一种液态金属冷却反应堆失流后非能动自然循环强化系统及方法

1.一种液态金属冷却反应堆失流后非能动自然循环强化系统，其特征在于：所述系统能在液态金属冷却反应堆强迫循环冷却失去驱动力时自动触发并强化主回路自然循环，包括：高压储气罐(1)、节流阀(9)、垂直管道(2)、倒U型管道(3)、第一气阀(11)、第二气阀(13)、第三气阀(14)和压力控制系统(12)；其中高压储气罐(1)通过第三气阀(14)和节流阀(9)连接至垂直管道(2)，垂直管道下端连接堆芯(5)入口的分配联箱(8)中，倒U型管道(3)一端连接至垂直管道(2)，另一端至于堆芯(5)出口处，压力控制系统(12)通过第一气阀(11)和第二气阀(13)分别连接至倒U型管道(3)最上端和垂直管道(2)的下部位置。
2.根据权利要求1所述的液态金属冷却反应堆失流后非能动自然循环强化系统，其特征在于：反应堆正常运行时，倒U型管道(3)上部充满气体，两侧均有液位且不连通，连接垂直管道(2)的一侧液位较高；反应堆发生失流事故后，倒U型管道(3)和垂直管道(2)连接处的气路自动开启，气体由垂直管道(2)持续流过倒U型管道(3)，并从倒U型管道(3)左侧出口流出。
3.一种使用如权利要求1所述的液态金属冷却反应堆失流后非能动自然循环强化系统的方法，其特征在于实现步骤如下：
(1)反应堆正常运行开始时，通过第一气阀(11)和第二气阀(13)和压力控制系统(12)维持倒U型管(3)和垂直管道(2)内合适的液位；
(2)当反应堆强迫循环冷却失去驱动力时，反应堆主泵(6)两侧压差降低；
(3)垂直管道(2)内的液体压力降低，液位下降；
(4)液位下降至垂直管道(2)与倒U型管道(3)的连接点时，气体进入倒U型管道(3)；
(5)液体将倒U型管道(3)另一侧的液体向下压，并排出；
(6)倒U型管道(3)在堆芯上方排出气泡，提供堆芯出口冷却剂向上的驱动力，起到自然循环强化的功能；
(7)高压储气罐(1)提供持续的气体来源，通过节流阀(9)控制流速。

一种液态金属冷却反应堆失流后非能动自然循环强化系统及\n方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及核反应堆的安全保护系统，特别涉及到金属冷却反应堆的余热排出系统及方法。\n背景技术\n[0002] 反应堆发生失去一回路驱动力即失流事故时，一回路的主泵停止运转，流量急速降低，堆芯的冷却剂流动仅依靠回路冷、热池之间的密度差引起的重位压位所驱动。要保证所形成的自然循环流动有足够的流量和能力带走堆芯的余热，确保主回路具备一定的流速是最关键的因素，只有提高自然循环能力，才能增强失流事故下堆芯事故下的余热排出能力，尤其是对堆芯的冷却能力。\n[0003] 通常实现以上目的的手段具有如下几种：\n[0004] (1)采用惰转性更强的主泵，使得主泵在失去电源后能依靠惯性实现更长时间的运行，让流速减慢的速率变低，但是只能提高前几十秒内的流速，在长期冷却中无法起到作用；\n[0005] (2)采用大的堆芯栅距，降低反应堆总的压降，不过这种方法往往意味着堆芯的中子泄露增加，必须付出增加堆芯的燃料装量的代价；\n[0006] (3)采用较高的换热器-堆芯高度差，这样能够提高自然循环的压头，也即驱动力，然而，提高高度差意味着反应堆必须建造的更高，这无疑会直接损害反应堆的经济性，同时，对于液态金属冷却反应堆，还有可能影响到堆本体的抗震性能。\n[0007] 但目前为止，还未见到在余热排出时可以主动提高自然循环的系统和方法。\n[0008] 气举提升方式是提高液态金属反应堆自然循环驱动力的一种手段，能够通过在上升段注入气体，实现提供驱动力的方法，目前主要应用在自然循环驱动的反应堆中。\n[0009] 本发明基于气举系统，设计了能够在失去主回路冷却剂驱动力的事故工况下自动启动，并且可以非能动运行的系统，能够提升在这种工况下的自然循环能力，极大的提高了失流事故下余热的排出能力。\n发明内容\n[0010] 本发明技术解问题：克服现有技术的不足，提供了一种结构简单，可靠性高，用以实现液态金属冷却反应堆失流后非能动自然循环强化系统及方法。\n[0011] 为实现所述方法的功能，本发明利用管道的连接设计，使得在反应堆主泵失去驱动力时，高压气体可以下压液面，并形成新的通路，由高压注入罐提供的高压气体自动注入堆芯上部，注入的气体推动堆芯出口处的冷却剂向上流动。\n[0012] 其中高压储气罐(1)通过节流阀(9)连接至垂直管道(2)，垂直管道下端连接堆芯(5)入口的分配联箱(8)中，倒U型管道(3)一端连接至垂直管道(2)，另一端至于堆芯(5)出口处。