液态重金属反应堆安全系统

技术领域

本发明涉及液态重金属冷却反应堆领域，尤其涉及一种液态重金属反应堆安全系统。

背景技术

在液态重金属冷却反应堆中，蒸汽发生器作为一回路和二回路的边界，需要同时面对传热管两侧较大的压差和温差，传热管束与支撑结构间的振动摩擦以及铅铋强制流动对管壁造成的磨蚀，致使蒸汽发生器传热管破裂事故成为高概率事故。

一旦传热管破裂，二回路中大量过冷水涌入一回路，在过冷水/高温液态重金属的作用下，剧烈相变产生的压力波将威胁堆内主要设备、堆内构件以及堆容器的结构完成性，为了保证一回路及堆容器的结构完整性，避免放射性物质释放，一回路的安全系统的设置非常必要。

目前，液态重金属反应堆安全系统的安全罐分为大容积耐压空罐和小容积内部设有冷凝水的安全罐，在内部设有冷凝水的安全罐中，高温高压水蒸气/液态重金属直接与冷凝水接触换热，具有换热效率高、体积小、内部压力低的优点，但同时存在液态重金属凝固导致卸压管线堵塞的风险，尤其是延伸至冷凝水下部的管线。一旦卸压管线发生堵塞，一回路将再次面临超压风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的液态重金属反应堆安全系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种液态重金属反应堆安全系统，包括：内部设有蒸汽发生器的反应堆容器、用于过滤液态重金属的过滤装置、安全罐以及连接管线，所述连接管线依次连接所述反应堆容器、所述过滤装置以及所述安全罐。

在一些实施中，所述液态重金属反应堆安全系统还包括加热装置；所述连接管线包括第一管线以及第二管线；所述过滤装置包括过滤罐；所述第一管线连接所述反应堆容器的出口与所述过滤罐的入口，所述第二管线连接所述过滤罐的出口与所述安全罐的入口；所述过滤装置还包括设置在所述过滤罐内并将所述过滤罐内分隔为上腔室以及下腔室的交错孔板，所述第一管线与所述过滤罐连接一端的管口经过所述交错孔板伸入到所述下腔室；所述交错孔板上设有相互错位并将所述上腔室以及所述下腔室导气连通的若干通孔。

在一些实施中，所述第一管线与所述过滤罐连接一端的管口以及所述交错孔板相对于所述下腔室的底部更靠近所述上腔室的顶部。

在一些实施中，所述交错孔板包括上层板体、下层板体、贯穿所述上层板体的第一通孔，以及贯穿所述下层板体的第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔相互错位；所述上层板体与所述下层板体间隔一段距离以形成连通所述第一通孔与所述第二通孔的横向通道。

在一些实施中，所述过滤装置还包括设置在所述下腔室底部的可拆卸的丝网。

在一些实施中，所述过滤装置还包括设置在所述下腔室底部的导流件，所述导流件位于所述第一管线与所述过滤罐连接的一端的管口下方。

在一些实施中，所述导流件呈底部直径大于顶部直径的喇叭状，所述导流件的纵截面外部轮廓为光滑的曲线。

在一些实施中，所述第二管线与所述过滤罐连接一端的管口位于所述上腔室内或所述上腔室的顶部。

在一些实施中，所述过滤装置还包括设置在所述上腔室内的挡板组件，所述挡板组件包括第一挡板以及第二挡板，所述第一挡板以及所述第二挡板分别包括竖直段以及与所述竖直段连接的水平段，所述水平段位于所述第二管线与所述过滤罐连接一端的管口下方，并且所述第一挡板与所述第二挡板之间界定出气流通道。

在一些实施中，所述液态重金属反应堆安全系统还包括压力响应件，所述压力响应件设置在所述第一管线上。

在一些实施中，所述加热装置包括第一伴热丝，所述第一伴热丝缠绕在所述第一管线以及所述压力响应件的外部。

在一些实施中，所述安全罐内部装有冷凝水，所述第二管线与所述安全罐连接一端的管口延伸至所述冷凝水的液面下。

在一些实施中，所述液态重金属反应堆安全系统还包括主动排放管线以及泄放阀，所述加热装置还包括第二伴热丝；所述主动排放管线连接所述反应堆容器与所述过滤罐，所述泄放阀设置在所述主动排放管线上，所述第二伴热丝缠绕在所述主动排放管线以及所述泄放阀的外部。

