一种小型模块化反应堆冷却剂系统及应用其的实验方法

摘要

本发明公开了一种小型模块化反应堆冷却剂系统，该系统中通过液态金属镓作为冷却剂，在冷却剂中添加一定量的气体，通过气体增加液态镓金属的自然循环能力，也能增加其扰动，加强换热效果；通过该系统能够反复增加或减少液态镓金属，也能够任意增加或减少其中掺杂的气体，调整气压，记录分析各种状况下液态镓金属的换热能力及自然循环能力，为搭建灵活多样的小型模块化反应堆提供基础数据。

说明书

技术领域

本发明涉及核能领域，具体涉及一种小型模块化反应堆冷却剂系统。

背景技术

随着能源需求的不断增长，环保意识的不断加强，核反应堆的作用愈加突出。核反应堆的快速发展也对反应堆冷却剂的导热效率以及反应堆的安全性提出了挑战。从目前来看，国际上的大部分核反应堆都是压水堆，是以水作为反应堆堆芯冷却剂的堆型，但近些年来以液态金属作为反应堆堆芯冷却剂的研究正在不断地进行中。液态金属冷却剂反应堆相对于压水堆，具有更好的自然循环能力、更大的功率密度，低压下运行，具有更好的固有安全性，体积更小，系统更紧凑。以金属钠、铅以及铅铋合金三种金属作为反应堆堆芯冷却剂的研究最为丰富，但却少有以液态金属镓作为反应堆堆芯冷却剂的研究，更没有在液体金属镓中添加少量气体后的循环能力、导热性能等方面的研究。

为了提高反应堆的灵活性，小型模块化反应堆正在快速发展，它具有一体化设计、模块式安装、安全性高、适用性广、建设周期短和一次性投资低等优点，而将液态金属镓和小型模块化反应堆结合起来的方案也将是未来发展的重点，在此基础上，研究获取以液态金属镓为冷却剂的模块化反应堆的相关参数，尤其是冷却剂性能方面的研究显得尤为重要。

由于上述原因，本发明人对现有的反应堆冷却剂性能研究方案做了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题的用以研究液态金属镓冷却剂循环能力、导热性能的小型模块化反应堆冷却剂系统。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种小型模块化反应堆冷却剂系统，该系统中通过液态金属镓作为冷却剂，在冷却剂中添加一定量的气体，通过气体增加液态镓金属的自然循环能力，也能增加其扰动，加强换热效果；通过该系统能够反复增加或减少液态镓金属，也能够任意增加或减少其中掺杂的气体，调整气压，记录分析各种状况下液态镓金属的换热能力及自然循环能力，为搭建灵活多样的小型模块化反应堆提供基础数据，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供一种小型模块化反应堆冷却剂系统，该系统包括反应堆压力容器、主泵和进气箱；