\n[0013] 本发明采用的技术方案为：一种液态金属冷却反应堆失流后非能动自然循环强化系统及方法，其特征在于所述系统能在液态金属冷却反应堆强迫循环冷却失去驱动力时自动触发并强化主回路自然循环；具体结构包括：高压储气罐(1)、节流阀(9)、垂直管道(2)、倒U型管道(3)、第一气阀(11)、第二气阀(13)、第三气阀(14)和压力控制系统(12)；其中高压储气罐(1)通过节流阀(9)连接至垂直管道(2)，垂直管道下端连接堆芯(5)入口的分配联箱(8)中，倒U型管道(3)一端连接至垂直管道(2)，另一端至于堆芯(5)出口处。\n[0014] 其中，反应堆正常运行时，垂直管道(2)中的液位比连接倒U型管道(3)的连接点略高。\n[0015] 其实现步骤如下：\n[0016] (1)反应堆正常运行开始时，高压储气罐(1)、第一气阀(11)、第二气阀(13)和压力控制系统(12)维持倒U型管(3)和垂直管道(2)内合适的液位；\n[0017] (2)当反应堆强迫循环冷却失去驱动力时，反应堆主泵(6)两侧压差降低；\n[0018] (3)垂直管道(2)内的液体压力降低，液位下降；\n[0019] (4)液位下降至垂直管道(2)与倒U型管道(3)的连接点时，气体进入倒U型管道(3)；\n[0020] (5)液体将倒U型管道(3)另一侧的液体向下压，并排出；\n[0021] (6)U型管道(3)在堆芯上方排出气泡，提供堆芯出口冷却剂向上的驱动力，起到自然循环强化的功能；\n[0022] (7)高压储气罐(1)提供持续的气体来源，通过节流阀(9)控制流速。\n[0023] 本发明的有益效果：本发明利用管道的连接设计，使得在主泵停止运行后，不依赖于任何设备，实现一个新的气体通路，向反应堆堆芯上部注入气体，利用气举原理实现自然循环的增强，同时采用了高压储气罐，确保可以气体注入过程可以在停堆之后较长时间内不依赖于外电源持续运行。\n附图说明\n[0024] 图1为本发明系统结构示意图；\n[0025] 图中，1.高压注入罐 2.垂直管道 3.倒U型管道 4.主换热器 5.堆芯 6.主泵 7.冷池 8.分配联箱 9.节流阀 10.热池 11.第一气阀 12.压力控制系统 13.第二气阀 14.第三气阀\n具体实施方式\n[0026] 如图1所示，其中高压储气罐1通过节流阀9连接至垂直管道2，垂直管道下端连接堆芯5入口的分配联箱8中，倒U型管道3一端连接至垂直管道2，另一端至于堆芯5出口处。\n[0027] 正常运行时，反应堆正常运行时，垂直管道2中的液位比连接倒U型管道3的连接点略高，高度需要小于主泵6的驱动压头，例如对于铅铋合金作为冷却剂的反应堆，若主泵压头为0.3MPa，则需要维持此液位差小于0.3m。\n[0028] 倒U型管内的液位和压力由第一气阀11和压力控制系统12控制，在正常运行的情况下，必须维持两侧的液面是不连通的。压力控制系统可以提供不同压力大小的惰性气体，和第一气阀11、第二气阀13共同工作，在反应堆正常运行的开始阶段时维持倒U型管中的压力，在设置正确的气压并维持倒U型管两侧的液位之后，则关闭第一气阀11、第二气阀13，并且在失流事故发生后不启动。\n[0029] 联箱8是反应堆原有设备，其功能是将主泵提供的冷却剂进行混合，并注入堆芯各个通道组件中，由于堆芯的流道非常细小，因此在联箱中压降非常低。垂直管道2的下端布置连接于联箱的上部，其压力与堆芯入口接近。\n[0030] 高压储气罐1的压力需要确保气体能注入堆芯上部，因此需要高于液位差，例如对于铅铋合金作为冷却剂的反应堆，若倒U型管道的出口位置在液位以下4m，则要求高压储气罐的气体压力必须高于0.4MPa。高压储气罐的体积决定了最终可以实现非能动自然循环能力的要求，设计中能实现30分钟的非能动注气，这可以满足反应堆事故后处理的三十分钟不干预原则，在此之后，可以启动能动的气体驱动装置继续注入气体，不过这不在本专利中体现。\n[0031] 节流阀9用以控制气体流速。在气举系统中，流速与气体流量非单调关系，存在一个最佳值，这个最佳值需与具体反应堆的设计相关，影响因素包括，温度、注入气体压力、流通长度等。一般来说，最佳空泡份额在10％左右的范围内可以达到大驱动力。\n[0032] 以具体实例的实施参数举例说明\n[0033]\n[0034]\n[0035] 此时垂直管段液位低于倒U型管和垂直管段的联接处位置，气体将从垂直管段进入倒U型管，其中垂直管内的压力为0.65MPa，气举泵出口的压力为0.5MPa，气体可以从储气罐持续不断地进入反应堆堆芯出口处上部，并通过节流阀持续不断的形成气举泵工作，提高反应堆的自然循环能力。