在一些实施中，所述液态重金属反应堆安全系统还包括设置在所述过滤罐下方的收集罐、第三管线以及排放阀，所述加热装置还包括第三伴热丝，所述第三管线连接所述过滤罐与所述收集罐，所述排放阀设置在所述第三管线上，所述第三伴热丝缠绕在所述过滤罐、所述第三管线以及所述排放阀的外部。

实施本发明具有以下有益效果：本发明在反应堆容器和安全罐之间设置过装置，有效解决了现有安全系统中液态重金属直接进入安全罐，凝固导致安全罐入口管道堵塞的问题，提高了蒸汽发生器传热管破裂事故下液态重金属反应堆的安全性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明第一实施例的液态重金属反应堆安全系统的结构示意图

图2是图1所示液态重金属反应堆安全系统中的过滤罐31的内部示意图；

图3是本发明第二实施例的液态重金属反应堆安全系统的结构示意图；

图4是本发明第三实施例的液态重金属反应堆安全系统的结构示意图。

其中，附图标记与各装置/设备/部件的对应关系为：反应堆容器1、一回路1a；安全罐2；过滤装置3、过滤罐31、上腔室311、下腔室312；交错孔板32、上层板体321、第一通孔322、下层板体323、第二通孔324、横向通道325；导流件33；丝网34；挡板组件35、第一挡板351、第二挡板352；连接管线4、第一管线41、第二管线42；加热装置5、第一伴热丝51、第二伴热丝52、第三伴热丝53；压力响应件6；主动排放管线7；泄放阀8；收集罐9；排放阀10；第三管线11。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。以下描述中，需要理解的是，“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系、以特定的方位构造和操作，仅是为了便于描述本技术方案，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。当一个元件被称为在另一元件“上”或“下”时，该元件能够“直接地”或“间接地”位于另一元件之上，或者也可能存在一个或更多个居间元件。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅是为了便于描述本技术方案，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

第一实施例：

图1示出了本发明第一实施例中的液态重金属反应堆安全系统，用于提高蒸汽发生器传热管破裂事故下液态重金属反应堆的安全性。

如图1所示，在本发明第一实施例中，该液态重金属反应堆安全系统可包括反应堆容器1、过滤装置3、安全罐2、连接管线4、加热装置5以及压力响应件6。反应堆容器1用于放置堆芯，反应堆容器1内设有一回路1a，一回路1a中流动有高温的液态重金属。液态重金属反应堆的发电系统中还具有蒸汽发生器以及有内部流动有过冷水的二回路(图中未示出)，蒸汽发生器作为连接一回路1a以及二回路的设备，将一回路1a中的液态重金属的热量传递给二回路中的过冷水，蒸汽发生器的传热管中的一部分位于反应堆容器1内。当蒸汽发生器的传热管中位于反应堆容器1内的部分破裂时，过冷水以及高温液态重金属的作用下，剧烈相变会导致反应堆容器1以及一回路1a的压力瞬间升高，需要将具有高温高压的水蒸气以及液态重金属的混合介质从反应堆容器1中的释放出去，降低反应堆容器1内以及一回路1a的压力。过滤装置3与反应堆容器1连接，用于过滤混合介质中的液态重金属。安全罐2内具有冷凝水，用于对高温高压的水蒸气卸压并将其冷凝成水收集备用。连接管线4依次连接反应堆容器1、过滤装置3以及安全罐2，用于引流。具体地，连接管线4包括连接第一管线41以及第二管线42，第一管线41连接反应堆容器1与过滤装置3，第二管线42连接过滤装置3与安全罐2。加热装置5用于对第一管线41加热，使其内部的液态重金属的温度始终保持在其熔点以上，避免重金属凝固而堵塞第一管线41，进而影响对反应堆容器1及一回路1a泄压。压力响应件6设置在第一管线41上，当传热管破裂事故发生时，对反应堆容器1及一回路1a进行泄压，压力响应件6可以是安全阀，并且对安全阀设定安全阈值，当安全阀感应到第一管线41内的压力达到安全阈值时可以自动开启。可以理解地，压力响应件6也可以是爆破片。

