一种用于燃料辐照试验的嵌入式铅铋合金回路

摘要

本发明公开了一种用于燃料辐照试验的嵌入式铅铋合金回路，包括堆内装置、LBE回路和水回路，所述堆内装置由外到内依次包括绝热管、水回路压力管、水分流管、LBE回路压力管、LBE分流管和试验段，所述LBE回路包括LBE出口和LBE入口，所述LBE出口和LBE入口与堆内装置形成LBE循环回路，所述LBE回路压力管、LBE分流管之间依次设置有LBE回路冷却器、电磁循环泵、流量计、主加热器、膨胀箱；所述水回路包括冷却水出口和冷却水入口，所述冷却水出口和冷却水入口与堆内装置形成冷却循环回路，所述冷却水出口和冷却水入口之间依次设置有水回路冷却器、循环泵和加热器。通过本发明所述嵌入式铅铋合金回路能够进行LBE堆燃料元件性能验证试验。

说明书

技术领域

本发明涉及核反应堆燃料辐照技术领域，具体涉及一种用于燃料辐照试验的嵌入式铅铋合金回路。

背景技术

铅铋合金/铅冷却快堆是第4代核能论坛选定的6种第4代先进核能系统之一。铅铋合金/铅冷却快堆不仅满足第4代核能系统的要求，而且具备一定的运行使用经验，是当前先进核能系统研究的热点之一。国内外的研究机构，广泛开展了以液态铅铋合金(Lead-bismuth Eutectic，LBE)为冷却剂的反应堆和加速器驱动次临界系统的研究和设计。

液态铅铋合金(LBE)作为反应堆冷却剂具有很多优越的特性：1)与水和空气的化学惰性；2)运行温度范围内低的蒸汽压力；3)高熔点；4)大的原子序数；5)优越的中子学性能——低中子吸收。然而，使用LBE作为冷却剂，仍然存在一些未完全解决的难题。例如，高温下LBE对材料的腐蚀问题，LBE中的溶氧的控制问题，腐蚀产物的局部沉积等。另外，LBE中的铋-209核素吸收中子后生成钋-210(半衰期约138天)，钋-210具有α放射性且挥发性强，存在较大的放射性危害。

目前，对于辐照条件下的燃料、材料与LBE的相容性研究开展很少，辐照和LBE腐蚀联合效应的影响是高度优先的研发需求。对于具体堆型的研发，高度还原实际热工水力环境的燃料元件性能验证试验是关键步骤。目前国内并未有可运行的LBE冷却反应堆，因此，采用LBE作为冷却剂的燃料辐照试验回路(简称LBE燃料辐照试验回路)是进行LBE堆燃料元件性能验证试验的必不可少的设施，也是LBE冷却反应堆燃料研发的基础科研设施。在LBE燃料辐照试验回路上进行燃料元件辐照试验研究，可为LBE冷却反应堆的基础科研工作提供试验平台与经验技术反馈，从而有效地推进新能核能系统的研发进程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于燃料辐照试验的嵌入式铅铋合金回路，通过本发明所述嵌入式铅铋合金回路能够进行LBE堆燃料元件性能验证试验。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于燃料辐照试验的嵌入式铅铋合金回路，包括堆内装置、LBE回路和水回路，所述堆内装置由外到内依次包括绝热管、水回路压力管、水分流管、LBE回路压力管、LBE分流管和试验段，所述LBE回路包括LBE出口和LBE入口，所述LBE出口、LBE入口和堆内装置形成LBE循环回路，LBE回路中的LBE由LBE入口进入LBE回路压力管和LBE分流管的环形间隙向下流动，在LBE分流管底部折返向上，流经试验段与LBE分流管间的通道，最后经LBE出口流出堆内装置，所述LBE出口和LBE入口之间依次设置有LBE回路冷却器、电磁循环泵、流量计、主加热器、膨胀箱，所述膨胀箱上设置有控氧系统；所述水回路包括冷却水出口和冷却水入口，所述冷却水出口和冷却水入口与堆内装置形成冷却循环回路，水回路中的冷却水由冷却水入口进入水回路压力管和水分流管之间的环形间隙向下流动，在水分流管底部折返向上，流经LBE回路压力管与水分流管之间的环形间隙，最后经冷却水出口流出堆内装置，所述冷却水出口和冷却水入口之间依次设置有水回路冷却器、循环泵和加热器。

本发明所述电磁循环泵用于提供LBE回路内循环的驱动力；主加热器用于将LBE加热至试验段所须的温度水平；LBE回路冷却器用于冷却LBE并保证其温度在电磁循环泵工作范围以内；膨胀箱用于吸收LBE回路了的体积波动，并且用于控氧系统的主要操作容器。

LBE回路的基本流程如下：LBE经电磁循环泵驱动，经流量计进入主加热器升温，之后进入包含控氧系统的膨胀箱，进行LBE溶氧量调节与控制，沿回路主管道流入LBE回路堆内辐照装置；沿LBE压力管与LBE分流管之间的环形间隙向下流动，LBE在堆芯活性区经核释热加热升温，在LBE压力管底部流向折返向上流动，冷却燃料元件而进一步升温；LBE继续向上流动，并与下降流程的LBE换热而得到初步冷却，最后经堆内装置上部流出；经LBE回路冷却器进一步降温后被吸入电磁泵，完成整个循环。

LBE回路设置多项辅助系统，如LBE净化系统、燃料元件破损探测系统、LBE泄露监测系统、辐射探测系统等、管道辅助加热系统和仪控系统。燃料元件破损探测系统通过监测回路与膨胀箱中的气体成分，判断试验燃料元件是否破损。LBE泄露监测与辐射探测系统，监测LBE回路管道是否泄露以及LBE是否泄露至空气中。管道辅助加热系统用于回路启动时加热管道和管内残留的LBE。仪控系统用于试验时各项参数的测量与控制，为回路运行提供数据与安全信号。

本发明所述循环泵用于提供回路水循环的驱动力；所述加热器用于将水加热至所须的堆内装置入口温度水平；所述水回路冷却器与二次冷却水系统连接，用于将回路循环水冷却至指定温度水平。

高温高压水回路的基本流程如下：冷却水经循环泵驱动，经加热器进行升温，之后进入堆内装置；沿水回路压力管与水分流管之间的环形间隙向下流动，在堆芯活性区经内热源加热升温，在水回路压力管底部附近流向折返向上，冲刷冷却LBE回路压力管，并带走整个嵌入式回路堆内装置产生的热量；冷却水经堆内装置上部流出后，经水回路冷却器冷却降温，后被吸入循环泵，完成整个循环。

本发明的主要特点在于：将LBE回路中包含试验燃料元件的堆内辐照装置，整体置于高温高压水回路的堆内装置中；利用水回路提供的温度和冷却条件，建立LBE回路堆内辐照装置的温度场，并提供LBE回路正常运行与事故工况下的冷却，实现通过本发明所述嵌入式铅铋合金回路能够进行LBE堆燃料元件性能验证试验。

进一步地，回路冷却器和电磁循环泵之间并联设置有过滤器和LBE净化系统。

本发明所述过滤器置于电磁循环泵吸入口前，用于过滤LBE中的固态杂质，捕捉清除固态腐蚀物；LBE净化系统主要用于去除LBE中的固态物质，与控氧系统一起保证回路长期运行时的LBE品质。

LBE在堆芯活性区经核释热加热升温，在LBE压力管底部流向折返向上流动，冷却燃料元件而进一步升温；LBE继续向上流动，并与下降流程的LBE换热而得到初步冷却，最后经堆内装置上部流出；经LBE回路冷却器进一步降温后，经过滤器和净化系统后被吸入电磁循环泵，完成整个循环。

进一步地，LBE回路还包括集液箱，所述集液箱与循环泵形成回路，所述集液箱与熔融罐连通设置。

集液箱位于回路的最低位置，用于在回路停用时收集回路中大部分的LBE，且在辅助加热系统作用下，存有一定量的低温LBE；所述熔融罐用于回路启用时，加热熔化铅铋合金。

进一步地，水回路冷却器和循环泵之间设置有稳压器。

所述稳压器用于稳定水回路的压力水平，吸收水回路的体积波动。

冷却水经堆内装置上部流出后，经水回路冷却器冷却降温，进入稳压器，后被吸入循环泵，完成整个循环。

高温高压水回路还设置多项辅助系统，如补水系统、二次冷却水系统、泄露监测系统和仪控系统。补水系统负责向水回路中的用水容器充水，并在回路启动前向系统注水；系统正常运行工况下，因正常泄漏造成冷却剂减少到定值时，由稳压器水位低信号向系统补水。二次冷却水系统为水回路提供最终热阱，满足水回路冷却器、净化系统辅助热交换器、循环泵冷却水等的供水需求。泄露监测系统用于监测水回路堆内装置以及水回路管道是否泄露。仪控系统用于试验时各项参数的测量与控制，为回路运行提供数据与安全信号。

