第３４卷第６期 核动力工程 Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｖ０１．３４．ＮＯ．６ Ｄ ｅ ｃ．２ ０ ｌ ３ ２ ０ １ ３年１ ２月 文章编号：０２５８—０９２６（２０ １ ３）０６—０ １ ０７—０４ １ ０ ＭＷ熔盐堆非能动余热排出系统概念设计 孙露，孙立成，阎昌琪，法丹，赵行斌 哈尔滨工程大学核科学与技术学院，哈尔滨，１５０００１ 摘要：以美国橡树岭国家实验室设计的ｌ０ Ｍｗ熔盐实验堆（ＭＳＲＥ）作为研究对象，提出一种满足安全 要求的非能动余热排出系统概念设计，给出系统回路的构成、主要设备及主要设计参数。同时对此系统的自 然循环特性、排热能力等热工水力性能进行计算分析，结果表明，所设计的非能动系统可以满足反应堆余热 排出要求，并具有相当的安全裕量，同时系统排热规律与排盐罐内的衰变热释放过程较为接近，确保熔盐温 度平稳降低。 ‘ 关键词：熔盐堆；非能动；余热排出系统；概念设计 中文分类号：ＴＬ３３４ 文献标志码：Ａ １ 前言 熔盐堆是先进核能系统的候选堆芯之 一，它满足核能的可持续性、安全可靠性和经济 水塔 性的要求。１９６５年至１９６９年，美国橡树岭国家 实验室（ＯＲＮＬ）完成了ｌ０ Ｍｗ熔盐实验堆（ＭＳＲＥ） 设计、建造并成功运行了１３０００ ｈ，还研究了氟化 锂／氟化铍熔盐、石墨慢化剂等的特性，证明了熔 盐堆商业应用的可行性【】】。ＭＳＲＥ的余热排出系 统在冷却水的输水线路出现故障或其他原因，导 致冷凝器无法正常工作时，整个系统将无法正常 图１ ＭＳＲＥ余热排出系统流程图 工作。此外，系统设备的冗余也增加了故障率， Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗｓｈｅｅｔ ｏｆ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｈｅａｔ Ｒｅｍｏｖａｌ 给维修带来不便，同时经济性也会下降。本文在 ＳｙｓｔｅｍｆｏｒＭＳＲＥ ＭＳＲＥ余热排出系统的基础上，引入非能动设计 对系统进行改进，并对系统的工作特性进行分析。 ３熔盐堆非能动余热排出系统概念设计 ３＿１ 系统简介 ２熔盐堆余热排出系统简介 针对ＭＳＲＥ设计的非能动余热排出系统（图 在ＭＳＲＥ的设计中，熔盐堆停堆后，系统将 ２），主要由排盐罐、汽包、空气冷却器、空气导 液态燃料盐排入排盐罐中；汽包内冷却水通过套 流罩、给水箱、补水箱以及相应的阀门和管道组 管式换热元件的进水管向下流动，在套管底部折 成。系统在正常运行时无需人为干预，即可实现 流向上，被管壁加热，产生沸腾，蒸汽沿上升环 余热排出。排盐罐换热元件首先与熔盐进行换热， 腔进入到排盐罐上方的汽包；汽包内的蒸汽沿着 产生的蒸汽由空气冷却器冷却凝结，凝液在重力 蒸汽管线流向冷凝器，凝液在重力的作用下又返 作用下回返回到汽包中，形成自然循环；空气从 回到汽包中，并进入进水管，形成自然循环，带 空气导流罩底部进入，通过自然对流带走空气冷 走余热［２，３１。此外通过专设冷却塔中冷却水的强迫 却器的散热。由于系统了设备数量减少，提高了 循环带走冷凝器内的热量。系统流程见图ｌ。 系统的安全可靠性。 收稿日期：２０１２．１０．１０；修回日期：２０１３－１０－１１ １０８ 核动力工程 排盐罐 图２ ＭＳＲＥ非能动余热排出系统流程图 Ｆｉｇ．２ Ｆｌｏｗｓｈｅｅｔ ｏｆＰａｓｓｉｖｅ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｈ６ａｔ Ｒｅｍｏｖａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＭＳＲＥ ３．２非能动余热排出系统主要设备 （１）排盐罐：排盐罐用于储存能继续产生衰 变热的熔盐，并将余热由换热元件导出，排盐罐 的体积决定了燃料盐在罐中不可能达到临界。在 排盐罐内布置有３２根套管式换热元件；换热元件 围绕排盐罐中心圆周形布置，外圆布置２０根，内 圆布置１２根。换热元件在汽包中的进水口有２ 种高度，相邻换热元件的进水口高度不同，因此 可以通过调节汽包内凝水液位来改变投入工作的 换热元件数量，以适应熔盐余热排出速率的要求。 排盐罐及换热元件主要设计参数见表ｌ。 （２）汽包：汽包的初始压力接近于常压，汽 表１非能动余热排出系统主要设备设计参数 Ｔａｂｌｅ １ Ｍａｉｎ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆＦｕｅｌ Ｄｒａｉｎ Ｔａｎｋ 设备 参数名称 参数值 设计承受压力／ｋＰａ ４４８．２ 设计承受温度／￣Ｃ ７０４．４ 换热元件数量／根 ３２ 排盐罐 外层套管外径／ｍｍ ３８．１ 中间套管外径／ｍｍ ２５．４ 进水管外径／ｒｍ １２．７ 设计散热功－￣／ｋＷ １Ｏ０ 管排数，个 ４ 管内径／ｍｍ １６ 管外径／ｍｍ ２０ 翅片高度／ａｒｍ ９ 翅间距／ｍｍ ｌ３．９ 空气冷却器 翅片管数量／根 ｌｌ４ 光管总换热面积，ｍ ｌ４ ４ 风筒高度／ｍ ９ ２９ 风筒底部直径／ｍ ｌ３５ 设计散热功率，ｋｗ １ＯＯ 包内的压力波动对换热元件的换热性能会产生一 定的影响。ＭＳＲＥ余热排出系统通过调节冷凝器 的循环冷却水流量来控制凝水温度以及汽包压 力，从而使汽包压力维持在一个比较稳定的区域。 在非能动系统中，系统利用自身的调节功能来保 证系统始终处于正常工作状态。系统投入使用后， 汽包内的压力会发生波动，当外界环境的影响导 致空气冷却器散热功率小于排盐罐散热功率时， 蒸汽冷凝的速度小于蒸汽产生的速度，汽包内压 力升高，换热元件产生的蒸汽量减小；当空气冷 却器的散热功率大于排盐罐的散热功率时，蒸汽 冷凝的速度大于蒸汽产生的速度，汽包内压力降 低，此时汽包内会发生闪蒸，同时压力升高，从 而缓解汽包内的压力波动。汽包的主要技术参数 为：外径１２１９ ｍｒｒｌ；高度４５８ ｍｍ；蒸汽出口管径 ７６ｍｍ；凝水进口管径２５ ｍｍ。 （３）空气冷却器：采用自然通风式空气冷却 器，利用风筒内空气的自然循环，将余热最终排 到大气之中。空冷器选择Ｌ型高翅片换热管，采 用单管程设计，管排三角形排列。换热面积设计 以空冷器垂直放置及额定压力为基准计算，空气 冷却器倾斜放置，其主要设计参数见表ｌ。 （４）给水箱及补水箱：系统正常运行时，蒸 汽在空冷器内冷凝后直接返回到汽包内，给水箱 处于备用状态。当需要降低排盐罐散热功率时， 空气冷却器的凝水通过三通阀进入给水箱中，从 而使汽包内的液位降低，减少换热元件的投入使 用量。当需要重新提高排盐罐散热功率或者正常 运行时汽包内液位过低时，给水箱开始工作，并 向汽包内充水。当给水箱液位过低时，补水箱向 给水箱内补充冷却水。 ４ 系统热工水力特性计算模型 非能动余热排出系统由３ 个耦合的自然循环 过程将余热导出，本文采用Ｃ语言编程对系统流 动和传热过程进行计算，对于系统内两相流动过 程中的压降，采用均相流模型进行计算，管内的 总压降△ｕＰ为： ： Ｄ ｌｌ ２ｌ＋ ｖｌ ＪＩ ＋ ｇ ｓｉｎ ０ Ｌ ￣Ｉｎ ｌ 孙露等：１０ＭＷ熔盐堆非能动余热排出系统概念设计 ，＝ ＝０．０７９ｆ兰 ）－０＿２ “ 式中，Ｇ为冷却水质量流速；ｖ 和ｖ 分别为饱 和水及饱和蒸汽的比容；Ｌ。为换热元件总长度； Ｄ为当量直径；Ｘ为冷却水出口质量含气率；０为 换热元件与水平面的夹角； 为两相流平均动力 黏度。 自然循环过程中的沿程阻力系数 和局部阻 力系数 分别由Ｄａｒｃｙ Ｗｅｉｓｂａｃｈ公式计算。沸腾 换热过程采用文献【４］的Ｌａｚａｒｅｋ．Ｂｌａｃｋ公式计算； 空气冷却器的水平管内凝结换热系数采用Ａｋｅｒｓ 关系式计算［５１；空气横掠Ｌ型翅片管管外换热系 数ｈｏ，根据国产高低翅片管的几何尺寸，采用 Ｂｒｉｇｇｓ简化关系式计算。 已知余热排出系统投入使用初始时刻燃料盐 的温度以及衰变功率，根据文献【６】提供的方法， 可以计算出排盐罐的散热功率以及蒸汽的产量， 进而可以计算出熔盐温度。根据空气冷却器与汽 包之间的自然循环过程，可以得出空气冷却器的 散热功率以及蒸汽的凝结量。利用蒸汽产量与凝 结量的变化可以得出汽包内压力在余热排出过程 中的变化规律。 ５特性分析 熔盐堆停堆后，系统将温度为６６３ｏＣ的熔盐 排入反应堆下方的排盐罐中，燃料盐的初始衰变 功率为１００ ｋＷ，并在３０ ｈ内下降到初始功率的 ３０％以下。余热排出过程中，随着燃料盐衰变功 率的逐渐下降，在３２根换热元件全部投入使用的 条件下，排盐罐散热功率、空冷器散热功率、熔 盐温度、系统蒸汽生成量随时间变化规律见图３。 