置3的一次側(cè)鉛鉍合金流體通道10，將熱量傳給換熱管道內(nèi)環(huán)管11，由于在ADS堆芯受熱，其在內(nèi)環(huán)管一次側(cè)鉛鉍合金流體通道10入口溫度為400°C，出口溫度為300°C，內(nèi)環(huán)管11與二次側(cè)流體通道9內(nèi)的二回路冷卻劑進行熱量交換，受到冷卻的液體鉛鉍合金流出至上聯(lián)箱14，具有較低溫度的液體鉛鉍合金流入鉛鉍合金加熱器1，繼續(xù)吸收堆芯熱量，由此實現(xiàn)熱量的導(dǎo)出， 完成一個循環(huán)。
所述一次側(cè)鉛鉍合金要實現(xiàn)自然循環(huán)，需要加入氬氣進行拉抬，以提升其自然循環(huán)能力。鉛鉍共晶合金LBE的熔點雖然比鈉稍高，但其化學(xué)活性比較弱，具有傳熱性能和安全特性。
所述二次側(cè)的冷卻劑應(yīng)能將一回路鉛鉍合金冷卻到所需的水平。在340°C高溫下連續(xù)工作，熱分解率低，與LBE不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，自燃點遠遠超過運行溫度。因此冷卻劑選擇為沸騰水、甘油和氫化三聯(lián)苯；采取逆流式換熱，即鉛鉍合金流動方向和二次側(cè)工質(zhì)流動方向相反的方式。
本發(fā)明的突出優(yōu)點是該裝置簡單易行，省去復(fù)雜的鉛鉍泵，無需動力源，具有節(jié)能安全和可靠性高的特點。符合當(dāng)前節(jié)能減排政策，容易進行市場推廣。ADS是為了新能源可選擇先進技術(shù)之一，非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置也必然有重要應(yīng)用前景。


圖1是自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置布置回路示意圖。
圖2是一種圓環(huán)形非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置俯視圖。
圖3是一種方環(huán)形非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置示俯視圖。
圖4是圓環(huán)形和方環(huán)形鉛鉍合金換熱裝置的剖面?zhèn)纫晥D，其中a為圖2的A-A剖面圖；b為圖2的B-B剖面圖；c為圖3的C-C剖面圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供一種非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置。下面結(jié)合附圖予以說明。
圖1是自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置布置回路示意圖。圖中，由鉛鉍合金加熱器1、鉛鉍合金上充下泄泵7、鉛鉍合金貯存池6和鉛鉍合金換熱裝置3的一次側(cè)鉛鉍合金流體通道 10構(gòu)成一回路，氬氣貯存池8接在一次側(cè)鉛鉍合金流體通道10和鉛鉍合金加熱器1的公共通道上，鉛鉍合金貯存池6與一次側(cè)鉛鉍合金流體通道10和鉛鉍合金上充下泄泵7連接； 由鉛鉍合金換熱裝置3的二次側(cè)流體通道9、二回路冷卻器2和二回路流體上充下泄泵5構(gòu)成二回路，二回路冷卻劑貯存池4與二次側(cè)流體通道9和二回路流體上充下泄泵5連接。[0018]本裝置工作原理是來自ADS堆芯產(chǎn)生熱量，經(jīng)過下聯(lián)箱13，由載熱液體鉛鉍合金流入非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置3的一次側(cè)鉛鉍合金流體通道10，將熱量傳給換熱管道內(nèi)環(huán)管11，由于在ADS堆芯受熱，其在內(nèi)環(huán)管一次側(cè)鉛鉍合金流體通道10入口溫度為 400°C，出口溫度為300°C，內(nèi)環(huán)管11與二次側(cè)流體通道9內(nèi)的二回路冷卻劑(如低壓沸騰水的入口溫度為20°C，出口溫度為100°C )進行熱量交換，受到冷卻的液體鉛鉍合金流出至上聯(lián)箱14，具有較低溫度的液體鉛鉍合金流入鉛鉍合金加熱器1，繼續(xù)吸收堆芯熱量，由此實現(xiàn)熱量的導(dǎo)出，完成一個循環(huán)。其中，一次側(cè)鉛鉍合金要實現(xiàn)自然循環(huán)，需要加入氬氣進行拉抬，以提升其自然循環(huán)能力。鉛鉍共晶合金LBE的熔點雖然比鈉稍高，但其化學(xué)活性比較弱，具有傳熱性能和安全特性。二次側(cè)的冷卻劑應(yīng)能將一回路鉛鉍合金冷卻到所需的水平。在340°C高溫下連續(xù)工作，熱分解率低，與LBE不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，自燃點遠遠超過運行溫度。因此冷卻劑選擇為沸騰水、甘油和氫化三聯(lián)苯；采取逆流式換熱，即鉛鉍合金流動和二次側(cè)工質(zhì)采取反向流動，如圖4(a、b、c)所示。
