核反应堆和核反应堆中氧气浓度的控制方法

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，具体地，涉及一种使用液态金属作为冷却剂的核反应堆和核反应堆中氧气浓度的控制方法。

背景技术

核反应堆，又称为原子能反应堆或反应堆，是能维持可控自持链式核裂变反应，以实现核能利用的装置。核反应堆中的一回路中具有冷却剂，冷却剂需要循环流动以连续不断地把堆芯中核燃料裂变反应释放的热能传送给蒸汽发生器以产生蒸汽，从而驱动汽轮机做功，保证核反应堆中的一回路系统可靠工作。其中根据冷却剂循环的方式，核反应堆分为冷却剂强制循环的反应堆和冷却剂自然循环的反应堆。

发明内容

本申请是发明人在对以下事实和技术问题的发现和认识的基础上作出的。

相关技术中的冷却剂强制循环的反应堆需要在容器内设置复杂的冷却管路，结构相对复杂，反应堆的体积相对较大；相关技术中的冷却剂自然循环的反应堆，冷却剂的流动速度相对较低，降低了反应堆工作的安全性和可靠性。

对于使用液态金属(例如铅)的核反应堆，例如铅冷快堆，存在冷却剂在高温环境下容易腐蚀反应堆内部件的问题。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明提出了一种核反应堆,该核反应堆能够有效地减缓结构材料的腐蚀的同时，减少了核反应堆的体积，提高冷却剂循环流动速度。

本发明还提出一种核反应堆中氧气浓度的控制方法，所述核反应堆中氧气浓度的控制方法可以实时反馈液态金属冷却剂内的氧气浓度信息，实现氧气量的精准控制。

根据本发明的第一方面的实施例的核反应堆包括：反应堆容器，所述容器内具有液态金属冷却剂；堆芯，所述堆芯设在所述反应堆容器内的中下部；蒸汽发生器，所述蒸汽发生器设在所述反应堆容器外围环腔内；控制棒组件，所述控制棒组件设在所述反应堆容器内且位于所述堆芯正上方；供气装置，所述供气装置包括出气口，所述出气口位于所述堆芯上方且与所述堆芯在上下方向上间隔开，所述供气装置将氧气和循环控制气体通过所述出气口输送到所述液态金属冷却剂内；测氧装置，所述测氧装置用于检测所述液态金属冷却剂内的氧浓度；氧气调节装置，所述氧气调节装置与所述供气装置和所述测氧装置相连以根据所述测氧装置检测到的氧浓度调节所述供气装置输送到所述液态金属冷却剂内的氧气量。

根据本发明实施例的核反应堆，通过设置氧气调节装置、供气装置和测氧装置，且供气装置和测氧装置与氧气调节装置相连，可以根据测氧装置的检测信息，利用氧气调节装置调节供气装置的供氧流量，使液态金属冷却剂中通入的氧气量既适于增大液态金属冷却剂的流动速度，增大核反应堆的供能效率，又可以在保护核反应堆内的结构件不被腐蚀得同时，避免金属氧化物析出，保证液态金属冷却剂的稳定性和换热能力。另外，气泡适于在密度差的作用下自主上浮，不需要设置专门的流动管路和驱动设备，达到优化反应堆容器内空间布局，减小核反应堆体积的目的。

在一些实施例中，所述液态金属冷却剂的液面距离所述反应堆容器的内顶面预定距离以形成循环控制气体容纳空间，所述供气装置具有与所述循环控制气体容纳空间连通的循环控制气体进口。

在一些实施例中，所述核反应堆还包括筒形件，所述筒形件设在所述反应堆容器内且位于所述堆芯上方，所述出气口位于所述筒形件内。

在一些实施例中，所述筒形件和所述堆芯大体同轴布置且所述筒形件的横截面积大于所述堆芯的横截面积，所述出气口在所述堆芯的径向方向上位于所述堆芯的外侧且与所述堆芯在所述堆芯的径向方向上间隔开。

在一些实施例中，所述控制棒组件的一部分位于所述筒形件内，所述控制棒组件与所述筒形件的内周壁面之间形成环形区域，所述供气装置的出气口位于所述环形区域内。

在一些实施例中，所述蒸汽发生器设在所述筒形件的外周壁面和所述反应堆容器的内周壁面之间。

在一些实施例中，所述供气装置包括用于存储氧气的氧储存器和与所述氧储存器相连的气泵，所述氧气调节装置与所述氧储存器相连以根据所述测氧装置检测到的氧浓度调节从所述氧气存储器供给到所述气泵的氧气量。

在一些实施例中，所述供气装置还包括：第一管，所述第一管的第一端与所述气泵相连；第二管，所述第二管套在所述第一管外面，所述第二管的第一端与所述气泵相连，所述第一管和所述第二管之间形成环形通道，所述第二管上设有循环控制气体进口，所述液态金属冷却剂的液面距离所述反应堆容器的内顶面预定距离以形成循环控制气体容纳空间，所述循环控制气体容纳空间与所述循环控制气体进口连通以便所述循环控制气体通过所述循环控制气体进口进入所述环形通道；混合器，所述混合器与所述第一管的第二端和所述第二管的第二端相连，用于混合所述第一管内的氧气和所述环形通道内的循环控制气体，所述出气口形成在所述混合器上。

在一些实施例中，所述第一管和所述第二管均沿上下方向延伸，所述循环控制气体为惰性气体，所述出气口形成在所述混合器的顶部。

在一些实施例中，所述测氧装置的测氧点为多个，其中一个测氧点大体位于所述液态金属冷却剂的液面。

根据本发明的第二方面的实施例的核反应堆中氧气浓度的控制方法包括以下步骤：

通过供气装置向核反应堆中的液态金属冷却剂内供应氧气和循环控制气体，所述供气装置包括出气口，所述出气口位于堆芯上方且与所述堆芯在上下方向上间隔开；通过测氧装置检测所述液态金属冷却剂内的氧浓度；根据所述测氧装置检测到的氧浓度，通过氧气调节装置调节所述供气装置输送到所述液态金属冷却剂内的氧气量。

根据本发明实施例的核反应堆中氧气浓度的控制方法，通过利用测氧装置检测液态金属冷却剂内的氧浓度，并根据测氧装置检测到的氧浓度调节供气装置输送到液态金属冷却剂内的氧气量，可以实时反馈液态金属冷却剂内的氧气浓度信息，实现氧气量的精准控制，进而使液态金属冷却剂中通入的氧气量既适于增大液态金属冷却剂的流动速度，增大核反应堆的供能效率，又可以在保护核反应堆内的结构件不被腐蚀得同时，避免金属氧化物析出，保证液态金属冷却剂的稳定性和换热能力。

在一些实施例中，步骤通过供气装置向核反应堆中的液态金属冷却剂内供应氧气和循环控制气体包括：通过气泵从氧储存器内向所述液态金属冷却剂内供应氧气。

在一些实施例中，步骤通过氧气调节装置调节所述供气装置输送到所述液态金属冷却剂内的氧气量包括：所述氧气调节装置调节从所述氧气存储器供给到所述气泵的氧气量；将气泵内的氧气量输送到所述液态金属冷却剂内。

在一些实施例中，所述循环控制气体为惰性气体。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的核反应堆的示意图。

图2是根据本发明的实施例的核反应堆的供气装置的示意图。

附图标记：

核反应堆1；

反应堆容器10；

堆芯20；

蒸汽发生器30；

控制棒组件40；

供气装置50；出气口501；循环控制气体进口502；储存器503；气泵504；第一管505；第二管506；混合器507；

测氧装置60；

氧气调节装置70；

筒形件80。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，根据本发明实施例的核反应堆1包括反应堆容器10、堆芯20、蒸汽发生器30、控制棒组件40、供气装置50、测氧装置60、氧气调节装置70和筒形件80。

反应堆容器10内具有液态金属冷却剂，堆芯20设在反应堆容器10内的中下部。可以理解的是，液态金属冷却剂用于对堆芯20冷却，金属冷却剂在反应堆容器10内流动并将堆芯20产生的热能载带出核反应堆1，实现核反应堆1的热能输出。

蒸汽发生器30设在反应堆容器10的外围环腔内。蒸汽发生器30可以与金属冷却剂进行热交换以在蒸汽发生器30内形成高温蒸汽，高温蒸汽可以进入汽轮机做功，从而将核反应堆1产生的热能转换成电能或机械能。

控制棒组件40设在反应堆容器10内且位于堆芯20的正上方，控制棒组件40可以用来补偿燃料消耗和调节反应速率，且在核反应堆1出现异常时，控制棒组件40可以快速停止链式反应，避免核反应堆1出现事故。

供气装置50包括出气口501，出气口501位于堆芯20上方且与堆芯20在上下方向上间隔开，从而可以避免出气口501与堆芯20发生干涉，保证出气口501出气的顺畅性。

供气装置50将氧气和循环控制气体通过出气口501输送到液态金属冷却剂内。如图1所示，堆芯20设在反应堆容器10内的中下部，出气口501位于邻近堆芯20上端的位置处，经出气口501排出的氧气和循环控制气体进入液态金属冷却剂内后可以形成气泡，气泡适于沿液态金属冷却剂的流路上浮，随着距离液态金属冷却剂的液面越来越近，气泡受到压力不断减小，体积不断增大，从而带动冷却剂系统的整体流动，进而增强核反应堆1的供热效率。

另外，液态金属冷却剂在高温环境下具有较强的腐蚀性，而将氧气通入液态金属冷却剂中，可以使核反应堆1内与液态金属冷却剂直接接触的结构件表面氧化，利用形成在结构件表面的氧化膜，将液态金属冷却剂与结构件隔开，避免结构件内部腐蚀，提高核反应堆1的使用寿命和安全性。

测氧装置60用于检测液态金属冷却剂内的氧浓度，氧气调节装置70与供气装置50和测氧装置60相连以根据测氧装置60检测到的氧浓度调节供气装置50输送到液态金属冷却剂内的氧气量。换言之，测氧装置60检测到的氧气浓度信息反馈至氧气调节装置70，氧气调节装置70根据该信息向供气装置50发出指令，控制供气装置50调节氧气流量。

需要说明的是，由于液态金属冷却剂内具有金属离子的存在，液态金属冷却剂中的氧气浓度过高时，固态金属氧化物会析出液态金属冷却剂，造成液态金属冷却剂污染，液态金属冷却剂中的氧气浓度过低时，会导致金属氧化膜发生热力学溶解，无法保护结构件。

根据本发明实施例的核反应堆，通过设置氧气调节装置、供气装置和测氧装置，且供气装置和测氧装置与氧气调节装置相连，可以根据测氧装置的检测信息，利用氧气调节装置调节供气装置的供氧流量，使液态金属冷却剂中通入的氧气量既适于增大液态金属冷却剂的流动速度，增大核反应堆的供能效率，又可以在保护核反应堆内的结构件不被腐蚀得同时，避免金属氧化物析出，保证液态金属冷却剂的稳定性和换热能力。另外，气泡适于在密度差的作用下自主上浮，不需要设置专门的流动管路和驱动设备，达到优化反应堆容器内空间布局，减小核反应堆体积的目的。

在一些实施例中，如图1所示，液态金属冷却剂的液面距离反应堆容器10的内顶面预定距离以形成循环控制气体容纳空间，供气装置50具有与循环控制气体容纳空间连通的循环控制气体进口502。换言之，循环控制气体容纳空间可以作为循环控制气体的中转空间，循环控制气体容纳空间适于收容从液态金属冷却剂的液面浮出的循环控制气体，也适于向供气装置50提供循环控制气体。

具体地，如图1所示，控制循化气体可以为惰性气体，供气装置50将控制循环气体输送到液态金属冷却剂中后，控制循环气体在密度差的作用下上浮至液态金属冷却剂的液面，由于惰性的控制循环气体不会溶解在液态金属冷却剂内且不会与金属粒子发生化学反应，最终完成一次流动循环的控制循环气体会脱离液态金属冷却剂并储存在循环控制气体容纳空间内。

循环控制气体进口502与循环控制气体容纳空间连通，以便于在下一次流动循环时，从循环控制气体容纳空间内抽取循环控制气体，实现循化控制气体的循环使用。

在一些实施例中，如图1所示，核反应堆1还包括筒形件80，筒形件80设在反应堆容器10内且位于堆芯20上方，出气口501位于筒形件80内。由此，筒形件可以限定出相对独立的收容空间，位于筒形件内的出气口适于与核反应堆内的其他结构件(例如堆芯)间隔开，避免相互干涉，提高核反应堆1运行可靠性。

在一些实施例中，如图1所示，筒形件80和堆芯20大体同轴布置且筒形件80的横截面积大于堆芯20的横截面积，出气口501在堆芯20的径向方向上位于堆芯20的外侧且与堆芯20在堆芯20的径向方向上间隔开。由此，通过设置具有较大横截面的筒形件，可以增大筒形件的内部容纳空间，便于出气口的布置。

在一些实施例中，如图1所示，控制棒组件40的一部分位于筒形件80内，控制棒组件40与筒形件80的内周壁面之间形成环形区域，供气装置50的出气口501位于环形区域内。由此，可以利用筒形件将控制棒组与核反应堆内的其他部件间隔开，以避免其他部件干涉控制棒组，提高控制棒组断开链式反应的可靠性。

另外，如图1所示，供气装置50的部分位于环形区域内，且供气装置50可以为多个，多个供气装置50沿环形区域的周向间隔分布，可以理解的是，位于环形区域内的出气口501输出的混合气体适于在环形区域内上浮，从而可以规避上浮障碍物，提高气体上浮速度，从而加快液态金属冷却剂的流动速率。

在一些实施例中，如图1所示，蒸汽发生器30设在筒形件80的外周壁面和反应堆容器10的内周壁面之间。由此，可以将蒸汽发生器与控制棒组件和出气口间隔开，避免元件之间的相互干涉，同时优化核反应堆内部布局，提高蒸汽发生器与液态金属冷却剂的接触面积，进而提高换热效率。

在一些实施例中，如图2所示，供气装置50包括用于存储氧气的氧储存器503和与氧储存器503相连的气泵504，氧气调节装置70与氧储存器503相连以根据测氧装置60检测到的氧浓度调节从氧气存储器供给到气泵504的氧气量。

具体地，当测氧装置60检测到的液态金属冷却剂中的氧浓度较低时，氧气调节装置70适于根据测氧装置60的检测信息调大氧储存器503的输出流量，气泵504适于将氧气驱动至出气口501。

当测氧装置60检测到的液态金属冷却剂中的氧浓度较高时，氧气调节装置70适于根据测氧装置60的检测信息调小氧储存器503的输出流量。由此，可以利用测氧装置、氧气调节装置和供气装置智能调节液态金属冷却剂内的氧气浓度，保证液态金属冷却剂的稳定性和换热能力。

在一些实施例中，如图1和图2所示，供气装置50还包括第一管505和第二管506，第一管505的第一端(图2中第一管505的上端)与气泵504相连，第二管506套在第一管505外面，第二管506的第一端(图2中第二管506的上端)与气泵504相连，第一管505和第二管506之间形成环形通道，第二管506上设有循环控制气体进口502，液态金属冷却剂的液面距离反应堆容器10的内顶面预定距离以形成循环控制气体容纳空间，循环控制气体容纳空间与循环控制气体进口502连通以便循环控制气体通过循环控制气体进口502进入环形通道。

如图2所示，第一管505沿上下方向延伸，第一管505的上端与气泵504相连，第二管506套在第一管505外面且第二管506与第一管505同向延伸，第二管506的上端与气泵504相连。

第一管505的外周壁与第二管506的内周壁之间形成沿上下方向延伸的环形通道，第二管506上邻近第二管506的上端处设有循环控制气体进口502，循环控制气体容纳空间内的循环气体适于通过循环控制气体进口502流入环形通道。由此，可以优化供气装置的管道布局，降低管道在反应堆容器内的空间占比，同时实现氧气和循环控制气体的同向流动。

混合器507与第一管505的第二端(图2中第一管505的下端)和第二管506的第二端(图2种第二管506的下端)相连，用于混合第一管505内的氧气和环形通道内的循环控制气体，出气口501形成在混合器507上，优选地，出气口501形成在混合器507的顶部。

如图2所示，混合器507与第一管505的下端和第二管506的下端相连，循环控制气体与氧气在混合器507内混合，在需要增加氧气含量时，可以减小循环控制气体的比例，在需要减少氧气含量时，可以增大循环控制气体的比例。

在一些实施例中，测氧装置60的测氧点为多个，其中一个测氧点大体位于液态金属冷却剂的液面，其余测氧点位于液态金属冷却剂的液面以下。由此，可以提高测氧装置的检测数据的准确性，便于对液态金属冷却剂内的氧气含量进行精准控制。

下面参考图1-图2描述根据本发明的一些具体示例的核反应堆1。

如图1-图2所示，核反应堆1包括反应堆容器10、堆芯20、蒸汽发生器30、控制棒组件40、供气装置50、测氧装置60和氧气调节装置70。

堆芯20、蒸汽发生器30、控制棒组件40、供气装置50、测氧装置60、氧气调节装置70和筒形件80设于反应堆容器10外围环腔内，反应堆容器10内具有液态金属冷却剂，液态金属冷却剂的液面与反应堆容器10顶部之间形成有循环控制气体容纳空间。

