一种液态金属双循环模式反应堆装置

技术领域

本发明涉及核能反应堆领域，尤其涉及一种液态金属双循环模式反应堆装置。

背景技术

核能是目前清洁能源中较为成熟可控的一种，为了满足不同场景的应用需求，小型核能反应堆研发已经成为国内外重点关注。在小型核能反应堆的应用方面，小型化和轻量化的需求日益强烈，为了解决传统的核能反应堆系统体积大、系统复杂等问题，常采用液态金属作为冷却剂，液态金属冷却反应堆体积紧凑，系统简单，能够满足人们对于大部分应用场景的需求。常规的液态金属冷却反应堆主要采用液下的机械泵作为驱动力来源，但是由于液态金属具有一定的腐蚀性，在长期使用过程中，高速旋转的机械泵涡轮叶片会存在一定的安全隐患。但是如果单独采用自然循环液态金属反应堆，那么堆芯的功率会受到一定的限制，造成在部分使用场景下无法应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种液态金属双循环模式反应堆装置，利用液态金属的强热膨胀特性与电磁效应特性，采用电磁循环与自然循环耦合的方式，实现反应堆的不同功率负荷调节。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种液态金属双循环模式反应堆装置，包括：反应堆主容器、堆芯、上升管道、膨胀罐、多个电磁泵、多个下降管道和多个换热器；所述堆芯设置在所述反应堆主容器内，所述膨胀罐为设置在所述反应堆主容器上方的空心柱状结构，所述上升管道连接所述膨胀罐和所述反应堆主容器，所述下降管道上下端一一对应连接所述膨胀罐侧壁和所述反应堆主容器侧壁，多个所述电磁泵一一对应设置在多个所述下降管道上，多个所述换热器一一对应设置在多个所述下降管道上，所述换热器位于所述电磁泵上方。

本发明的有益效果是：通过设置电磁泵，有利于利用液态金属的电磁效应特性使液态金属在反应堆装置内进行电磁循环耦合自然循环冷却，在反应堆高功率作用下，使液态金属不和动力泵内部元件接触，减少动力泵元件腐蚀的风险，在反应堆低功率作用下，可关闭电磁泵，仅使用自然循环冷却的方式，可适用于多种使用场景；膨胀罐则有利于在堆芯释放热量时，缓冲液态金属吸热后体积的迅速增大，提高整个反应堆装置的稳定性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述反应堆主容器为空心圆柱状结构，所述反应堆主容器包括：反应堆内隔板、上升腔室和下降腔室，所述反应堆内隔板为和所述反应堆主容器左右内侧壁连接的板状结构，所述上升腔室为所述反应堆主容器在所述反应堆内隔板上方的空间，所述下降腔室为所述反应堆主容器在所述反应堆内隔板下方的空间。

进一步，所述反应堆内隔板上设置有多个流道孔，所述流道孔为通孔，所述堆芯设置在所述上升腔室内部。

采用上述进一步方案的有益效果是：上升腔室有利于堆芯在其中工作释放热量，并利用液态金属在上升腔室内吸收热量，下降腔室则有利于回收放热完成的液态金属，并利用流道孔连通上升腔室和下降腔室，实现液态金属在反应堆装置内的循环流动。

进一步，所述下降管道包括：第一下降管道、第二下降管道和第三下降管道，所述第一下降管道、所述第二下降管道和所述第三下降管道均为管状结构。

进一步，所述第一下降管道两端一一对应连接所述膨胀罐侧壁和所述换热器。

进一步，所述第二下降管道两端一一对应连接所述换热器远离所述第一下降管道端和所述电磁泵。

进一步，所述第三下降管道两端一一对应连接所述电磁泵远离所述第二下降管道端和所述下降腔室侧壁。

采用上述进一步方案的有益效果是：第一下降管道、第二下降管道和第三下降管道有利于从上至下依次串联起膨胀罐、换热器、电磁泵和反应堆主容器，便于液态金属从膨胀罐出来后先经换热器对其进行冷却后，再被电磁泵的所产生的电磁力推动，快速返回反应堆主容器，进而实现液态金属的循环冷却；同时，电磁泵、下降管道和换热器的分布有利于提高液态金属循环冷却过程中的稳定性。

进一步，所述第三下降管道和所述下降腔室侧壁的连接位置高于所述堆芯的顶端。

采用上述进一步方案的有益效果是：当下降管道发生泄漏时，该设置方法有利于避免反应堆主容器内的液态金属流出，使液态金属能一直包裹堆芯，吸收堆芯释放的热量。

进一步，所述上升管道为管状结构，所述上升管道上下端一一对应连接所述膨胀罐底端和所述反应堆主容器顶端。

采用上述进一步方案的有益效果是：上升管道有利于连接膨胀罐和反应堆主容器，将吸热后膨胀的液态金属传输至膨胀罐缓冲，再进行冷却循环。

附图说明

图1为本发明实施例提供的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的反应堆内隔板结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、反应堆主容器；2、堆芯；3、上升管道；4、膨胀罐；5、电磁泵；6、下降管道；7、换热器；11、反应堆内隔板；12、上升腔室；13、下降腔室；61、第一下降管道；62、第二下降管道；63、第三下降管道；111、流道孔。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种液态金属双循环模式反应堆装置，包括：反应堆主容器1、堆芯2、上升管道3、膨胀罐4、多个电磁泵5、多个下降管道6和多个换热器7；所述堆芯2设置在所述反应堆主容器1内，所述膨胀罐4为设置在所述反应堆主容器1上方的空心柱状结构，所述上升管道3连接所述膨胀罐4和所述反应堆主容器1，所述下降管道6上下端一一对应连接所述膨胀罐4侧壁和所述反应堆主容器1侧壁，多个所述电磁泵5一一对应设置在多个所述下降管道6上，多个所述换热器7一一对应设置在多个所述下降管道6上，所述换热器7位于所述电磁泵5上方。

其中，需要理解的是：液态金属的物理特性是吸热后密度降低，体积增大，放热后密度升高，体积减小。

本发明的有益效果是：通过设置电磁泵，有利于利用液态金属的电磁效应特性使液态金属在反应堆装置内进行电磁循环耦合自然循环冷却，在反应堆高功率作用下，使液态金属不和动力泵内部元件接触，减少动力泵元件腐蚀的风险，在反应堆低功率作用下，可关闭电磁泵，仅使用自然循环冷却的方式，可适用于多种使用场景；膨胀罐则有利于在堆芯释放热量时，缓冲液态金属吸热后体积的迅速增大，提高整个反应堆装置的稳定性。

优选的，如图1所示，所述反应堆主容器1为空心圆柱状结构，所述反应堆主容器1包括：反应堆内隔板11、上升腔室12和下降腔室13，所述反应堆内隔板11为和所述反应堆主容器1左右内侧壁连接的板状结构，所述上升腔室12为所述反应堆主容器1在所述反应堆内隔板11上方的空间，所述下降腔室13为所述反应堆主容器1在所述反应堆内隔板11下方的空间。

优选的，如图1和图2所示，所述反应堆内隔板11上设置有多个流道孔111，所述流道孔111为通孔，所述堆芯2设置在所述上升腔室12内部。

采用上述优选方案的有益效果是：上升腔室有利于堆芯在其中工作释放热量，并利用液态金属在上升腔室内吸收热量，下降腔室则有利于回收放热完成的液态金属，并利用流道孔连通上升腔室和下降腔室，实现液态金属在反应堆装置内的循环流动。

优选的，如图1所示，所述下降管道6包括：第一下降管道61、第二下降管道62和第三下降管道63，所述第一下降管道61、所述第二下降管道62和所述第三下降管道63均为管状结构。

优选的，如图1所示，所述第一下降管道61两端一一对应连接所述膨胀罐4侧壁和所述换热器7。

优选的，如图1所示，所述第二下降管道62两端一一对应连接所述换热器7远离所述第一下降管道61端和所述电磁泵5。

优选的，如图1所示，所述第三下降管道63两端一一对应连接所述电磁泵5远离所述第二下降管道62端和所述下降腔室13侧壁。

其中，需要理解的是：多个所述电磁泵5、多个所述下降管道6和多个所述换热器7大致是对称分布在以所述膨胀罐4、所述上升管道3和所述反应堆主容器1为轴线的周围。

采用上述优选方案的有益效果是：第一下降管道、第二下降管道和第三下降管道有利于从上至下依次串联起膨胀罐、换热器、电磁泵和反应堆主容器，便于液态金属从膨胀罐出来后先经换热器对其进行冷却后，再被电磁泵的所产生的电磁力推动，快速返回反应堆主容器，进而实现液态金属的循环冷却；同时，电磁泵、下降管道和换热器的分布有利于提高液态金属循环冷却过程中的稳定性。

优选的，如图1所示，所述第三下降管道63和所述下降腔室13侧壁的连接位置高于所述堆芯2的顶端。

采用上述优选方案的有益效果是：当下降管道发生泄漏时，该设置方法有利于避免反应堆主容器内的液态金属流出，使液态金属能一直包裹堆芯，吸收堆芯释放的热量。

优选的，如图1所示，所述上升管道3为管状结构，所述上升管道3上下端一一对应连接所述膨胀罐4底端和所述反应堆主容器1顶端。

采用上述优选方案的有益效果是：上升管道有利于连接膨胀罐和反应堆主容器，将吸热后膨胀的液态金属传输至膨胀罐缓冲，再进行冷却循环。

下面通过一个实施例来对本发明的工作过程进行说明：

如图1和图2所示，当在上升腔室12内的堆芯2释放热量时，上升腔室12内的液态金属会吸收堆芯2释放的热量，液态金属吸热后密度降低，体积增大，于是液态金属通过上升管道3进入膨胀罐4，经膨胀罐4对大体积的液态金属进行缓冲后，液态金属从第一下降管道61流入换热器7，此时高温的液态金属经换热器7的作用，温度降低，密度增大，体积减小。液态金属流出换热器7后，进入第二下降管道62。

此时，若反应堆功率较低，可不开启电磁泵5，仅利用液态金属在下降管道6内自然循环回到下降腔室13；若反应堆功率较高，需要开启电磁泵5，利用液态金属的电磁效应特性，通过电磁泵5对液态金属施加电磁力，推动液态金属快速回流至下降腔室13。液态金属回流至下降腔室13后，可通过流道孔111由下至上从下降腔室13渗透至上升腔室12，继续利用已经冷却完成的液态金属吸收堆芯2释放的热量。

本发明采用自然循环与电磁耦合自然循环双模式运行，充分利用了液态金属的高热膨胀性与电磁效应，减少了高速旋转的机械泵涡轮叶片在液态金属中腐蚀问题，提高系统的整体运行稳定性及可靠性。

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。

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；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。

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。

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。