啟動時或維修時，鉛鉍合金上充下泄泵7將鉛鉍合金貯存池6中的鉛鉍合金泵入或泵出回路，鉛鉍合金流經(jīng)鉛鉍合金加熱器1，到達鉛鉍合金換熱裝置3，充滿整個回路后鉛鉍合金上充下泄泵7停運。二回路流體上充下泄泵5將二回路冷卻劑貯存池4中的二回路冷卻劑泵入鉛鉍合金換熱裝置3，然后進入一個自身回路的換熱器2直至充滿整個回路后，二回路流體上充下泄泵5停運。
圖2是一種圓環(huán)形非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置俯視圖。圖中，換熱裝置外環(huán)管 12內(nèi)支撐相互連接的4個結(jié)構(gòu)相同的內(nèi)環(huán)管11 ；內(nèi)環(huán)管11內(nèi)圈為一次側(cè)鉛鉍合金流體通道10，內(nèi)環(huán)管11外圈與外環(huán)管12內(nèi)壁之間為二次側(cè)流體通道9 ；鉛鉍合金換熱裝置兩端分別為下聯(lián)箱13和上聯(lián)箱14。
圖3是一種方環(huán)形非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置俯視圖。在方環(huán)形的外環(huán)管12 內(nèi)支撐一個方環(huán)形的內(nèi)環(huán)管11，內(nèi)環(huán)管11內(nèi)圈為一次側(cè)鉛鉍合金流體通道10，內(nèi)環(huán)管外圈與外環(huán)管12內(nèi)壁之間為二次側(cè)流體通道9 ；鉛鉍合金換熱裝置兩端分別為下聯(lián)箱13和上聯(lián)箱14。上述圓環(huán)形和方環(huán)形兩種自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置所采取的自然循環(huán)流動方式相同，結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定區(qū)別。圖3所代表的方環(huán)形結(jié)構(gòu)，由于矩形造成回流的作用，促使換熱增加，更均勻更好地帶走堆芯所產(chǎn)生的熱量。無論是圖2的圓環(huán)形，還是圖3的方環(huán)形結(jié)構(gòu)， 基本流動換熱方式為進入流入非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置3的一次側(cè)鉛鉍合金流體通道10，液體鉛鉍合金把熱量傳給內(nèi)環(huán)管11 ；進而傳給進入二次側(cè)管道9的流動工質(zhì)(如低壓沸騰水)，流動工質(zhì)由于被加熱產(chǎn)生密度差，靠自然循環(huán)流出二次側(cè)管道9。在流動工質(zhì)外的外環(huán)管12還要向環(huán)境散發(fā)熱量。由此，實現(xiàn)熱量的輸運過程。
鉛鉍合金換熱裝置內(nèi)單元環(huán)管的內(nèi)環(huán)管小圓直徑為5mm-20mm，外環(huán)管直徑為 30mm-100mm,長度約 lm_3m。
權(quán)利要求
1.一種非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置，其特征在于，所述換熱裝置是一種在雙側(cè)實現(xiàn)自然循環(huán)傳熱的裝置，包括圓環(huán)形和方環(huán)形兩種自然循環(huán)傳熱回路結(jié)構(gòu)；鉛鉍換熱裝置的基本回路結(jié)構(gòu)如下由鉛鉍合金加熱器(1)、鉛鉍合金上充下泄泵(7)、鉛鉍合金貯存池(6) 和鉛鉍合金換熱裝置(3)的一次側(cè)鉛鉍合金流體通道(10)構(gòu)成一回路，氬氣貯存池(8接在一次側(cè)鉛鉍合金流體通道(10)和鉛鉍合金加熱器(1)的公共通道上，鉛鉍合金貯存池 (6)與一次側(cè)鉛鉍合金流體通道(10)和鉛鉍合金上充下泄泵(7)連接；由鉛鉍合金換熱裝置(3)的二次側(cè)流體通道(9)、二回路冷卻器( 和二回路流體上充下泄泵( 構(gòu)成二回路，二回路冷卻劑貯存池⑷與二次側(cè)流體通道(9)和二回路流體上充下泄泵(5)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置，其特征在于，所述鉛鉍合金換熱裝置為圓環(huán)形自然循環(huán)傳熱回路的結(jié)構(gòu)是換熱裝置外環(huán)管(1 內(nèi)支撐相互連接的4個結(jié)構(gòu)相同的內(nèi)環(huán)管(11)；內(nèi)環(huán)管(11)內(nèi)圈為一次側(cè)鉛鉍合金流體通道(10)，內(nèi)環(huán)管(11) 外圈與外環(huán)管(1 內(nèi)壁之間為二次側(cè)流體通道(9 ；鉛鉍合金換熱裝置兩端分別為下聯(lián)箱 (13)和上聯(lián)箱(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置，其特征在于，所述鉛鉍合金換熱裝置為方環(huán)形自然循環(huán)傳熱回路的結(jié)構(gòu)是在方環(huán)形的外環(huán)管(1 