结合图2，在该实施例中，过滤装置3可包括过滤罐31、交错孔板32、丝网34、导流件33以及挡板组件35。过滤罐31可作为过滤装置3的容器部分，该第一管线41连接反应堆容器1的上端出口与过滤罐31的上端入口，第二管线42连接过滤罐31的上端出口与安全罐2的上端入口。交错孔板32设置在过滤罐31内并将过滤罐31的内部腔室分隔为上腔室311以及下腔室312，第一管线41与过滤罐31连接一端的管口经过交错孔板32伸入到下腔室312，以将经第一管线41流入到过滤罐31内的混合介质导入到下腔室312。第二管线42与过滤罐31连接一端的管口位于上腔室311内或上腔室311的顶部，避免溅射的液态重金属附着到第二管线42的内部、冷却后阻塞第二管线42进而对泄压造成不利的影响。交错孔板32上设有相互错位并将上腔室311以及下腔室312导气连通的若干通孔，用于将经第一管线41激射入过滤罐31内的液态重金属隔离在下腔室312内，并且交错孔板32的若干通孔允许进入到下腔室312中的高温高压水蒸气返回上腔室311。为了保证下腔室312的空间足够容纳液态重金属并且防止液态重金属堵塞第一管线41的管口以及交错孔板32，第一管线41的管口以及交错孔板32应该远离下腔室312的底部，即第一管线41的管口以及交错孔板32相对于下腔室312的底部更靠近上腔室311的顶部。丝网34可拆卸地设置在下腔室312的底部，可有效缓冲高速向下运动的高压混合介质对过滤罐31底部的冲击，又可以防止高速运动的水蒸气携带破碎的重金属液滴向上运动。导流件33设置在下腔室312的底部并且位于第一管线41与过滤罐31连接一端的管口下方，用于将该管口中激射出的高温高压的射流向其四周引导、分散以减小混合介质对过滤罐31底部的冲击。导流件33可呈底部直径大于顶部直径的喇叭状，导流件33的纵截面外部轮廓为光滑的曲线，以进一步降低从其四周分流的混合介质的流速，减小混合介质对过滤罐31底部及导流件33本身的冲击，增加其耐久和稳定性。挡板组件35设置在上腔室311内，用于进一步防止重金属液体进入第二管线42内。

在该实施例中，交错孔板32可包括上层板体321、下层板体323、贯穿上层板体321的若干第一通孔322，以及贯穿下层板体323的若干第二通孔324，第一通孔322与第二通孔324相互错位；上层板体321与下层板体323间隔一段距离以形成连通第一通孔322与第二通孔324的横向通道325。该第二通孔324、横向通道325以及第一通孔322形成了允许水蒸气从下往上通过的气流通道，而由于第一通孔322与第二通孔324相互错位，飞溅的液态重金属难以通过，防止液态重金属进入上腔室311进而到第二管线42内对第二管线42造成堵塞。可以理解地，交错孔板32的板体也可以是一块，在其板体内形成有弯曲或弯折的气流通道，该气流通道连下腔室312与上腔室311。

在该实施例中，挡板组件35可包括第一挡板351以及第二挡板352。第一挡板351以及第二挡板352分别包括竖直段以及与竖直段连接的水平段，第一挡板351以及第二挡板352的竖直段分别位于第二管线42与过滤罐31连接一端的管口的外周侧或该外周侧与上腔室311的侧壁之间，水平段位于第二管线42与过滤罐31连接一端的管口下方，并且第一挡板351与第二挡板352的水平段在上下方向相互错开，以此，第一挡板351与第二挡板352之间界定出只允许水蒸气通过，而飞溅的液态重金属无法通过的气流通道。

