一种新型自然循环冷却铅基快堆

摘要

本发明公开了一种新型自然循环冷却铅基快堆，至少包括：堆芯、主容器、堆芯围筒、热池、冷池、主换热器和堆顶盖；其中，所述主容器为圆柱体金属容器，其两端密封；堆芯围筒布置于主容器内，将主容器内部空间分隔为热池和冷池；所述堆芯围筒至少一部分为具有锥形曲面的圆柱体金属板；所述堆芯布置于主容器内热池的底部，其与所述主换热器存在高度差；主换热器分别与所述热池和冷池连通，所述主换热器、冷池、热池形成冷却剂的自然循环通道。实施本发明实施例，可以增强一回路冷却剂的自然循环能力，有效提高自然循环冷却铅基快堆的安全性和经济性。

说明书

技术领域

本发明涉及核反应堆领域，具体涉及液态铅或铅铋冷却的核反应堆。

背景技术

液态铅或铅铋合金具有导热性能好、沸点高、中子慢化能力小等特点，是一种良好的快中子反应堆冷却剂。在俄罗斯小型模块化铅铋冷却反应堆SVBR-100、俄罗斯大型铅冷快堆BREST-300、欧洲大型铅冷快堆ELFR以及欧洲加速器驱动次临界系统（ADS）实验装置MYRRHA中，均采用液态铅或铅铋合金作为冷却剂。得益于液态铅和铅铋合金冷却剂的优良性能，铅基快堆被认为是有望首先实现工业应用的第四代堆型。

在现有的铅基快堆设计方案中，普遍采用机械泵驱动的冷却模式，如俄罗斯小型模块化铅铋冷却反应堆SVBR-100、俄罗斯大型铅冷快堆BREST-300、欧洲大型铅冷快堆ELFR以及欧洲加速器驱动次临界系统（ADS）实验装置MYRRHA等。在采用机械泵驱动的铅基快堆设计方案中，存在液态铅或铅铋合金机械泵制造难度大的问题，同时液态铅或铅铋合金与金属材料长期接触时，金属材料中的Fe、Cr和Ni等元素会溶解于液态重金属中，使得机械泵叶片遭受严重的腐蚀作用。机械泵叶片腐蚀问题增加了液态铅或铅铋合金机械泵的制造难度，极大制约了采用机械泵驱动的铅基快堆的发展。

为了避免液态铅或铅铋合金机械泵的制造难题，同时发挥液态铅或铅铋自然循环能力强的特点，相关研究人员提出了采用全自然循环冷却的铅基快堆设计方案，如欧洲铅冷加速驱动次临界系统EA、美国小型模块化铅冷快堆SSTAR等。

但在现有的自然循环冷却铅基快堆技术方案中，普遍存在自然循环能力弱，功率密度低等缺点；在一些改进方案中，通过在反应堆内增加气泡产生装置，以提高自然循环能力，但是由于增加了气泡产生装置，从而增加了反应堆系统的复杂性，系统可靠性低，工程可行性不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种新型自然循环冷却铅基快堆，可以增强一回路冷却剂的自然循环能力，有效提高自然循环冷却铅基快堆的安全性和经济性。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种新型自然循环冷却铅基快堆，至少包括：堆芯、主容器、堆芯围筒、热池、冷池、主换热器和堆顶盖；其中：

所述主容器为圆柱体金属容器，其两端密封；

堆芯围筒布置于主容器内，将主容器内部空间分隔为热池和冷池；所述堆芯围筒至少一部分为具有锥形曲面的圆柱体金属板；

所述堆芯布置于主容器内热池的底部，其与所述主换热器存在高度差；

主换热器分别与所述热池和冷池连通，所述主换热器、冷池、热池形成冷却剂的自然循环通道。

其中，所述主容器底部由下封头进行密封，上部由堆顶盖进行密封。

其中，所述主换热器设置于所述主容器内部。

其中，所述主换热器设置于所述主容器外侧，其设置于一主换热器容器内部，所述主换热器容器分别通过热连接管与所述主容器的热池相连通，通过冷连接管与所述主容器的冷池相连通。

其中，所述主换热器容器为圆柱体金属容器，底部由下封头进行密封，上部由顶盖进行密封。

其中，所述热连接管与所述冷连接管均为具有一定壁厚的金属管道。

其中，所述堆芯围筒下端设置有冷却剂进口，其上端设置有冷却剂出口，所述冷却剂出口与冷却剂进口的直径比为1：1.05-1.1。

其中，所述锥形曲面的圆柱体中，锥形尖部朝内。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例所提供的新型自然循环冷却铅基快堆，通过采用锥形曲面圆柱体堆芯围筒，相比现有技术中的直筒型结构，增强烟囱效应，从而加强一回路冷却剂的自然循环能力，有效提高了自然循环冷却铅基快堆的安全性和经济性。