內(nèi)支撐一個方環(huán)形的內(nèi)環(huán)管(11)，內(nèi)環(huán)管(11)內(nèi)圈為一次側(cè)鉛鉍合金流體通道(10)，內(nèi)環(huán)管外圈與外環(huán)管(12) 內(nèi)壁之間為二次側(cè)流體通道(9 ；鉛鉍合金換熱裝置兩端分別為下聯(lián)箱(1 和上聯(lián)箱(14)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置，其特征在于，所述鉛鉍合金換熱裝置由鋁合金、奧氏體鋼或陶瓷等材料組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置，其特征在于，鉛鉍合金換熱裝置內(nèi)環(huán)管的內(nèi)直徑為5mm-20mm，外環(huán)管內(nèi)直徑為30mm-100mm，壁厚均為3_6mm、長度為 lm_3m0
6.一種非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置導(dǎo)出堆芯熱量的方法，其特征在于，所述非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置導(dǎo)出堆芯熱量的方法是來自ADS堆芯產(chǎn)生熱量，經(jīng)過下聯(lián)箱(13)， 由載熱液體鉛鉍合金流入非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置(3)的一次側(cè)鉛鉍合金流體通道 (10)，將熱量傳給換熱管道內(nèi)環(huán)管(11)，由于在ADS堆芯受熱，其在內(nèi)環(huán)管一次側(cè)鉛鉍合金流體通道(10)入口溫度為400°C，出口溫度為300°C，內(nèi)環(huán)管(11)與二次側(cè)流體通道(9) 內(nèi)的二回路冷卻劑進行熱量交換，受到冷卻的液體鉛鉍合金流出至上聯(lián)箱(14)，具有較低溫度的液體鉛鉍合金流入鉛鉍合金加熱器(1)，繼續(xù)吸收堆芯熱量，由此實現(xiàn)熱量的導(dǎo)出， 完成一個循環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置導(dǎo)出堆芯熱量的方法，其特征在于，所述一次側(cè)鉛鉍合金要實現(xiàn)自然循環(huán)，需要加入氬氣進行拉抬，以提升其自然循環(huán)能力，鉛鉍共晶合金LBE的熔點雖然比鈉稍高，但其化學(xué)活性比較弱，具有傳熱性能和安全特性。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6所述非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置導(dǎo)出堆芯熱量的方法，其特征在于，所述二次側(cè)的冷卻劑應(yīng)能將一回路鉛鉍合金冷卻到所需的水平，在340°C高溫下連續(xù)工作，熱分解率低，與LBE不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，自燃點遠遠超過運行溫度，因此冷卻劑選擇為沸騰水、甘油和氫化三聯(lián)苯；采取逆流式換熱，即鉛鉍合金流動和二次側(cè)工質(zhì)采取反向流動。
專利摘要
本發(fā)明公開了屬于核能換熱設(shè)備領(lǐng)域的涉及利用鉛鉍流體傳熱的一種非能動自然循環(huán)鉛鉍換熱裝置及導(dǎo)出堆芯熱量的方法。具體說包括圓環(huán)形和方環(huán)形兩種自然循環(huán)傳熱回路結(jié)構(gòu)，是一種在雙側(cè)實現(xiàn)自然循環(huán)傳熱的裝置；內(nèi)環(huán)管內(nèi)圈為一次側(cè)鉛鉍合金流體通道，內(nèi)環(huán)管外圈與外環(huán)管內(nèi)壁之間為二次側(cè)流體通道；在ADS加速器驅(qū)動系統(tǒng)次臨界反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量，由液態(tài)鉛鉍合金經(jīng)該裝置內(nèi)環(huán)管傳給二回路的冷卻劑。鉛鉍合金流經(jīng)該裝置與二次側(cè)流體換熱。兩側(cè)換熱流體由于密度差的驅(qū)動形成自然循環(huán)，具有高效節(jié)能和安全可靠的非能動特點，該裝置簡單易行，省去復(fù)雜的鉛鉍泵，無需動力源，具有節(jié)能安全和可靠性高的特點。符合當(dāng)前節(jié)能減排政策，容易進行市場推廣。
文檔編號G21C15/04GKCN102446564SQ201110401401
公開日2012年5月9日 申請日期2011年12月6日
發(fā)明者劉夢影, 吳宜燦, 周濤, 李精精, 柏云清, 蘇子威, 鄒文重 申請人:華北電力大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan