用于快堆的辅助冷却系统及方法与流程

1.本公开涉及反应堆技术领域，尤其涉及一种用于快堆的辅助冷却系统及方法。


背景技术：

2.为了降低快堆主容器、泵支承承载部件的温度，免于蠕变设计，设置了主容器冷却、泵支承冷却辅助系统。即在主容器、泵支承一侧通过同心的圆筒，形成冷却剂的上升与下降通道。由于该上升与下降通道环域中都充满钠液冷却剂，在地震下自由液面会产生晃动，晃动的固有频率若与设备结构的固有频率相同或接近，容易产生流致振动。


技术实现要素：

3.在一个方面，提供一种用于快堆的辅助冷却系统，包括：主容器；隔板，所述隔板与所述主容器的壁面之间形成上升通道；热屏蔽层，所述热屏蔽层设置于所述隔板远离所述主容器的一侧，所述热屏蔽层与所述隔板之间形成下降通道；溢流孔，所述溢流孔设置于所述隔板上，用于连通所述上升通道和所述下降通道；第一节流装置，所述第一节流装置设置于栅板联箱上，所述栅板联箱内的冷却液能经由所述第一节流装置进入所述上升通道内；以及第二节流装置，所述第二节流装置设置于所述下降通道的出口处，用于向待冷却件供冷。
4.在另一方面，提供一种用于快堆的辅助冷却方法，基于上述的辅助冷却系统，所述辅助冷却方法包括：控制所述上升通道内以及所述溢流孔内的冷却剂温度低于420℃；以及控制所述下降通道的出口冷却剂温度与所述上升通道的进口冷却剂温度之间的温差不超过47℃。
附图说明
5.通过下文中参照附图对本公开所作的描述，本公开的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本公开有全面的理解。
6.图1是根据本公开实施例的用于快堆的辅助冷却系统的结构示意图。
7.图2是根据本公开实施例的用于快堆的辅助冷却系统的应用场景示意图。
8.图3是图2中a部分的放大结构示意图。
9.图4是图2中b部分的放大结构示意图。
10.图5是图2中c部分的放大结构示意图。
11.图中，1、主容器；11、栅板联箱；12、泵支承；13、中间热交换器支承；14、支承板；2、隔板；21、溢流孔；3、热屏蔽层；4、上升通道；5、下降通道；6、第一节流装置；7、第二节流装置；8、第三节流装置。
12.需要注意的是，为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，结构或区域的尺寸可能被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。
具体实施方式
13.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
14.除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本领域普通技术人员所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
15.在本文中，除非另有特别说明，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等方向性术语用于表示基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开，而不是指示或暗示所指的装置、元件或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作。需要理解的是，当被描述对象的绝对位置改变后，则它们表示的相对位置关系也可能相应地改变。因此，这些方向性术语不能理解为对本公开的限制。