计算结果表明，排盐罐及空冷器的散热功率、 蒸汽质量流量、熔盐温度随着熔盐衰变功率的迅 速下降而下降，且下降趋势与衰变功率下降趋势 基本一致，并最终处于一个相对比较平缓的区域； 排盐罐和空冷器的最大散热功率分别为１０７．５８、 １０７．８ ｋＷ，计算值略大于设计值。稳态运行时， 空冷器的散热功率始终略大于排盐罐的散热功 率，且二者均大于熔盐的衰变功率。熔盐的熔点 温度为４５８￣Ｃ，在换热元件全部投入使用的条件 下，系统在运行１ ８．５ ｈ后就能将熔盐温度降低到 熔点以下，因此在热停堆时，为防止熔盐凝固， 可在系统运行约１５ ｈ后（熔盐温度４８５ｏＣ）降低 ≥ 褂 垛 ｂＤ ＼ ｊ旺ｆ 餐 ｛ｌ｝２； 图３ 系统参数随时间变化图 Ｆｉｇ．３ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆｔｈｅ Ｓｙｓｔｅｍ 汽包液位以减少换热元件的使用量，从而降低系 统散热功率。 ６结论 针对ＯＲＮＬ １０ＭＷ熔盐堆，本文设计了一个 新的非能动余热排出系统，给出了系统主要部件 的设计参数，并通过专用程序对系统的热工水力 特性进行计算分析，该系统完全可以满足反应堆 的散热需求。 （１）整个系统由３个耦合的自然循环过程组 成，完全实现非能动，同时减少了系统设备，提 高了系统的固有安全性。 （２）稳态运行时，空气冷却器散热功率始终 略高于排盐罐换热元件的散热功率，且二者均高 于燃料盐的衰变功率，因此，非能动余热排出系 统可以满足反应堆的排热要求。 ｌｌ０ 核动力工程 Ｖｌ０１．３４．ＮＯ．６．２Ｏｌ３ （３）余热排出过程中，系统具有一定的自动 调节能力，能通过汽包自动调节系统压力，同时 系统排热规律与熔盐的衰变热释放过程较为接 近，确保系统运行时平稳正常。 参考文献 【３】Ｂｅａｌｌ Ｓ Ｅ．ＭＳＲＥ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｐｍ‘ａｔｉｏｎ Ｒｅｐｏｒｔ Ｖ【Ｒ］． ０ＲＮＬ．０７３２ Ｕ Ｓ Ａｔｏｍｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ．１ ９６５： ７４＿８１． 『４１ Ｓｕｎ Ｌｉ．ｃｈｅｎｇ．Ａｎ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ卜Ｉｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｆｌ０Ｗ Ｂ０ｉｌｉｎｇ Ｈｅａｔ ｌ＇ｒａｎｓｆｅ１‘ｉｎ Ｍｉｎｉ． Ｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｊ１．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａＩ ＪｏｕｌｎａＩ ｏｆ Ｈｅａｔ ａｎｄ ＭａＳＳ Ｔｒａｎｓｆｅ ｒ．２００９，５２（２３）：５３２３．５３２９． 【５］马义伟．空冷器设计与应用【Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大 学出版社，１９９８． …１秋穗正，张大林．新概念熔盐堆的固有安全性及相关 关键问题研究…．原子能科学技术，２００９，４３（Ｓ １）： ６４—７５． ［６］孙露，孙立成，阎昌琪．ＯＲＮＬ １０ ＭＷ熔盐实验堆排 盐罐冷却系统热工水力特性分析【Ｊ］＿核技术，２叭２， ３５（１０），７９０—７９４． 【２】Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ Ｒ Ｃ．ＭＳＲＥ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｒｅｐｏ￣Ｉ 【ＲＩ．ＯＲＮＬ－０７２８．Ｕ Ｓ Ａｔｏｍｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ． １ ９６５：２０５．２４３． Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｈｅａｔ Ｒｅｍｏｖａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆＯｒ １ ０ ＭＷ Ｍｏｌｔｅｎ Ｓａｌｔ Ｒｅａｃｔｏｒ ＳＵＮ Ｌｕ，ＳＵＮ Ｌｉ－ｃｈｅｎｇ，ＹＡＮ Ｃｈａｎｇ—ｑｉ，ＦＡ Ｄａｎ，ＺＨＡＯ Ｈａｎｇ—ｂｉｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＮｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ，１５０００１，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｓｓｉｖｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｈｅａｔ ｒｅｍｏｖａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｏｒ ｌ ０ ＭＷ Ｍｏｌｔｅｎ Ｓａｌｔ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ（ＭＳＲＥ）ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｖ ＯＲＮＬ．Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，ｍａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｍａｉｎ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｒｍａ１．ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｎａｔｕｒａｌ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｅａｔ ｒｅｍｏｖａｌ ａｂｉｌｉｔｙ ｗｅｒｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ．ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｒｌ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｒｅｍｏｖａｌ ａｎｄ ｈａｓ ｅｎｏｕｇｈ ｓａｆｅｔｙ ｍａｒｇｉｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ． ｔｈｅ ｈｅａｔ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ ｏｆ ｈｅ ｓｔｙｓｔｅｍ ｉＳ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｃａｙ ｈｅａｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ．ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｌｔｅｎ ｓａｌｔ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｓｔｅａｄｉｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍｏｌｔｅｎ ｓａｌｔ ｒｅａｃｔｏｒ，Ｐａｓｓｉｖｅ．Ｈｅａｔ ｒｅｍｏｖａ１ ｓｙｓｔｅｍ Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｄｅｓｉｇｎ 作者简介： 孙露（１９９Ｏ一），男，硕士研究生，２０１２年毕业于哈尔滨工程大学核科学与核技术专业，获学士学位。现从事反 应堆热工水力研究工作。 孙立成（１９７３一），男，教授，２００５年毕业于哈尔滨工程大学核能科学与工程专业，获博士学位。现从事两相流动 与沸腾传热研究工作。 阎昌琪（１９５５一），男，教授，博士生导师。１９８０毕业于哈尔滨船舶工程学院核动力装置专业，获硕士学位。现从 事强化传热与反应堆热工水力研究工作。 （责任编辑：王中强）