进一步地，水回路还包括净化系统，所述净化系统与循环泵之间形成回路。

所述化系统用于滤除水中的腐蚀产物，净化水质。

一部分冷却水经循环泵出口流入净化系统旁路，经水质净化操作后返回循环泵入口。

进一步地，水回路还包括蓄压安注箱，所述蓄压安注箱通过第一安注阀与冷却水入口连通，所述蓄压安注箱通过第二安注阀与冷却水出口连通。

在水回路发生破口事故时，先由蓄压安注箱向水回路主管道的冷却水出口和冷却水入口同时注水，以提供应急冷却流量，经由仪控系统提供的信号自动判断管道破口方向，调节安注阀开启位置，以确保应急冷却水以大流量流经堆内装置，确保燃料元件和堆内装置的安全。

进一步地，蓄压安注箱与应急水箱连通，所述蓄压安注箱和应急水箱之间设置有应急冷却泵。

蓄压安注箱排空后，应急冷却泵从应急水箱汲水注入水回路主管道，保证长期的冷却水流量。

进一步地，电磁循环泵包括两个并联设置的第一电磁循环泵和第二电磁循环泵，所述主加热器包括两个并联设置的第一主加热器和第二主加热器，所述水回路冷却器包括两个并联设置的第一水回路冷却器和第二水回路冷却器，所述循环泵包括两个并联设置的第一循环泵和第二循环泵，所述加热器包括两个并联设置的第一加热器和第二加热器。

所述电磁循环泵、主加热器、水回路冷却器、循环泵和加热器均采用双重配置，增加了整个嵌入式铅铋合金回路的可靠性。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明将LBE回路中包含试验燃料元件的堆内辐照装置，整体置于高温高压水回路的堆内装置中；利用水回路提供的温度和冷却条件，建立LBE回路堆内辐照装置的温度场，并提供LBE回路正常运行与事故工况下的冷却，实现通过本发明所述嵌入式铅铋合金回路能够进行LBE堆燃料元件性能验证试验。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是嵌入式铅铋合金回路的示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-绝热管，2-水回路压力管，3-水分流管，4-LBE回路压力管，5-LBE分流管，6-试验段，101-LBE出口，102-LBE回路冷却器，103-过滤器，104-LBE净化系统，105-第一电磁循环泵，106-第二电磁循环泵，107-流量计，108-熔融罐，109-集液箱，110-第一主加热器，111-第二主加热器，112-控氧系统，113-膨胀箱，114-LBE入口，201-冷却水出口，202-第一水回路冷却器，203-第二水回路冷却器，204-稳压器，205-净化系统，206-第一循环泵，207-第二循环泵，208-第一加热器，209-第二加热器，210-冷却水入口，301-应急水箱，302-应急冷却泵，303-蓄压安注箱，304-第一安注阀，305-第二安注阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，本发明一种用于燃料辐照试验的嵌入式铅铋合金回路，包括堆内装置、LBE回路和水回路，

所述堆内装置有外到内依次包括绝热管1、水回路压力管2、水分流管3、LBE回路压力管4、LBE分流管5和试验段6，所述LBE回路包括LBE出口101和LBE入口114，所述LBE出口101和LBE入口114与堆内装置形成LBE循环回路，LBE回路中的LBE由LBE入口114进入LBE回路压力管4和LBE分流管5的环形间隙向下流动，在LBE分流管5底部折返向上，流经试验段6与LBE分流管5间的通道，最后经LBE出口101流出堆内装置，所述LBE出口101和LBE入口114之间依次设置有LBE回路冷却器102、电磁循环泵、流量计107、主加热器、膨胀箱113，所述膨胀箱113上设置有控氧系统112；所述水回路包括冷却水出口201和冷却水入口210，所述冷却水出口201和冷却水入口210与堆内装置形成冷却循环回路，水回路中的冷却水由冷却水入口210进入水回路压力管2和水分流管3之间的环形间隙向下流动，在水分流管3底部折返向上，流经LBE回路压力管4与水分流管3之间的环形间隙，最后经冷却水出口201流出堆内装置，所述冷却水出口(201)和冷却水入口(210)之间依次设置有水回路冷却器、循环泵和加热器；所述回路冷却器102和电磁循环泵之间并联设置有过滤器103和LBE净化系统104；所述LBE回路还包括集液箱109，所述集液箱109与循环泵形成回路，所述集液箱109与熔融罐108连通设置；回路冷却器和循环泵之间设置有稳压器204；所述水回路还包括净化系统205，所述净化系统205与循环泵之间形成回路；所述水回路还包括蓄压安注箱303，所述蓄压安注箱303通过第一安注阀304与冷却水入口210连通，所述蓄压安注箱303通过第二安注阀305与冷却水出口201连通；所述蓄压安注箱303与应急水箱301连通，所述蓄压安注箱303和应急水箱301之间设置有应急冷却泵302。