16.本公开的实施例提供一种用于快堆的辅助冷却系统及方法。所述辅助冷却系统包括：主容器1；隔板2，所述隔板2与所述主容器1的壁面之间形成上升通道4；热屏蔽层3，所述热屏蔽层3设置于所述隔板2远离所述主容器1的一侧，所述热屏蔽层3与所述隔板2之间形成下降通道5；溢流孔21，所述溢流孔21设置于所述隔板2上，用于连通所述上升通道4和所述下降通道5；第一节流装置6，所述第一节流装置6设置于栅板联箱11上，所述栅板联箱11内的冷却液能经由所述第一节流装置6进入所述上升通道4内；以及第二节流装置7，所述第二节流装置7设置于所述下降通道5的出口处，用于向待冷却件供冷。通过上述辅助冷却系统的结构设计，利用主容器1的壁面与隔板2和热屏蔽层3之间形成冷却液的上升通道4和下降通道5，可以同时对主容器1和其他待冷却件进行冷却降温。同时，由于热屏蔽层3和隔板2的屏蔽作用，可以使得所述上升通道4与所述下降通道5环域中冷却液晃动的固有频率与快堆设备结构的固有频率避开，防止发生流致振动。
17.需要说明的是，本公开实施例中的冷却液以钠液为例，即，将钠液作为冷却剂。但不应理解为钠液是本公开实施例的冷却液的唯一选择，本公开实施例的冷却液还可以选择为基于本领域技术人员常规认知的其他任意种类的冷却液。
18.图1是根据本公开实施例的用于快堆的辅助冷却系统的结构示意图。图2是根据本公开实施例的用于快堆的辅助冷却系统的应用场景示意图。图3是图2中a部分的放大结构示意图。图4是图2中b部分的放大结构示意图。图5是图2中c部分的放大结构示意图。
19.如图1至图5所示，所述主容器1的内壁、所述隔板2和所述热屏蔽层3之间形成所述上升通道4和所述下降通道5，所述上升通道4的底端进口通过设置在所述栅板联箱11上的所述第一节流装置6与钠液冷池连通。在循环泵的作用下，可以使得冷池中的钠液由所述上升通道4的底端进入所述上升通道4中，并沿所述上升通道4上升。在这个过程中，钠液会与所述主容器1的壁面进行热量交换，对所述主容器1进行冷却降温。当所述上升通道4内的钠液上升至所述溢流孔21高度时，会经由所述溢流孔21进入所述下降通道5内。所述下降通道5内的钠液经由所述第二节流装置7输送至所述待冷却件，对所述待冷却件进行降温冷却，
而经由所述第二节流装置7流出的钠液最终回流入钠液冷池中。通过上述过程，实现了钠液的循环冷却过程。
20.另外，由于钠液在所述上升通道4内时是用于冷却所述主容器1，钠液进入所述下降通道5后才能被用于冷却所述待冷却件。因此，可以通过控制钠液的液位来分别冷却所述主容器1和所述待冷却件。即，可以控制所述上升通道4内钠液的流量，使得钠液的液位不超过所述溢流孔21的安装高度，此时钠液用于冷却所述主容器1。当钠液的液位超过所述溢流孔21的安装高度时，钠液可以进入所述下降通道5内，并从所述下降通道4的底部出口流出，此时用于冷却所述待冷却件。
21.在一些示例性的实施例中，所述上升通道4与所述下降通道5之间的所述隔板2上设有若干个溢流孔21。若干个所述溢流孔21均位于第一平面内，且若干个所述溢流孔21均匀间隔设置在所述隔板2上。其中，所述第一平面垂直于所述冷却液在所述上升通道4内的流动方向，同时垂直于所述冷却液在所述下降通道5内的流动方向。参照图2，所述第一平面垂直于所述主容器1的中心轴线。通过设置多个溢流孔21，可以提高钠液由所述上升通道4进入所述下降通道5的流速，保证钠液流动的连续性，防止水击和避免温度振荡。
22.可选的，本公开实施例中，所述溢流孔21可以为圆孔或矩形孔。所述溢流孔21的尺寸和数量，应保证溢流后钠液流动的连续性以及相邻溢流孔21间流束的连续性，防止水击和避免温度振荡。
23.需说明的是，所述溢流孔21的形状不局限于圆孔或矩形孔，在满足上述功能的前提下，本领域技术人员可以选择其他任何形状的溢流孔21。同时，本公开实施例中也不对所述溢流孔21的数量和尺寸进行具体限定。
24.以上表述“圆孔”、“矩形孔”表示横截面为圆形或矩形。
25.可选的，参照图3，所述第一节流装置6包括迷宫式节流件。所述辅助冷却系统用于冷却所述主容器1和所述待冷却件时，从冷池中取钠，经过所述第一节流装置6后，达到预定的冷却剂液位，分别来冷却主容器1和所述待冷却件。
26.可选的，所述第二节流装置7包括孔板式节流件或小孔式节流件。所述第二节流装置7设置在所述下降通道5的底部出口处，可以保证所述下降通道5的自由液位高度，并且起到防止所述下降通道5的出口位置出现瀑布的作用。