其中，在所述反应堆压力容器的壁面上设置有冷却剂入口和冷却剂出口；

在所述反应堆压力容器内部下方设置有堆芯，在所述反应堆压力容器内部上方设置有蒸汽发生器，

所述主泵的出液口通过冷却剂管道连通至冷却剂入口，所述主泵的进液口通过冷却剂管道连通至冷却剂出口；

所述进气箱通过抽气泵与所述冷却剂管道连通。

其中，在所述反应堆压力容器内部下方，在堆芯周围设置有冷却剂下降环段，所述冷却剂下降环段一端与至冷却剂入口连通，所述冷却剂下降环段另一端连通至反应堆压力容器底部，

在所述堆芯中设置有供冷却剂流过的通道，该通道从反应堆压力容器底部连通至蒸汽发生器，

在所述蒸汽发生器中设置有换热管，

该换热管一端与堆芯中的通道连通，另一端与冷却剂出口连通。

其中，所述换热管为螺旋换热管，在所述换热管的外表面设置有传热翅片。

其中，该系统还包括稳压罐和储气罐，

所述稳压罐中设置有密封隔板，该密封隔板能够在稳压罐中往复移动，且保持与稳压罐内壁之间密封接触；

所述密封隔板将所述稳压罐分隔为位于下方的气腔和位于上方的混合腔；

所述气腔与冷却剂管道连通；

所述混合腔与储气罐连通。

其中，所述储气罐还与进气箱3连通；

优选地，在连通储气罐和混合腔的管道上设置有增压系统，在连通储气罐和进气箱的管道上也设置有增压系统；

优选地，所述增压系统包括增压泵和压缩机。

其中，所述增压系统用于控制气腔中的气压值，进而控制混合腔中的气压值。

其中，所述抽气泵用于将进气箱中的气体输送至冷却剂管道中；

所述抽气泵还用于将冷却剂管道中的气体输送至进气箱中。

其中，该系统还包括液态金属镓储存罐，

所述液态金属镓储存罐与冷却剂管道连通，在连通管道上设置有进料泵和阀门。

优选地，所述进料泵用于将液态镓从液态金属镓储存罐泵入到冷却剂管道中，

所述进料泵还用于将液态镓从冷却剂管道泵入到液态金属镓储存罐中。

其中，在液态金属镓储存罐中设置有加热器，

通过该加热器持续给液态金属镓储存罐中存储的金属镓加热，使得金属镓的温度维持在30摄氏度以上，金属镓处于液态。

本发明还提供一种获知液态镓换热性能的实验方法，该方法是通过文所述的小型模块化反应堆冷却剂系统实现的；

优选地，该方法包括实验准备过程、实验过程和实验间期处理过程：

所述实验准备过程包括如下子步骤：

子步骤1，启动进料泵91，将液态金属镓注入到冷却剂管道4内；

子步骤2，打开储气罐7与进气箱3之间的增压系统8，将气体泵入进气箱3内，再打开抽气泵5，将气体泵入冷却剂管道4中；

子步骤3，打开稳压罐6与储气罐7之间的增压系统8，控制稳压罐6内密封隔板61上方气腔62的气体压力，从而将冷却剂管道4中的气体压力调整到实验预设气压值，直至冷却剂管道4内的压力与气体量满足要求；

所述实验过程包括如下子步骤：

子步骤a，启动主泵2，使金属镓冷却剂在冷却剂管道4中循环；

子步骤b，当冷却剂循环稳定后，启动反应堆堆芯，使反应堆正常工作；

所述实验间期处理过程包括如下子步骤：

子步骤甲，通过抽气泵5将冷却剂管道4中的气体抽取到进气箱中；

子步骤乙，启动主泵2促进冷却剂循环，并开启堆芯，确保冷却剂管道中液态金属镓的温度维持在40度以上。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的小型模块化反应堆冷却剂系统及应用其的实验方法中通过向液态镓金属中添加气体来增加液态镓金属的自然循环能力，也能增加其扰动，加强换热效果；

(2)根据本发明提供的小型模块化反应堆冷却剂系统及应用其的实验方法中能够随时调节冷却剂液态镓金属的使用量，从而在增加气体时，适当减小液态镓金属的用量；

(3)根据本发明提供的小型模块化反应堆冷却剂系统及应用其的实验方法中能够随时调节冷却剂中添加的气体量，以便于找到效果最佳的气体和冷却剂的组合比例。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的一种小型模块化反应堆冷却剂系统整体结构示意图。

附图标号说明：

1-反应堆压力容器

11-冷却剂入口

12-冷却剂出口

13-堆芯

14-蒸汽发生器

2-主泵

3-进气箱

4-冷却剂管道

41-冷却剂下降环段

42-换热管

5-抽气泵

6-稳压罐

61-密封隔板

62-气腔

63-混合腔

7-储气罐

8-增压系统

9-液态金属镓储存罐

91-进料泵

92-阀门

93-加热器

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的小型模块化反应堆冷却剂系统，如图1中所示，该系统包括反应堆压力容器1、主泵2和进气箱3。

其中，在所述反应堆压力容器1的壁面上设置有冷却剂入口11和冷却剂出口12；

在所述反应堆压力容器1内部下方设置有堆芯13，在所述反应堆压力容器1内部上方设置有蒸汽发生器14，所述堆芯13用于给冷却剂加热，所述堆芯13能够在短时间内产生大量的热，提供极高的温度，可以用核反应堆燃料棒制作该堆芯，也可以采用常规能源制作堆芯。

所述主泵2的出液口通过冷却剂管道4连通至冷却剂入口11，所述主泵2的进液口通过冷却剂管道4连通至冷却剂出口12；

所述进气箱3通过抽气泵5与所述冷却剂管道4连通。

优选地，在所述反应堆压力容器1内部下方，在堆芯13周围设置有冷却剂下降环段41，所述冷却剂下降环段41一端与至冷却剂入口11连通，所述冷却剂下降环段41另一端连通至反应堆压力容器1底部。

在所述堆芯13中设置有供冷却剂流过的通道，该通道从反应堆压力容器1底部连通至蒸汽发生器14，在所述蒸汽发生器14中设置有换热管42，该换热管一端与堆芯13中的通道连通，另一端与冷却剂出口12连通。

通过上述设置，构成了冷却剂的闭环循环管道，冷却剂在主泵的驱动下，流经堆芯13获取热量，并将该热量携带至蒸汽发生器14，在蒸汽发生器处散热，再回流到主泵处，进行下一轮循环。

优选地，所述反应堆压力容器1可以设置成任意大小，其中的冷却剂管道4的孔径可以为1cm到100cm，其管型可以为圆形管、方形管或者菱形管，优选地，却剂管道的进口温度为200℃到300℃，出口温度为400℃到500℃。

在一个优选的实施方式中，所述换热管42为螺旋换热管，在所述换热管42的外表面设置有传热翅片。通过设置为螺旋换热管来增加换热面积，提高换热效率，在此基础上进一步设置传热翅片能够进一步增强换热能力，确保及时地将反应堆产生的热量传导到给水或蒸汽等二回路冷却剂。

优选地，冷却剂通道与换热管的材质选则为耐腐蚀性优良的材质，从而避免金属镓的腐蚀。

在一个优选的实施方式中，该系统还包括稳压罐6和储气罐7，所述稳压罐6中设置有密封隔板61，该密封隔板61能够在稳压罐6中往复移动，且保持与稳压罐6内壁之间密封接触；