同时，本发明的实施例中，只需要更改堆芯围筒结构形状，不需要增加任何新的部件，也不需要在运行过程增加任何操作，有效提高了自然循环冷却铅基快堆的安全性和经济性。

另外，在本发明的实施例中，将堆芯围筒的进口和出口处设计成曲面型，可以降低进口处和出口处的局部阻力，有助于提升自然循环能力，从而可进一步提高自然循环冷却铅基快堆的安全性和经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种新型自然循环冷却铅基快堆的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的一种新型自然循环冷却铅基快堆的另一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，示出了本发明提供的一种新型自然循环冷却铅基快堆的一个实施例的结构示意图，其包括：包括堆芯1、主容器2、堆芯围筒3、热池4、冷池5、主换热器6、主换热器容器7、热连接管8、冷连接管9和堆顶盖10；其中：

所述主容器2为圆柱体金属容器，其两端密封，具体地，所述主容器2底部由下封头进行密封，上部由堆顶盖10进行密封；

堆芯围筒3布置于主容器2内，将主容器2内部空间分隔为热池4和冷池3，为一回路冷却剂提供自然循环流通的通道；具体地，所述堆芯围筒3至少一部分为具有锥形曲面的圆柱体金属板，如图1所示，所述堆芯围筒3的上端为具有锥形曲面的圆柱体金属板，且所述锥形曲面的圆柱体中，锥形尖部朝内；所述堆芯围筒3下端设置有冷却剂进口，其上端设置有冷却剂出口，所述冷却剂出口与冷却剂进口的直径比为1：1.05-1.1，图1中示出的B为冷却剂出口的直径，图1中的A为冷却剂进口的直径。

所述堆芯1由一定数目的燃料组件和其他功能组件组成，通过核裂变反应产生热量，其布置于主容器2内热池4的底部，其与所述主换热器6存在高度差，在使用状态时，所述主容器2中会储存有一定数量的冷却剂，所述堆芯1位于所述冷却剂的液面之下；

主换热器6由一定数目的传热管组成，用于将一回路冷却剂热量传递给二回路冷却剂，其分别与所述热池4和冷池5相连通，所述主换热器6、冷池5、热池4形成冷却剂的自然循环通道。从图1中可以看出，所述主换热器6设置于所述主容器2的外侧，其设置于一主换热器容器7内部，所述主换热器容器7分别通过热连接管8与所述主容器2的热池4相连通，其通过冷连接管9与所述主容器2的冷池5相连通。进一步的，所述主换热器容器7为圆柱体金属容器，底部由下封头进行密封，上部由顶盖进行密封；所述热连接管8与所述冷连接管9均为具有一定壁厚的金属管道，例如是圆管。

可以理解的是，本发明提供的新型自然循环冷却铅冷快堆的基本工作原理如下：冷却剂由堆芯1加热后在自然循环驱动力的作用下向上流动，携带堆芯1热量进入热池4，通过主换热器6将热量传递给二回路冷却剂，并从主换热器2下端的出口流出汇入冷池5，形成一回路自然循环流动。

同时，本发明提供的锥形曲面圆柱体堆芯围筒方案，将堆芯围筒出口直径适当缩小，可提高堆芯围筒出口处的冷却剂流速，增加堆芯围筒内冷却剂的提升力，从而达到提升自然循环能力的效果。根据伯努利方程，堆芯围筒3的进出口区域流动状态可描述为：

（1）

一回路流动所需的自然循环驱动力可表示为：

（2）

由公式（2）可以看出，一回路自然循环驱动力除了和冷池和热池冷却剂密度差（ρ₁，ρ₂）、主换热器与堆芯高度差（z₁，z₂）有关外，还与堆芯围筒的进出口速度（v₁，v₂）有关。另外，其中p₁和p₂分别为堆芯围筒3的进出口区域的压力值，g为一常数；根据质量守恒定律，在同一个通道内，流量截面变小，冷却剂流动速度变大。从而达到增强烟囱效应，相比直筒型堆芯围筒设计，提升自然循环能力的效果。

同时，缩小堆芯围筒出口直径会增加流动阻力，因此堆芯围筒的进出口直径不宜相差太大。根据设计和研究结果，进口直径与出口直径需控制在1.05-1.1：1之间。此外，将堆芯围筒的进口和出口处设计成曲面型，可以降低进口处和出口处的局部阻力，也有助于提升自然循环能力。

如图2所示，示出了本发明提供的一种新型自然循环冷却铅基快堆的另一个实施例的结构示意图，其与图1中示出的结构的区别在于，所述主换热器6设置于所述主容器2内部，故在该结构中，无需设置主换热器容器7、热连接管8和冷连接管9。其冷却的原理与图1中的类似。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例所提供的新型自然循环冷却铅基快堆，通过采用锥形曲面圆柱体堆芯围筒，相比现有技术中的直筒型结构，可以增强烟囱效应，从而加强一回路冷却剂的自然循环能力，有效提高了自然循环冷却铅基快堆的安全性和经济性。

同时，本发明的实施例中，只需要更改堆芯围筒结构形状，不需要增加任何新的部件，也不需要在运行过程增加任何操作，有效提高了自然循环冷却铅基快堆的安全性和经济性。

另外，在本发明的实施例中，将堆芯围筒的进口和出口处设计成曲面型，可以降低进口处和出口处的局部阻力，有助于提升自然循环能力，从而可进一步提高自然循环冷却铅基快堆的安全性和经济性。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。