27.在本公开实施例中，还包括第三节流装置8，所述第三节流装置8设置于所述下降通道5的底部。所述待冷却件包括第一冷却部位和第二冷却部位，所述第一冷却部位和所述第二冷却部位通过支承板14隔开。参照图4和图5，所述第一冷却部位即是所述待冷却件位于所述支承板14以上的部位，所述第二冷却部位即是所述待冷却件位于所述支承板14以下的部位。所述第二节流装置7设置于所述支承板14的上侧，用于向所述第一冷却部位的至少一部分供冷；所述第三节流装置8设置于所述支承板14的下侧，用于向所述第二冷却部位的至少一部分供冷。通过设置所述第三节流装置8，可以使得所述下降通道5内流出的钠液分别到达快堆内不同的位置，从而对同一设备的不同部位或者多种不同的设备进行冷却。
28.进一步的，所述第三节流装置8包括孔板式节流件或小孔式节流件。需说明的是，所述第三节流装置8的类型不局限于上述类型，只要能起到节流作用即可。
29.应注意的是，所述第一节流装置6、第二节流装置7、第三节流装置8的数量及其可通截面应使各孔内不产生气蚀现象。并且，各节流装置结构应保证所述辅助冷却系统在所
有流量变化范围内自成型的湍流工况，以保证各节流装置的流体阻力系数不变，从而使得流体的压降不变，流体流动更平稳。
30.在一些示例性的实施例中，所述隔板2为圆筒形结构，设计为圆筒形结构利于与所述主容器1的壁面相配合。例如，当该圆筒形的隔板2设置在所述主容器1内时，所述隔板2与所述主容器1之间的所述上升通道4也呈环形。所述热屏蔽层3也为圆筒形结构，且所述热屏蔽层3的轴心与所述隔板2的轴心重合。因此，所述隔板2与所述热屏蔽层3之间形成的所述下降通道5也呈环形。通过将所述上升通道4和所述下降通道5设置为环形，可以从多角度对所述主容器1和所述待冷却件进行冷却，能够提高冷却效率，保证冷却效果。
31.进一步的，所述热屏蔽层3的数量为三层，该三层热屏蔽层3均为圆筒形结构，且该三层热屏蔽层3的轴心重合。通过设置三层热屏蔽层3，可以进一步屏蔽热量，防止温度较高的钠液向所述下降通道5内温度较低的钠液传热，导致降低所述主容器1的冷却效率。
32.需说明的是，所述热屏蔽层3的数量不局限于三层，实际应用时，可根据安装需要减少或者增加所述热屏蔽层3的数量，本公开实施例中对此不作限定。
33.在本公开实施例中，所述待冷却件包括泵支承12和/或中间热交换器支承13。即，参照图2，本公开实施例的所述辅助冷却系统可以用于反应堆的主容器1以及和泵支承12和/或中间热交换器支承13的冷却。但是，应理解，所述辅助冷却系统也可用于快堆内其他需要冷却的设备，本公开实施例中对此不作限定。
34.本公开实施例还提供了一种用于快堆的辅助冷却方法，所述辅助冷却方法基于上述的辅助冷却系统。具体的，所述辅助冷却方法包括：控制所述上升通道4内以及所述溢流孔21内的钠温低于420℃，并且控制所述下降通道5的出口钠温与所述上升通道4的进口钠温之间的温差不超过47℃。这样可以避免因热震荡而引起的各种问题，例如，由于不同温度钠混合时温度变化引起设备表面产生交变应力问题。
35.本公开实施例中以冷却主容器1为例，通过分析计算主容器1的壁面温度，主容器1冷却出口温度，以及环形域液体晃动的固有频率，使得各项指标均达到设计要求。同时，分析节流件内的流速与气蚀临界流速，防止冷却剂在节流件中发生气蚀。具体结构方案与分析计算结果如下：
36.用于所述主容器1的辅助冷却系统从所述栅板联箱11取钠，经过栅板联箱11下表面的迷宫式节流件进入所述上升通道4内，所述上升通道4由所述主容器1壁面与径向隔板2圆筒构成，所述下降通道5由径向隔板2圆筒与三层同心的热屏蔽层3圆筒构成。所述下降通道5底部的节流装置采用孔板结构。
37.1)温度计算
38.所述主容器1冷却的能量方程为：
[0039][0040]
第一个节点为所述主容器1，物理含义为从所述上升通道4向所述主容器1传输的热量等于所述主容器1向周围的散热。
[0041]
[0042]
化简后可以得到：
[0043][0044]
δ1：主容器1的厚度[m]
[0045]
λ1：钢的热导率[w/(k
·
m)]
[0046]
q：保护容器通过保温层向外的散热量[w/(k
·
m2)]