所述密封隔板61将所述稳压罐6分隔为位于下方的气腔62和位于上方的混合腔63；所述气腔62与冷却剂管道4连通；所述混合腔63与储气罐7连通。

通过该稳压罐6的设置，能够方便地控制冷却剂管道中的气体压力，进而获得不同气体压力情况下冷却剂的换热性能及自然循环能力。

气体罐是稳压罐与进气箱的共用气源，简化了反应堆的设备，减小的反应堆的体积，简化了操作过程。

优选地，为了记录所述冷却剂的换热性能及自然循环能力，在所述蒸汽发生器的二回路冷却剂处设置温度传感器和流量计，用以解算传递出来的热量。

在实验过程中，可以在任意时刻突然关闭主泵，从而使得冷却剂失去主动流动的动力，此时冷却剂会执行自然循环流动，在气体的作用下该自然循环流动会加剧，记录此时的冷却剂的流动速度、传热效率等相关参数即可定量分析冷却剂的自然循环能力，通过调整更换气体和液体镓的比例，即可获得各种工况下的最优的性能参数。

在一个优选的实施方式中，所述储气罐7还与进气箱3连通；在连通储气罐7和混合腔63的管道上设置有增压系统8，

在连通储气罐7和进气箱3的管道上也设置有增压系统8；

优选地，所述增压系统8包括增压泵和压缩机。

所述增压系统8用于控制气腔62中的气压值，进而控制混合腔63中的气压值。该增压系统能够控制冷却剂管道中的气压，从而给出不同气压状况下的实验结果，为设计小型模块化反应堆压力提供数据基础。

在一个优选的实施方式中，所述抽气泵5用于将进气箱3中的气体输送至冷却剂管道4中；所述抽气泵5还用于将冷却剂管道4中的气体输送至进气箱3中，即通过该抽气泵能够控制冷却剂管道中气体含量，为多次反复实验提供数据基础；本申请中所述气体为惰性气体，如氦气、氮气和氩气等气体，也可以是氦气、氮气和氩气的混合气体。

在一个优选的实施方式中，该系统还包括液态金属镓储存罐9，所述液态金属镓储存罐9与冷却剂管道4连通，在连通管道上设置有进料泵91和阀门92。

优选地，所述进料泵91用于将液态镓从液态金属镓储存罐9泵入到冷却剂管道4中，

所述进料泵91还用于将液态镓从冷却剂管道4泵入到液态金属镓储存罐9中。通过设置该进料泵91和态金属镓储存罐9能够随时向冷却剂管道中补充冷却剂，或者从冷却剂管道中收回冷却剂，从而方便地调节冷却剂管道中冷却剂的量。

在一个优选的实施方式中，在液态金属镓储存罐9中设置有加热器93，

通过该加热器93持续给液态金属镓储存罐9中存储的金属镓加热，使得金属镓的温度维持在30摄氏度以上，金属镓处于液态，优选地，通过加热器93控制液态金属镓储存罐9中的金属镓温度维持在50摄氏度以上。

本发明还提供一种获知液态镓换热性能的实验方法，该方法是通过上文所述的小型模块化反应堆冷却剂系统实现的；

优选地，该方法包括实验准备过程、实验过程和实验间期处理过程：

实验准备过程：启动进料泵91，将液态金属镓注入到冷却剂管道4内，待注入量满足实验要求时，打开储气罐7与进气箱3之间的增压系统8，将气体泵入进气箱3内，再打开抽气泵5，将适量气体泵入冷却剂管道4中，然后打开稳压罐6与储气罐7之间的增压系统8，控制稳压罐6内密封隔板61上方气腔62的气体压力，从而将冷却剂管道4中的气体压力调整到实验预设气压值。当冷却剂管道4内的压力与气体量满足要求后，关闭输送金属镓的阀门92，同时关闭抽气泵5和冷却剂管道4之间的气阀。

实验过程：启动主泵2，使金属镓冷却剂在冷却剂管道4中循环，当冷却剂循环稳定后，启动反应堆堆芯，使反应堆正常工作。

优选地，在反应堆正常工作时，冷却剂将由主泵推动，流经冷却剂下降环段41，在反应堆压力容器1底部汇集，再转向向上流经堆芯13，吸收堆芯13的热量后继续向上流动，在流经蒸汽发生器14时通过换热管进行热量的交换，降低温度后的冷却剂从蒸汽发生器14流出，再次流入主泵2完成一次循环。

在实验过程中，在反应堆正常工作后，观察记录冷却剂的流动速度、传热效率、冷却剂管道中气压等数据，用以判断反应堆正常工作时冷却剂的工作性能；

停止主泵2，继续记录冷却剂的流动速度、传热效率、冷却剂管道中气压等数据，用以判断发生故障时冷却剂自然循环流动能力。

实验间期处理过程，通过抽气泵5将冷却剂管道4中的气体抽取到进气箱中；

通过进料泵将冷却剂管道4中的液态金属镓抽取到液态金属镓储存罐中，或者启动主泵2促进冷却剂循环，并小幅度开启堆芯，确保冷却剂管道中液态金属镓的温度维持在40度以上。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。