[发明专利]一种非能动自然循环铅铋换热装置及导出堆芯热量的方法

说明书

技术领域

本发明属于核能换热设备领域，特别涉及利用铅铋流体传热的一种非能动自然循环铅铋换热装置及导出堆芯热量的方法。具体说，在ADS次临界反应堆产生的热量，由该装置带出热量，以保证ADS反应堆安全运行，实现新能源的正常发电。

背景技术

ADS(accelerate driven system，加速器驱动系统)是最有前景的嬗变技术之一。它由中能强流质子加速器、外源中子产生靶和次临界反应堆构成，是一种高效的核废物嬗变炉。ADS的基本原理如下：由加速器产生的质子束轰击在次临界堆中的重金属靶件，引起散裂反应，再通过核内级联和核外级联产生中子，散裂中子靶为次临界堆提供外源中子。

在ADS中利用液态铅铋合金(PbBi)作为散裂靶兼冷却剂，除了具有很好的中子学性能之外，还具有优良的抗辐照性能、传热性能和安全特性，可以提高靶系统的寿命和次临界反应堆的安全性。由于ADS堆芯冷却剂采用的是铅铋合金这种特殊的材料，因此，有必要设计一种铅铋换热装置将热量有效导出。

现阶段国内ADS正处于起步阶段，研究大都集中于ADS反应堆堆芯中的中子物理研究，铅铋换热及其装置刚刚起步。目前，由于还没用建成ADS反应堆，国外也仅仅在实验回路上开展研究工作。1998年，法国、意大利、西班牙决定成立一个欧洲实验加速器驱动系统(XADS)的研发平台。为了满足技术研发的需要，参与者已经扩大到欧盟多数国家。意大利投入了很大力量，设计一台80MW的XADS。瑞典皇家理工学院(KTH)也承担了欧盟XADS计划的一部分，建造了试验设备，来测试铅铋冷却反应堆的稳态和瞬态热工水力特性。所有实验中采取的换热主要是最简单套管式换热，意大利对U型管式换热进行了简单研究。但所有研究都基于强迫循环换热，需要动力支持，且铅铋泵的制造也是一种复杂的工艺。两侧换热流由密度差自然循环驱动的铅铋换热装置省略了铅铋泵这一环节，不需要动力源，更好更安全地实现热量的有效传递。

发明内容

本发明的目的是提供一种非能动自然循环铅铋换热装置及导出堆芯热量的方法，其特征在于，所述换热装置是一种在双侧实现自然循环传热的装置，包括圆环形和方环形两种自然循环传热回路结构；铅铋换热装置的基本回路结构如下：由铅铋合金加热器1、铅铋合金上充下泄泵7、铅铋合金贮存池6和铅铋合金换热装置3的一次侧铅铋合金流体通道10构成一回路，氩气贮存池8接在一次侧铅铋合金流体通道10和铅铋合金加热器1的公共通道上，铅铋合金贮存池6与一次侧铅铋合金流体通道10和铅铋合金上充下泄泵7连接；由铅铋合金换热装置3的二次侧流体通道9、二回路冷却器2和二回路流体上充下泄泵5构成二回路，二回路冷却剂贮存池4与二次侧流体通道9和二回路流体上充下泄泵5连接。

所述铅铋合金换热装置为圆环形自然循环传热回路的结构是换热装置外环管12内支撑相互连接的4个结构相同的内环管11；内环管11内圈为一次侧铅铋合金流体通道10，内环管11外圈与外环管12内壁之间为二次侧流体通道9；铅铋合金换热装置两端分别为下联箱13和上联箱14。

所述铅铋合金换热装置为方环形自然循环传热回路的结构是在方环形的外环管12内支撑一个方环形的内环管11，内环管11内圈为一次侧铅铋合金流体通道10，内环管外圈与外环管12内壁之间为二次侧流体通道9；铅铋合金换热装置两端分别为下联箱13和上联箱14。

所述非能动自然循环铅铋换热装置导出堆芯热量的方法是来自ADS堆芯产生热量，经过下联箱13，由载热液体铅铋合金流入非能动自然循环铅铋换热装置3的一次侧铅铋合金流体通道10，将热量传给换热管道内环管11，由于在ADS堆芯受热，其在内环管一次侧铅铋合金流体通道10入口温度为400℃，出口温度为300℃，内环管11与二次侧流体通道9内的二回路冷却剂进行热量交换，受到冷却的液体铅铋合金流出至上联箱14，具有较低温度的液体铅铋合金流入铅铋合金加热器1，继续吸收堆芯热量，由此实现热量的导出，完成一个循环。

所述一次侧铅铋合金要实现自然循环，需要加入氩气进行拉抬，以提升其自然循环能力。铅铋共晶合金LBE的熔点虽然比钠稍高，但其化学活性比较弱，具有传热性能和安全特性。

所述二次侧的冷却剂应能将一回路铅铋合金冷却到所需的水平。在340℃高温下连续工作，热分解率低，与LBE不发生化学反应，自燃点远远超过运行温度。因此冷却剂选择为沸腾水、甘油和氢化三联苯；采取逆流式换热，即铅铋合金流动方向和二次侧工质流动方向相反的方式。