优选地，所述电磁循环泵包括两个并联设置的第一电磁循环泵105和第二电磁循环泵106，所述主加热器包括两个并联设置的第一主加热器110和第二主加热器111，所述水回路冷却器包括两个并联设置的第一水回路冷却器202和第二水回路冷却器203，所述循环泵包括两个并联设置的第一循环泵206和第二循环泵207，所述加热器包括两个并联设置的第一加热器208和第二加热器209。

所述嵌入式铅铋合金回路的主要功能与运行方式如下：

(1)模拟LBE反应堆热工水力学条件，导出试验燃料元件的释热

高温高压水回路堆内装置内水温为270～280℃，通过径向导热温差，可实现试验燃料元件外的LBE温度为350～450℃；LBE回路内LBE流速小于2m/s且可大范围调节，以模拟LBE堆的实际流速。在正常运行工况下，试验燃料元件产生的热量经对流换热传递给LBE；主要经径向换热的方式，最终传递给水回路冷却水，并经由水循环而带出堆内装置。一部分释热由LBE升温带走；流出试验段的高温LBE在上升流动过程中，与LBE分流管5外侧的LBE换热而得到冷却，流出堆内装置后，由LBE回路冷却器102进一步冷却至电磁循环泵运行温度限值以下。

(2)控制LBE中的溶氧量和杂质，建立满足试验要求的LBE化学环境

电磁循环泵入口上游设计滤网式和磁阱式过滤器，滤除回路的固态杂质和部分腐蚀产物。LBE净化系统104能够对回路内的LBE进行取样分析、杂质净化和化学物添加，使LBE的各项指标满足试验要求。膨胀箱113设置的控氧系统112用于整个LBE内的溶氧量控制，有效控制LBE与结构材料的腐蚀，符合LBE原型堆的LBE化学性质要求。

(3)余热排出与装置长期冷却能力

LBE回路燃料辐照试验结束后，利用辐照考验装置的径向导热，将燃料元件和材料的衰变释热传递至水回路冷却水中。利用水回路作为燃料元件余热的最终热阱。反应堆停堆后，水回路的冷却水流量与温度逐步降低，最终过渡至间段运行冷却阶段。

(4)LBE回路事故工况下防止燃料元件过热烧毁

LBE回路的系统压力接近常压，LBE的破口释放流量很小，微小破口甚至可以因为LBE的凝固而得到封堵。因此，LBE回路破口事故对嵌入式回路的燃料元件热工安全影响很小。

LBE回路因电磁循环泵故障而导致LBE流量大幅度降低时，将导致试验燃料元件外LBE的温度大幅度升高；同时，因径向温差增大，水回路的冷却能力同样上升。计算结果表明，当LBE回路的流速由1.5m/s大幅度下降90％时，在无任何操作的情况下，燃料元件表面温度小于750℃的安全限值，LBE压力管的径向温差小于150℃且最高温度小于430℃，可以保证堆内试验装置的热量导出，防止试验燃料元件过热烧毁。

(5)水回路破口事故工况下防止燃料元件过热烧毁

水回路破口事故工况下，冷却水回路的蓄压安注箱303自动向冷热管段同时注水，以提供水回路的应急冷却能力，经由仪控系统提供的信号自动判断管道破口方向，调节第一安注阀304、第二安全阀305开启位置，以确保应急冷却水以大流量流经堆内装置，确保燃料元件和堆内装置的安全。蓄压安注箱303排空后，由应急冷却泵302抽取应急水箱301纯水注入水回路堆内装置，提供整个嵌入式回路的长期冷却能力，保证燃料元件安全。

(6)实时监测多种试验参数，并提供多种安全停堆信号

试验参数监测系统在LBE回路、堆内装置的不同位置，设置了温度、流量、压力、氧含量等参数探测器，提供全面的参数监测信息，为回路的运行与安全提供保障。LBE回路堆内装置出口温度高、入口流量低信号触发研究堆保护停堆。水回路的检漏系统对水回路压力管进行破损监测，从而保证水回路考验装置与反应堆完全隔绝。水回路设置有考验装置出口温度高、入口流量低、出口压力过高和过低四个停堆保护信号，一旦回路运行出现异常即触发反应堆停堆。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。