核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置及颗粒物脱除方法

摘要

本发明公开了一种核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置，该核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置包括外筒体、内筒体、设置在外筒体上的流体入口管道和流体出口管道，以及设置在内筒体底部的中心孔；通过流体入口管道使流体的进入速度方向与外筒体壁面的切线方向基本一致，流体在作螺旋运动的同时产生了二次流；在二次流的作用下，流体中的细颗粒物会不断向外筒体中部汇聚，同时在湍流及重力作用下，这些细颗粒物会沉积在内筒体内；在内筒体底部设置排出管道，当细颗粒物沉积到一定体积时，可以打开阀门将沉积的细颗粒物通过该管道清除掉，从而完成本发明；根据本发明提供的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置具有安全、高效、设计及控制简单等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及核电设备领域，尤其涉及一种核反应堆冷却剂 中颗粒物的脱除装置及颗粒物脱除方法。

背景技术

核反应堆中大量使用的冷却剂，一些冷却剂中不可避免的 会存在一些杂质颗粒，此外，在反应堆运行时，会对燃料棒、 堆内构件等部件产生腐蚀冲刷，因此也会产生许多细小颗粒， 这些细颗粒物会随着冷却剂进入作为压水堆核电站“主动脉” 的一回路中，细小颗粒物在管道中会发生沉积，颗粒物沉积在 管道中会引起管道内的换热不均匀，影响换热效率，而且会影 响整个一回路管道的使用寿命，关系到整个核电站的安全运行。

目前，对于核电设备中细颗粒物的脱除主要有通过重力沉 降去除颗粒物的斜板沉淀池、运用重力沉降及湍动碰撞团聚的 翼型沉淀池、以及各种过滤器，但是目前运用二次流、湍流、 重力综合作用脱除颗粒物的方法还未涉及。目前存在的细颗粒 物脱除设备对于直径很小的细颗粒物的脱除效果不是很明显。 这使得在核机械设备管道的流体流动过程中，夹杂着很多的微 细颗粒。目前国内尚无良好的颗粒物脱除措施，而且一回路管 道工作条件特殊，高温高压条件下很多颗粒物脱除措施会受到 限制。

由于上述问题的存在，本发明人对现有的细颗粒物脱除技 术进行研究和改进，以期设计出一种安全、高效、设计及控制 简单的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：该核 反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置包括外筒体、内筒体、设置 在外筒体上的流体入口管道和流体出口管道，以及设置在内筒 体底部的中心孔，通过流体入口管道将流体引入，使流体的进 入速度方向与外筒体壁面的切线方向基本一致，流体将沿外筒 体内表面作螺旋运动，由于流体本身的粘性，这为二次流的产 生提供了条件，在二次流的作用下，流体中的细颗粒物会不断 向外筒体中部汇聚，同时在湍流及重力作用下，这些细颗粒会 沉积在内筒体内，在内筒体底部设置排出管道，当细颗粒物沉 积到一定体积时，可以打开阀门将沉积的细颗粒物通过该管道 清除掉，从而完成本发明。

本发明目的在于提供以下方面：

(1)一种核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置，其特征在 于，该核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置包括外筒体3和内筒 体4，在所述内筒体4底部设置有中心孔5，其中，所述外筒体3 和内筒体4具有预定高度差；

在所述外筒体3的上部和下部分别设置有流体入口管道1和 流体出口管道2。

(2)根据上述(1)所述的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱 除装置，其特征在于，所述外筒体3与内筒体4的高度比例范围 在(5～15)：1之间，所述外筒体3与内筒体4的直径比例范围在 (1.5～4)：1之间；

所述流体入口管道1距离内筒体4顶面的高度与内筒体4的 高度比例范围在(8～20)：1之间。

(3)根据上述(1)所述的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱 除装置，其特征在于，所述内筒体4的形状可以是上方开口的倒 圆锥形或圆柱形。

(4)根据上述(1)所述的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱 除装置，其特征在于，从所述流体入口管道1进入的流体的速度 方向与所述外筒体3壁面的切线方向基本一致。

(5)根据上述(4)所述的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱 除装置，其特征在于，所述沿外筒体3壁面切线方向进入的流体 沿所述外筒体3的内表面作螺旋运动。

(6)根据上述(5)所述的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱 除装置，其特征在于，所述从流体入口管道1进入的流体在作螺 旋运动时，所述流体中的细颗粒物向外筒体3中部汇聚并沉降在 内筒体4内。

(7)根据上述(1)所述的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱 除装置，其特征在于，所述外筒体3的壁面包括外层31、夹层32 和内层33，所述夹层32为防辐射层。

(8)根据上述(7)所述的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱 除装置，其特征在于，所述防辐射层为铅层。

(9)根据上述(1)所述的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱 除装置，其特征在于，在所述中心孔5下方设置有排出管道。

(10)一种脱除核反应堆冷却剂中颗粒物的方法，其特征 在于，该方法是采用上述(1)至(9)中任一项所述的核反应 堆冷却剂中颗粒物的脱除装置实现的。

根据本发明提供的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置， 具有如下有益效果：

(1)内、外筒体的结构简单，操作容易控制，成本低，便 于维护，有利于实现工业化；

(2)本发明提供的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置利 用流体的二次流、湍流及重力作用，对于粒径较小的细颗粒物 脱除效果显著；

(3)外筒体的夹层设计，使得装置在使用过程中安全可靠；

(4)本发明提供的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置可 以用于核电设备领域一回路冷却剂中颗粒物的脱除，还可以应 用于普通的动力工程领域各个回路流体中颗粒物的脱除。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的核反应堆冷却剂 中颗粒物的脱除装置的立体结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的核反应堆冷却剂 中颗粒物的脱除装置的剖视图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的核反应堆冷却剂 中颗粒物的脱除装置的外筒体壁面分层结构示意图。

附图标号说明：

1-流体入口管道

2-流体出口管道

3-外筒体

31-外层

32-夹层

33-内层

4-内筒体

5-中心孔

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将 随着这些说明而变得更为清楚、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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、 “下”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方 位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是 指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的 方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中，图1中的箭头仅指示流体进入和排出的方向，不 具有其它含义。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图2所示，该核反 应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置包括外筒体3和内筒体4，在所 述内筒体4底部设置有中心孔5，其中，所述外筒体3和内筒体4 具有预定高度差；在所述外筒体3的上部和下部分别设置有流体 入口管道1和流体出口管道2，所述外筒体3的高度高于所述内筒 体4的高度，内筒体4由外筒体3封闭在外筒体3内部。

在一个优选的实施方式中，所述外筒体3与内筒体4的高度 比例范围在(5～15)：1之间，优选为(10～15)：1，所述流体 入口管道1距离内筒体4顶面的高度与内筒体4的高度比例范围 在(8～20)：1之间，即外筒体3与内筒体4具有预定高度差，流 体入口管道1与流体出口管道2也具有预定高度差，使所述流体 中的细颗粒物沉降在内筒体4的底部，在本发明中，所述外筒体 3高度为1.5m～4m，优选为2m～3m；所述内筒体4的高度为 0.05m～0.3m，优选为0.1m～0.3m；流体入口管道1距离内筒体4 顶面的高度为1.2m～3.5m，优选为1.5m～2.8m；这样形成的高度 差，使得进入外筒体3中的流体在竖直方向上有较充足的时间作 螺旋运动，产生稳定的二次流现象，在自身重力的作用下，使 流体中的大部分细颗粒物能沉降在所述内筒体4内部。

在另一个优选的实施方式中，所述外筒体3与内筒体4的直 径比例范围在(1.5～4)：1之间，优选为(2～4)：1，使所述内 筒体4能容纳所述流体中的细颗粒物，在本发明中，所述外筒体 3直径为0.5m～2.5m，优选为1m～2m；所述内筒体4直径为 0.2m～1m，优选为0.5m～0.8m；这样的设计，使得所述内筒体4 与所述外筒体3之间有空隙，使得流体能从所述外筒体3上的流 体出口管道2中顺利排出，同时，在一定条件下，内筒体4的直 径可以设置的相对较大，这样可以保证更多的细颗粒物在二次 流作用下都汇聚到内筒体4内部，提高了细颗粒物的脱除量。

