一种用于熔盐堆的余热导出装置及其导出方法
阅读说明：本技术 一种用于熔盐堆的余热导出装置及其导出方法 (Waste heat exporting device and method for molten salt reactor ) 是由 吴祥成 卢金 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于熔盐堆的余热导出装置及其导出方法,该装置包括放置在排盐罐内的传热管,排盐罐与熔盐下泄管线连接,传热管的进入端通过下泄管线与蒸汽冷凝器的出口连接,传热管的排出端通过上升管线与蒸汽冷凝器的入口连接,蒸汽冷凝器设置在冷却池中,下泄管线与充液管连接,充液管上设有充液阀。该装置和方法利用膜态沸腾传热技术代替核态沸腾传热,实现熔盐堆非能动余热排出系统的优化,提供一套安全稳定的余热排出系统。(The invention provides a waste heat deriving device for a molten salt reactor and a deriving method thereof. The device and the method utilize a film state boiling heat transfer technology to replace a nuclear state boiling heat transfer technology, realize the optimization of the molten salt reactor passive residual heat removal system, and provide a set of safe and stable residual heat removal system.)
技术领域
本发明涉及反应堆热工水力领域，特别涉及一种用于熔盐堆的余热导出装置及其导出方法。
背景技术
作为未来第四代反应堆的重点发展堆型，熔盐堆是唯一的液态燃料堆。其熔盐是易裂变和可增殖材料铀、钍或钚的某种氟化物与载体盐结合构成的低熔点共熔体，常压下在500℃以上呈非常稳定的液相。正常运行工况下堆芯的进出口温度在550~800℃之间。相对于其他堆型，熔盐堆具有负反应性温度系数和空泡系数大、能量密度高、常压工作及高温输出的优点，因此受到各国反应堆研究者的关注。
美国橡树岭实验室（ORNL）在上世纪60年代完成了10MW熔盐堆的实验堆设计、建造。实验堆运行了10000小时以上，成功验证了熔盐堆的可行性。
熔盐堆停堆后，冷冻阀打开，液态熔盐受重力作用泄放到排盐罐中，因此熔盐堆的余热排出过程通常围绕着排盐罐开展。在ORNL实验堆余热排出系统中，ORNL采用一台冷却水泵驱动冷却水流经余热换热器，将衰变热量带出到冷却塔冷却，该系统虽然有一台备份冷却水泵，但仍不能消除泵体失效的可能性。
CN103400608B公开一种基于嵌套管结构的熔盐余热排出装置，该装置所采用的换热元件包含两层套管，外套管和内套管间为气隙层。气隙层的存在使套管内的流动换热落在了核态沸腾区。该系统的冷端采用了风筒装置，冷凝器将热量直接传递给外部空气。相较于ORNL所采用的主动冷却装置，该专利去除了系统泵，完全由非能动自然循环驱动整个流动传热过程，可靠性进一步提升。但该装置存在一些弊端。第一，套管装置结构复杂，为了弱化核态沸腾传热，添加了气隙层；第二，空冷装置受气候条件、天气条件的影响明显，不利于整个系统的稳定运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于熔盐堆的余热导出装置及其导出方法，利用膜态沸腾传热技术代替核态沸腾传热，实现熔盐堆非能动余热排出系统的优化，提供一套安全稳定的余热排出系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是: 一种用于熔盐堆的余热导出装置，包括放置在排盐罐内的传热管，排盐罐与熔盐下泄管线连接，传热管的进入端通过下泄管线与蒸汽冷凝器的出口连接，传热管的排出端通过上升管线与蒸汽冷凝器的入口连接，蒸汽冷凝器设置在冷却池中，下泄管线与充液管连接，充液管上设有充液阀。
优选的方案中，所述充液管与稳压器连接，稳压器上部设有安全阀，充液管连接支管，支管上设有补水阀。
