[發明專利]一體化氣態氧控裝置以及鉛基快中子反應堆

在審

• 申請號: 201710911530.5
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107945892A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 陳釗;曾獻;張勇;石秀安;林繼銘
• 申請（專利權）人: 中廣核研究院有限公司;嶺東核電有限公司;中國廣核集團有限公司;中國廣核電力股份有限公司
• 主分類號: G21C15/16
• 分類號: G21C15/16;G21C15/28
• 代理公司: 深圳匯智容達專利商標事務所(普通合伙)44238
• 代理人: 潘中毅,熊賢卿

技術領域

本發明屬于先進核能系統技術領域，具體涉及到一種一體化氣態氧控裝置以及鉛基快中子反應堆。

背景技術

液態鉛基合金（鉛和鉛鉍合金）具有優良的導熱特性和中子學特性，是第四代核電鉛基快中子反應堆（鉛基快堆）和未來先進核能系統ADS的重要候選冷卻劑。但由于鉛基合金在中高溫環境下對結構材料具有很強的腐蝕性，極大地降低了鉛基快中子反應堆的安全性和經濟性。

目前普遍認為，抑制鉛基合金腐蝕效應的最有效手段是控制液態鉛基合金中的氧濃度含量。其原理在于：將鉛鉍合金中氧濃度保持在一定范圍內，使結構材料表面形成一層致密的氧化膜，阻止鉛鉍合金進一步滲透到鋼材內部，從而起到防腐作用。

現有鉛基合金氧控方法主要包括氣態氧控和固態氧控兩種。氣態氧控就是利用注入反應氣體的物理化學反應來控制鉛鉍中溶解氧濃度的方法。最初采用Ar/H₂/O₂三元氣體實現控氧，其中Ar氣作為載氣，起到稀釋氫氣（H₂）或氧氣（O₂）含量作用，以減小H₂氣爆炸的危險性。

目前國際上主流的氣態氧控技術可分為堆外氣態氧控技術和堆內氣態氧控技術。

堆外氣態氧控技術是指將反應堆內的液態鉛基冷卻劑抽出堆外，通過堆外氣態氧控箱進行氧濃度調節，將滿足氧濃度控制要求的液態鉛基冷卻劑充回反應堆，實驗堆外氧濃度控制。堆外氣態氧控技術可滿足反應堆大規模冷卻劑氧濃度調節的需要，但其需要將堆內帶有放射性的冷卻劑抽離堆外進行處理，一旦冷卻劑管道破裂將造成放射性物質泄漏，存在較大的安全隱患，安全性低。而且，堆外氣態氧控技術需要一套龐大而復雜的鉛鉍工藝系統持續，技術過于復雜，工程可行性低。

堆內氣態氧控技術是指將控制氣體直接注入堆內冷卻劑中，目前堆內氣態氧控包括兩種方式。一種是將控制氣體充入堆內覆蓋氣體中，通過液態鉛基合金靜止表面與覆蓋氣體的接觸，實現氧濃度控制。該方法存在調節速度慢、供氧效率低等缺陷，難以滿足鉛基快中子反應堆工程化應用的需求，目前僅用于鉛基合金實驗回路中。另一種是將控制氣體注入液態鉛基合金，利用氣泡與液態鉛基合金接觸，實現液態鉛基合金的氧濃度控制。但該方法需要向堆內注入大量氣體，會對反應堆的正常運行造成影響，一旦鉛基冷卻劑夾帶氣泡進入堆芯，將造成嚴重的反應堆事故。因此，目前該方法僅應用于堆芯外圍的冷卻劑停滯區，用于小范圍氧濃度調節使用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于，提供一種一體化氣態氧控裝置及鉛基快中子反應堆，可克服現有氣態氧控技術的不足，通過利用超微細氣泡原理提高氣態氧控效率，通過特殊氣液分離結構實現氣態氧控裝置的一體化設計，從而可有效提高氣態氧控技術的工程可行性和安全性，降低系統的復雜性和運行維護成本。

為解決上述技術問題，本發明實施例提供一種一體化氣態氧控裝置，其適用于鉛基快中子反應堆，包括：

氣體注入器，用于向所述鉛基快中子反應堆的冷卻液中注入控制氣體，并產生超微細氣泡；

柱狀提升管，其為上下敞口的環形柱狀殼體結構，所述氣體注入器的下端容納于所述柱狀提升管內部，所述柱狀提升管的內壁與所述氣體注入器的外側形成環形腔室，為控制氣體和冷卻液形成的氣液混合流體的流動提供通道；

氣液分離室，位于柱狀提升管上方并與所述柱狀提升管相固定，所述氣液分離室內部與所述柱狀提升管的頂端相連通，且在所述氣液分離室底部與所述柱狀提升管外壁之間存在液體排出口，供在氣流分離室中分離出的冷卻液向下流出；

氣液分離室上方設置有至少一個氣體排出口，用于將在氣流分離室中分離出的控制氣體排出；

其中，氣體注入器的一端穿所述氣流分離室的頂部；所述柱狀提升管與所述氣體注入器的下端至少一部分位于所述冷卻液的液面之下；所述氣液分離室位于所述冷卻液的液面之上。

其中，所述氣體注入器包括聯通管和與所述聯通管連通的多個噴嘴葉片，所述多個噴嘴葉片以陣列形式從上到下分布在聯通管外圍，在每一噴嘴葉片的端部設置有微型孔，所述微形孔的孔徑處于1-50μm之間，用于產生包含有控制氣體的超微細氣泡。

其中，所述冷卻液為液態鉛基合金，所述氣液混合流體為所述超微細氣泡和液態鉛基合金的混合流體。

其中，所述控制氣體為氧化氣體、還原氣體和載氣三種氣體的混合物，其中，所述載氣為氬氣，所述氧化氣體為空氣或氧氣，所述還原氣體為氫氣。