所述流体入口管道1可以沿外筒体3外壁上部任意点所在的 切线方向或与切线方向有一定倾角的方向设置，这样的设置使 流体的进入速度方向与所述外筒体3壁面的切线方向基本一致， 同时，流体的切向速度范围在0.5m/s-8m/s内，使得流体做曲线 运动的离心力既要保证二次流场的产生，又不能产生过大的湍 流，即，保证流体在筒体内按照预定轨迹运动且产生稳定的二 次流现象；所述流体入口管道1和流体出口管道2分别设置在外 筒体3的上部和下部，这样便于外界流体输送机械的安装，所述 流体入口管道1与流体出口管道2的高度差相应的造成了压力 差，所述压力差减小了流体输送机械的负荷，同时，也有利于 流体中细颗粒物的沉淀与收集，所述流体出口管道2可以设置在 所述外筒体3外壁下部的任意位置，优选地，流体出口管道2也 沿外筒体3外壁的切线方向设置，更优选地，所述流体入口管道 1与流体出口管道2分别沿外筒体3外壁的两个相对的面的切线 方向设置，所述流体入口管道1的内径优选为0.02m～0.1m，所 述流体出口管道2的内径优选为0.03m～0.15m，这样更加有利于 进入的流体作螺旋运动的流体的进入与排出。

本发明中优选地，在流体力学中，流体沿某一边界的流动 因受到横向压力的作用，产生了平行于边界的偏移，则靠近边 界的流体层由于速度较小，就比离边界较远的流体层偏移得幅 度大，从而产生叠加于主流之上的二次流，这种现象称为二次 流现象。

所述内筒体4由外筒体3封闭在所述外筒体3内部，优选地， 所述外筒体3为密封性良好的结构，使得外筒体内的流体不会扩 散或者外漏，给实际生产带来不安全因素，同时，这样造成的 真空环境也有利于流体从流体入口管道1顺利进入筒体内，并经 流体出口管道2流出；当所述核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装 置正常工作时，若流体出口管道2一直处于打开状态时，外筒体 3中的流体会顺利流出，不会有残余，有利于核反应堆冷却剂中 颗粒物脱除效率的提高；若待外筒体3中流体积累到一定体积时 再打开流体出口管道2，外筒体3中会有流体残留，不利于整个 装置继续对流体中的颗粒物进行脱除。

所述外筒体3的高度高于所述内筒体4的高度，所述内筒体4 的材质优选为不锈钢，不锈钢材质有较好的抗压力、耐腐蚀性； 所述内筒体4的形状可以是上方开口的倒圆锥形或圆柱形，特别 地，优选为圆柱形；所述外筒体3与内筒体4的形状可以相同也 可以不同，优选地，所述外筒体3与内筒体4形状基本一致，便 于设计，减少加工难度。

所述外筒体3的壁面包括外层31、夹层32和内层33，所述夹 层32为防辐射层，所述外筒体3的外层31和内层33的材质选自耐 腐蚀性强的金属，特别地，优选为不锈钢，所述防辐射层为铅 层，即所述外筒体3的壁面为中空结构，在加工时，先焊接好外 层31和内层33，再往两者之间的空隙中灌注液态金属铅，所述 夹层32里面灌注的铅的厚度为2-5mm，密度为10.632g/cm³待铅 冷却后液态铅凝固成铅板，由于铅是防辐射材料，本发明中， 所述核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置可以用于核反应堆中 一回路冷却剂中细颗粒物的脱除，通过外筒体3的铅层的设计可 以较好的阻止放射性元素对外界的危害。

在一个优选的实施方式中，从所述流体入口管道1进入的流 体的速度方向与所述外筒体3壁面的切线方向基本一致，流体本 身的粘性，以及流体沿外筒体3的内表面作螺旋运动，容易为二 次流的产生提供条件，由于流体在预定的速度范围内流动，流 体中的细颗粒物受到二次流的影响产生向外筒体3中部汇聚的 汇聚力大于作螺旋运动的离心力，同时，流体发生一定程度的 湍动，再加上自身重力的作用，使流体中的细颗粒物边向外筒 体3中部汇聚边向内筒体4内沉降，这些物理效应综合作用使得 细颗粒物更有效率地向内筒体4内部汇聚。