优选的方案中，所述上升管线上设有真空系统接口，真空系统接口上设有抽气阀门。
优选的方案中，所述传热管为“U”形管。
优选的方案中，所述传热管数量为多个，传热管的进入端通过下泄流分配器与下泄管线连接，下泄流分配器包括液体储罐，液体储罐顶部与下泄管线连接，液体储罐与通过连接接头与传热管连接，连接接头上设有控制阀，传热管的排出端与上升蒸汽汇集器连接，上升蒸汽汇集器包括汇集罐，汇集罐顶部与上升管线连接，下侧设有若干与传热管连接的汇集接头。
优选的方案中，所述连接接头设置在液体储罐的顶部，液体储罐底部设有排液管，排液管上设有排液阀门。
优选的方案中，所述排盐罐内设有分隔板。
优选的方案中，所述传热管与排盐罐的连接端设有若干膨胀节。
优选的方案中，所述上升管线上设有第二安全阀门。
本发明还提供一种用于熔盐堆的余热导出方法，包括如下步骤：
步骤一、打开真空系统接口上的抽气阀门，排出管道中的杂质气体后关闭抽气阀门；
步骤二、高温熔盐通过熔盐下泄管线排入排盐罐内，打开充液阀，冷却水进入传热管中；
步骤三、冷却水进入传热管中，发生膜态沸腾传热，冷却水由液相变为蒸汽，通过上升管线进入蒸汽冷凝器冷凝，冷凝液回流至下泄管线中，完成循环建立；
步骤四、熔盐下泄完成后，逐渐关闭连接接头上的控制阀，减小传热管的投入使用数量，直至全部关闭；
步骤五、打开排液阀门将液体储罐排空，打开抽气阀门，使系统进入冷备用状态。
本发明提供的一种用于熔盐堆的余热导出装置及其导出方法，具有以下有益效果：
1、传热管为单层壁面，传热方式不再为核态沸腾，变成了膜态沸腾。传热管结构实现了大幅简化，提高了传热元件的可靠性。
2、稳压器和冷却池中液面高度相互配合调节，可以有效实现系统的可靠稳定运行。
3、该系统为非能动自然循环系统，无泵运行，消除了泵体失效所造成的安全隐患。
4、冷却池提供最终热阱方法相较于空冷方案既能大幅减小冷源部分的体积，又具有良好的传热稳定性。
5、传热可控性和热应力可控性高。任何一根传热管退出使用与否均可通过下泄管线流量分配器上的阀门进行控制。
6、传热管的膨胀节设计能有效缓解局部热应力；熔盐下泄管线环绕式下降也同时降低了熔盐流入做造成的管线应力。
7、位于稳压器顶部的安全阀和蒸汽上升管线顶部的安全阀均可完成应急泄压目的，进一步提高了系统的安全性。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1中A处的放大图；
图3为下泄流分配器的结构示意图；
图4为上升蒸汽汇集器的结构示意图；
图5为系统投入运行后的压力变化图；
图中：排盐罐1，传热管2，熔盐下泄管线3，下泄管线4，蒸汽冷凝器5，上升管线6，冷却池7，充液管8，充液阀9，稳压器10，安全阀11，支管12，补水阀13，真空系统接口14，抽气阀门15，液体储罐16，连接接头17，控制阀18，汇集罐19，汇集接头20，排液管21，排液阀门22，分隔板23，膨胀节24，第二安全阀门25。
具体实施方式
如图1所示，一种用于熔盐堆的余热导出装置，包括放置在排盐罐1内的传热管2，在本实施例中，所述传热管2为“U”形管，排盐罐1与熔盐下泄管线3连接，熔盐下泄管线3，反应堆容器下部的膨胀阀连接，熔盐下泄管线3采用环绕式布置，可以有效避免熔盐下泄管线3中高温熔盐造成的膨胀应力。传热管2的进入端通过下泄管线4与蒸汽冷凝器5的出口连接，传热管2的排出端通过上升管线6与蒸汽冷凝器5的入口连接，蒸汽冷凝器5设置在冷却池7中，下泄管线4与充液管8连接，充液管8上设有充液阀9。
优选的，如图3和图4所示，所述传热管2数量为多个，采用并列管束，传热管2的进入端通过下泄流分配器与下泄管线4连接，下泄流分配器包括液体储罐16，液体储罐16顶部与下泄管线4连接，液体储罐16与通过连接接头17与传热管2连接，具体的，连接接头17与传热管2通过法兰连接，连接接头17上设有控制阀18，传热管2的排出端与上升蒸汽汇集器连接，上升蒸汽汇集器包括汇集罐19，汇集罐19顶部与上升管线6连接，下侧设有若干与传热管2连接的汇集接头20。
通过设置并列的多个传热管2，一方面提高对排盐罐的冷却效率，另一方面传热可控性和热应力可控性高。任何一根传热管2退出使用与否均可通过控制阀18进行控制。