结合图1，在该实施例中，安全罐2内部装有冷凝水，第二管线42与安全罐2连接一端的管口延伸至冷凝水的液面下，从第二管线42流出的高温高压水蒸气与冷凝水接触换热，具有换热效率高、体积小、内部压力低的优点。

再结合图2，在该实施例中，加热装置5可包括第一伴热丝51，第一伴热丝51缠绕在第一管线41以及安全阀的外部，用于对第一管线41以及安全阀加热，使其内部的液态重金属的温度始终保持在其熔点以上，避免重金属凝固而堵塞第一管线41。优选地，第一伴热丝51的缠绕范围涉及第一管线41的全管段。可以理解地，加热装置5也可以是其他能够对第一管线41进行加热的设备，如发热线圈、发热片等，这些加热装置5在布置时也应该尽可能地涉及第一管线41的全管段。

一回路1a正常运行时，该安全系统不启动，其处于备用状态。当蒸汽发生器传热管发生破裂后，一回路1a压力瞬间升高，当压力达到安全阈值时，安全阀自动打开，一回路1a的高温高压水蒸气和液态重金属的混合介质经第一管线41流向滤罐过滤液态重金属，过滤后的高温高压水蒸气进入安全罐2进行冷凝卸压。在上述过程中，反应堆容器1与过滤罐31间的第一管线41及安全阀处于加热状态。

本发明具有以下优点：

本发明在反应堆容器1和安全罐2之间设有过滤罐31，有效解决了现有安全系统中液态重金属直接进入安全罐2，凝固导致安全罐2入口管道堵塞的问题，提高了蒸汽发生器传热管破裂事故下液态重金属反应堆的安全性；

本发明采用了双腔室过滤罐31，上腔室311和下腔室312用交错孔板32隔离，避免液态重金属飞溅至第二管线42的管口，同时，位于上腔室311的第一管线41的管段也设有加热丝，第二管线42的管口处设有挡板组件35作为第二保护屏障，提高装置安全可靠性；

本发明过滤罐31底部设有可拆卸的丝网34和导流件33，既可以缓冲第一管线41管口喷射的液态重金属与高温高压水蒸气的混合介质冲击射流对过滤罐31底部造成的冲击，提高过滤罐31使用寿命，又可以防止高速运动的水蒸气携带破碎的重金属液滴向上运动进入上腔室311，进一步提高装置安全可靠性。

第二实施例：

结合图3，在本发明的第二实施例中，液态重金属反应堆安全系统除了包括第一实施例中的各设备外，还包括主动排放管线7以及泄放阀8，加热装置5还包括第二伴热丝52；主动排放管线7连接反应堆容器1与过滤罐31，泄放阀8设置在主动排放管线7上，在当第一管线41出现意外堵塞情况时，可以通过开启泄放阀8，实现主动泄放，保证一回路1a及反应堆容器1处于安全阀的安全阈值内。第二伴热丝52缠绕在主动排放管线7以及泄放阀8的外部，用于对主动排放管线7以及泄放阀8加热，使其内部的液态重金属的温度始终保持在其熔点以上，避免重金属凝固而堵塞主动排放管线7。

第三实施例：

结合图4，在本发明的第三实施例中，液态重金属反应堆安全系统除第一实施例或第二实施例包括的设备外，还包括设置在过滤罐31下方的收集罐9、第三管线11以及排放阀10，加热装置5还包括第三伴热丝53。第三管线11连接过滤罐31与收集罐9，排放阀10设置在第三管线11上，用于将过滤罐31中的液态重金属通过第三管线11排放至收集罐9内。第三伴热丝53缠绕在过滤罐31、第三管线11以及排放阀10的外部，用于对过滤罐31、第三管线11以及排放阀10加热，使其内部的液态重金属的温度始终保持在其熔点以上，避免重金属凝固而停留在过滤罐31内无法排出或堵塞第三管线11以及排放阀10。当过滤罐31中的重金属需要排放时，启动第三伴热丝53加热过滤罐31、过滤罐31与收集罐9连接管线4及排放阀10，使液态重金属的温度高于其熔点，打开排放阀10，过滤罐31中的液态重金属在重力驱动下流入收集罐9，进行储存，待后续处理。

可以理解地，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。