反应堆容器10的内底壁上设有堆芯20支座，堆芯20放置在堆芯20支座上，筒形件80设于堆芯20正上方，筒形件80的外周面与反应堆容器10的内周面之间具有环形的间隔空间，蒸汽发生器30设于环形间隔空间内且还设于筒形件80的外周。

控制棒组件40设于筒形件80内，控制棒组件40的外底壁与筒形件80的内底壁之间间隔开，控制棒组件40的外周壁与筒形件80的内周壁之间形成有环形的间隔空间，供气装置50沿上下方向穿设于该间隔空间内。

供气装置50包括氧储存器503、气泵504、第一管505、第二管506、混合器507和出气口501，气泵504间隔设置在混合器507的上方，第一管505和第二管506连接在气泵504与混合器507之间，第一管505和第二管506均沿上下方向延伸，第二管506套设于第一管505，第一管505与第二管506之间形成有上下延伸的环形通道。

第一管505和第二管506的上端与气泵504相连，第一管505和第二管506的下端与混合器507相连，出气口501设于混合器507的顶部，出气口501位于筒形件80内且与堆芯20在上下方向上间隔开，第二管506上邻近第二管506的上端处设有循环控制气体进口502，循环控制气体进口502与循环控制气体容纳空间连通。

测氧装置60与氧气调节装置70连接，氧气调节装置70与氧储存器503连接，氧储存器503与气泵504连接，气泵504适于将氧储存器503内的氧气驱动至出混合器507内，循环控制气体容纳空间内的循环控制气体通过循环控制气体进口502流入环形通道内，气泵504适于将循环控制气体驱动至出混合器507内，氧气与循环控制气体混合后通过出气口501排入液态金属冷却剂。

具体地，当测氧装置60检测到的液态金属冷却剂中的氧浓度较低时，氧气调节装置70适于根据测氧装置60的检测信息调大氧储存器503的氧气输出流量，当测氧装置60检测到的液态金属冷却剂中的氧浓度较高时，氧气调节装置70适于根据测氧装置60的检测信息调小氧储存器503的氧气输出流量。

根据本发明实施例的核反应堆中氧气浓度的控制方法，包括以下步骤：

通过供气装置向核反应堆中的液态金属冷却剂内供应氧气和循环控制气体，供气装置包括出气口，出气口位于堆芯上方且与堆芯在上下方向上间隔开。通过测氧装置检测液态金属冷却剂内的氧浓度，根据测氧装置检测到的氧浓度，通过氧气调节装置调节供气装置输送到液态金属冷却剂内的氧气量。

具体地，氧气和循环控制气体会在供气装置内形成混合气体，混合气体适于通过出气口排入液态金属冷却剂中，而后上浮至液态金属冷却剂的液面并脱离液态金属冷却剂，在此过程中，混合气体的上浮可以带动液态金属冷却剂的流动。

根据本发明实施例的核反应堆中氧气浓度的控制方法，通过利用测氧装置检测液态金属冷却剂内的氧浓度，并根据测氧装置检测到的氧浓度调节供气装置输送到液态金属冷却剂内的氧气量，可以实时反馈液态金属冷却剂内的氧气浓度信息，实现氧气量的精准控制，进而使液态金属冷却剂中通入的氧气量既适于增大液态金属冷却剂的流动速度，增大核反应堆的供能效率，又可以在保护核反应堆内的结构件不被腐蚀得同时，避免金属氧化物析出，保证液态金属冷却剂的稳定性和换热能力。

进一步地，步骤通过供气装置向核反应堆中的液态金属冷却剂内供应氧气和循环控制气体包括：通过气泵从氧储存器内向液态金属冷却剂内供应氧气。

进一步地，步骤通过氧气调节装置调节供气装置输送到液态金属冷却剂内的氧气量包括：氧气调节装置调节从氧气存储器供给到气泵的氧气量，并将气泵内的氧气量输送到液态金属冷却剂内。

具体地，气泵驱动氧气从氧气储存器内流入至液态金属冷却剂内，测氧装置检测液态金属冷却剂内的氧气含量后，控制氧气调节装置调节从氧气存储器供给到气泵的氧气量，从而形成一个控制循环，实现液态金属冷却剂内的氧气含量的精准控制。

在一些实施例中，循环控制气体为惰性气体，可以理解的是，惰性的控制循环气体不会溶解在液态金属冷却剂内且不会与金属粒子发生化学反应，由此，将惰性气体作为循环控制气体，可以实现循环控制气体的循环使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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，也可以是电连接或彼此可通讯；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，除非另有明确的限定。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。