在一个优选的实施方式中，所述从流体入口管道1进入的流 体在作螺旋运动时，所述流体中的细颗粒物向外筒体3中部汇聚 并沉降在内筒体4内，如图2所示，所述内筒体4设置在所述外筒 体3内部的中间位置，便于收集流体中的细颗粒物，所述内筒体 4与所述外筒体3可以共底面也可以单独设置底面，优选地，内 筒体4与所述外筒体3共底面，以减少材料的浪费，节约成本。

在一个优选的方式中，在所述中心孔5下方设置有排出管 道，所述中心孔的直径范围为0.01m-0.04m所述排出管道可以连 接本发明中所述核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置或其它流 体处理装置，其中，所述排出管道上设置有阀门，所述阀门上 设置有流量控制装置，正常使用状况下，管道上的阀门关闭， 当细颗粒物沉积到一定体积时，可以打开阀门将沉积的细颗粒 物通过该管道清除掉，清除的方式有多种，例如，通过在所述 排出管道处设置流体处理装置来处理细颗粒物；通过将所述排 出管道连接在本核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置或其它核 反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置的流体入口管道上对流体进 行循环处理。

本发明中，可以将多个所述核反应堆冷却剂中颗粒物的脱 除装置串联在一起实现流体中细颗粒物的高效脱除，即流体出 口管道与下一个核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置的流体入 口管道相连。

本发明还提供一种脱除核反应堆冷却剂中颗粒物的方法， 其特征在于，该方法是采用所述的核反应堆冷却剂中颗粒物的 脱除装置实现的，所述方法为流体的二次流、湍流及重力的综 合效应，在二次流、湍流及重力三种物理效应的综合作用下， 所述核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置对核电设备一回路冷 却剂中颗粒物的脱除方式优于单独利用热泳、重力或者湍流等 物理作用的设备。

实施例

以下通过具体实例进一步描述本发明。

实施例1

(1)将粘度为1095.1μPa·s，颗粒物体积分数为1.8％，流 体流速为2m/s的重水按照一定的流速从内径为0.02m的流体入 口管道输入到本发明所述的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装 置，所述装置外筒体和内筒体的尺寸如下：

外筒体的高度为2m，直径为1m；内筒体的高度为0.1m， 直径为0.5m；

(2)经过5分钟后，从内径为0.025m的流体出口管道中采 样，进行细颗粒物浓度测试，所得结果为：经过所述颗粒物的 脱除装置后，流体中颗粒物体积分数变成0.4％。

实施例2

(1)将粘度为890.08μPa·s，颗粒物体积分数为2.5％，、流 速为5m/s的水，从内径为0.04m的流体入口管道输入到顺次串 联的两个本发明所述的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置， 所述装置外筒体和内筒体的尺寸如下：

外筒体的高度为3m，直径为1.2m；内筒体的高度为0.2m， 直径为0.4m；

(2)经过5分钟后，从内径为0.045m的流体出口管道中采 样，进行细颗粒物浓度测试，所得结果为：经过所述颗粒物的 脱除装置后，流体中颗粒物体积分数变成0.52％。

根据实验结果发现：本发明所公开的核反应堆冷却剂中颗 粒物的脱除装置对颗粒物具有明显的脱除效果。

根据本发明提供的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置， 具有如下有益效果：

(1)内、外筒体的结构简单，操作容易控制，成本低，便 于维护，有利于实现工业化；

(2)本发明提供的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置利 用流体的二次流、湍流及重力作用，对于粒径较小的细颗粒物 脱除效果显著；

(3)外筒体的夹层设计，使得装置在使用过程中安全可靠；

(4)本发明提供的核反应堆冷却剂中颗粒物的脱除装置可 以用于核电设备领域一回路冷却剂中颗粒物的脱除，还可以应 用于普通的动力工程领域各个回路流体中颗粒物的脱除。

说明书中对于装置尺寸具体范围的描述，只是本发明中最 优选实施方式的体现，并不能理解为对本发明的限制，本发明 中提供的装置可以按照预定比例放大或缩小，以适应不同场合 的应用。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细 说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技 术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本 发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进， 这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要 求为准。