优选的，所述连接接头17设置在液体储罐16的顶部，液体储罐16底部设有排液管21，排液管21上设有排液阀门22。
将连接接头17设置在液体储罐16的顶部，能够使液体储罐16中装满后从连接接头17处溢出至传热管2，冷却完成后，液体储罐16中的积液可以通过排液管21排出，能够减少传热管2中产生积液量。
优选的，所述排盐罐1内设有分隔板23。具体的，排盐罐1内壁可以设置与分隔板23配合的安装槽。分隔板23将排盐罐1隔离为两侧，传热管2穿过分隔板23使下泄管线4和上升管线6分别设置在隔离板23的两侧。熔盐下泄管线3与排盐罐1的连接位置设置在连接上升管线6的一侧，熔盐下泄管线3与排盐罐1的连接位置低于分隔板23的高度。
通过设置分隔板23将排盐罐1分隔为两部分，使熔盐在一侧的液面高度高于分隔板23的高度后才会溢出至另一侧，剧烈产生的蒸汽沿传热管2上升蒸汽汇集器，再流入上升管线6中，由于上升管线6内的蒸汽与下泄管线4中的冷却水存在密度差，自然循环过程建立。
优选的，如图2所示，所述传热管2与排盐罐1的连接端设有若干膨胀节24。
设置的膨胀节24能有效缓解局部热应力。
优选的，所述充液管8与稳压器10连接，稳压器10上部设有安全阀11，充液管8连接支管12，支管12上设有补水阀13。
通过设置稳压器10，可以与冷却池7中液面高度相互配合调节，可以有效实现系统的可靠稳定运行。
所述上升管线6上设有真空系统接口14，真空系统接口14上设有抽气阀门15。
使用时，真空系统接口14通过管路与抽真空装置连接，通过抽气阀门15的开闭，实现对整个系统的管线进行抽真空，能够排出管道中的杂质气体。
优选的方案中，所述上升管线6上设有第二安全阀门25。
通过设置第二安全阀门25可实现紧急泄压的目的，提高系统的操作安全性。
一种用于熔盐堆的余热导出方法如下：
步骤一、打开真空系统接口14上的抽气阀门15，排出管道中的杂质气体后关闭抽气阀门15。
步骤二、当熔盐堆停堆后，600℃的高温熔盐通过熔盐下泄管线3排入排盐罐1内，排盐罐内熔盐淹没部分换热管后，打开充液阀9，冷却水进入传热管2中，熔盐首先流入的是分隔板23右侧空间，待到排盐罐1内右侧空间的熔盐液面高于分隔板23后，熔盐再流入到排盐罐1的左侧空间。
步骤三、冷却水进入传热管2中，由于此时熔盐刚刚进入排盐罐1右侧空间不久，传热管2右侧壁面温度接近熔盐温度，但左侧壁面温度还未及升高，冷却水流到传热管2右侧后会发生膜态沸腾传热。冷却水由液相变为蒸汽，剧烈产生的蒸汽沿传热管2上升到汇集罐19，再进入到上升管线6。由于上升管线6内的蒸汽与下泄管线4中的冷却水存在密度差，自然循环过程建立。
冷却水由液相变为蒸汽，通过上升管线6进入蒸汽冷凝器5冷凝，冷凝液回流至下泄管线4中，完成冷却液-蒸汽-冷却液的封闭循环。在蒸汽冷凝器5中的汽化潜热通过冷凝器管壁导热、冷凝器外部的核态沸腾传热导出到冷却池7中。
步骤四、熔盐下泄完成后，排盐罐1内的熔盐液面将高于分隔板23，由于冷却水流动惯性，已建立的自然循环过程将继续维持下去，稳定传热。系统内压力达到预设值后，关闭充液阀9。
随着熔盐衰变热逐渐下降，系统向外的输出热量也会逐渐降低，熔盐温度、传热管壁温也会同步下降。此时膜态沸腾发挥一定的自我调节特性。膜态沸腾传热量的大小与气膜内对流换热强度、气膜内的辐射换热强度具有很大关联，总体趋势是随着传热管壁温下降，膜态沸腾传热的热流密度降低，这与熔盐衰变热降低相适应。因此，由于膜态沸腾的传热特性，系统增强了自身的功率调节能力。
当系统自我调节能力无法与衰变热相适应时，关闭部分连接接头17上的控制阀18来降低传热管数量进行阶梯调节，减小传热管2的投入使用数量，直至全部关闭。
也可以主动降低冷却池7的液面高度实现连续调节，使一部分蒸汽冷凝器5的冷凝管暴露于空气中，这样可以微调冷凝面积实现衰变热和系统输出热量的精确匹配。在调节冷却池7液面的同时，相对应的调节稳压器下部的补水阀13，可以实现系统内部压力恒定。
步骤五、打开排液阀门22将液体储罐16排空，打开抽气阀门15，使系统进入冷备用状态。
数十个小时的计算模拟显示如图5所示，膜态沸腾下系统运行压力不会超过2Mpa。后期衰变功率逐渐降低，系统压力也将同步下降。
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