[0047]hup
：主容器1与上升通道4冷却剂的换热系数[w/(k
·
m2)]
[0048]
a：主容器1表面积
[0049]
第二个节点为所述上升通道4，
[0050][0051][0052]
δ1：主容器1的厚度[m]
[0053]
δ2：隔板2的厚度[m]
[0054]
λ：钢的热导率[w/(k
·
m)]
[0055]hup
：主容器1与上升通道4的换热系数[w/(k
·
m2)]
[0056]
质量流量[kg/s]
[0057]cp
：na的比热[j/(kg
·
k)]
[0058]
t
inlet
：主容器1辅助冷却系统入口钠温[k]
[0059]
第三个节点为所述隔板2，
[0060][0061]hdown
：下降通道5钠的换热系数[w/(k
·
m2)]
[0062]
δ3：隔板2的宽度[m]
[0063]
第四个节点为所述下降通道5，
[0064][0065][0066]
δ5；热屏蔽层3厚度[m]
[0067]
第五个节点为所述热屏蔽层3，在一维计算中忽略静止钠液的厚度，
[0068][0069][0070]hna
：热屏蔽层3外的热钠池与热屏蔽层3的换热系数[w/(k
·
m2)]
[0071]
那么可以写出矩阵：
[0072][0073]
通过进行多组实验求解上面矩阵即可得到各个节点的温度，
[0074][0075][0076]
根据计算结果，所述主容器1壁面温度和所述主容器1冷却出口温度均低于设计限值要求。
[0077]
2)液体晃动固有频率分析
[0078]
从屏蔽可能发生振动出发，防止所述上升通道4和所述下降通道5内这样长的周边出现水击现象，因此必须选择大量溢流孔21。使得除了所述上升通道4与所述下降通道5的较短初始部分外，钠的流动都是以连续液体的形式。
[0079]
为保证沿快堆设备周边开孔不发生流致振动，需要计算固有频率，环域液体晃动频率：
[0080][0081]
环内外径比相关的常数＝1.841
[0082]
a：环向半径
[0083]
h：液位高度
[0084]
比较可知液体晃动的固有频率远低于结构固有频率(结构固有频率可根据结构的尺寸、约束关系通过模态计算确定)，，因此能够避免发生流致振动。
[0085]
3)节流装置气蚀分析
[0086]
节流装置的一个重要准则是在液体流动过程中最后通径截面变窄的狭小截面内不产生气蚀现象。反应堆满功率运行时，节流装置处的钠温为360℃，此时的钠的饱和蒸汽压约为18pa，同时在额定工况下从节流装置的钠向反应堆底部处的绝对压力为p1＝0.5256mpa。可得最大流速限制为34m/s，如下：
[0087][0088][0089]
因此，最狭小的截面内的静压降至18pa时，如果在狭小截面的钠流速大于或等于该流速v，才会出现气蚀现象。
[0090]
通过控制节流装置内的流速低于气蚀临界流速，即能使得节流装置内的冷却剂不会发生气蚀。
[0091]
根据本公开实施例的所述辅助冷却系统和所述辅助冷却方法具有以下技术效果中的至少一个方面：
[0092]
1)冷却液经过所述辅助冷却系统入口的所述第一节流装置6后，可在所述上升通道4内达到预定的冷却剂液位，分别来冷却所述主容器1和所述待冷却件。
[0093]
2)所述下降通道5的底部设置所述第二节流装置7和所述第三节流装置8，可保证所述下降通道5的自由液位高度以及防止在所述下降通道5的出口孔位置出现瀑布。
[0094]
3)通过所述上升通道4与所述下降通道5之间的若干个所述溢流孔21，保证溢流后钠液流动的连续性以及相邻溢流孔21间流束的连续性，可防止水击和避免温度振荡。
[0095]
4)地震下，所述辅助冷却系统结构中所述上升通道4与所述下降通道5环域中液体晃动的固有频率与设备结构的固有频率能避开，可防止流致振动。
[0096]
虽然根据本公开总体技术构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本公开总体技术构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。