專利名稱:用于反應(yīng)堆冷中子源的單相慢化劑自然循環(huán)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種應(yīng)用于反應(yīng)堆冷中子源的単相慢化劑自然循環(huán)裝置，特別涉及應(yīng)用于大功率反應(yīng)堆冷中子源的単相慢化劑自然循環(huán)裝置。
背景技術(shù)：
冷中子是指能量小于Be的晶格切斷能5meV的ー類中子，由于其波長(zhǎng)與物質(zhì)的分子尺度相近，因此被廣泛應(yīng)用于識(shí)別各種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的中子散射實(shí)驗(yàn)中。冷中子源是獲取冷中子的裝置，它的工作原理是令反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱中子穿過慢化劑，從而改變中子能譜，有效増加冷中子的份額。目前國(guó)外許多研究堆上都建造有冷中子源裝置，我國(guó)自行建造的功率為60MW的中國(guó)先進(jìn)研究堆(CARR堆)也計(jì)劃建造大型冷中子源及冷中子應(yīng)用的多個(gè)中子散射孔道，用于多學(xué)科領(lǐng)域微觀結(jié)構(gòu)的識(shí)別和檢測(cè)。
冷中子源的核心系統(tǒng)是慢化劑回路，其中對(duì)于單相慢化劑，慢化劑自然循環(huán)回路一般由換熱器，冷包和兩根傳輸管組成。它們的作用是將冷包中由于中子慢化產(chǎn)生的熱量通過單相自然循環(huán)轉(zhuǎn)移到頂部的換熱器中，再通過外加的制冷系統(tǒng)將換熱器中的熱量帶到常溫。単相慢化劑自然循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不需要任何外加驅(qū)動(dòng)力，僅通過溫差產(chǎn)生的熱虹吸效應(yīng)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，這對(duì)于安全可靠性要求極高的反應(yīng)堆系統(tǒng)具有重要意義。但是單相慢化劑循環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是熱虹吸效應(yīng)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)カ小，循環(huán)速度低，因此換熱能力較小。在以往的實(shí)踐中，單相慢化劑循環(huán)回路多用于小功率反應(yīng)堆的冷中子源。對(duì)于像CARR 堆這樣的大型反應(yīng)堆，單相慢化劑循環(huán)回路的設(shè)計(jì)還是ー個(gè)有待解決的技術(shù)難題。
另ー方面，傳統(tǒng)的単相慢化劑自然循環(huán)回路直接暴露在反應(yīng)堆孔道的真空防爆管內(nèi)。一旦慢化劑回路發(fā)生泄露，慢化劑將氣化并充滿真空管，由于慢化劑多采用氫，氘，甲烷等易燃エ質(zhì)，因此存在著一定的安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述的技術(shù)現(xiàn)狀和傳統(tǒng)單相慢化劑自然循環(huán)回路的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種適應(yīng)大功率反應(yīng)堆冷中子源的単相慢化劑自然循環(huán)裝置。
為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的
—種應(yīng)用于反應(yīng)堆冷中子源的単相慢化劑自然循環(huán)裝置，其特征在干，包括ー個(gè)殼管式換熱器、ー個(gè)帶夾層的下降管、一個(gè)帶夾層的冷包、一個(gè)帶夾層的上升管，所述換熱器的管側(cè)入口連通上升管內(nèi)流道的出口和慢化劑儲(chǔ)罐連接管，換熱器的管側(cè)出口連通下降管的內(nèi)流道的入口 ；換熱器的殼側(cè)入口連通冷源供氣管，換熱器的殼側(cè)出口連通下降管的外夾層的入口 ；下降管的內(nèi)流道出口連通冷包的內(nèi)流道的入口，下降管的外夾層出口連通冷包的外夾層入口 ；冷包的內(nèi)流道出口連通上升管的內(nèi)流道入口，冷包的外夾層出口連通上升管的外夾層，上升管的外夾層下部連通冷源回氣管；換熱器管側(cè)與下降管，冷包，上升管的內(nèi)流道構(gòu)成慢化劑循環(huán)回路，冷源供氣管、換熱器的殼側(cè)、下降管的外夾層、冷包的外夾層、上升管的外夾層和冷源回氣管構(gòu)成制冷劑回路。[0008]上述方案中，位于上升管內(nèi)流道出口與換熱器管側(cè)入口連通處的上升管外夾層具有一封閉的盲端，使上升管外夾層與換熱器殼側(cè)不連通。
所述換熱器殼側(cè)的上端與慢化劑儲(chǔ)罐連接管固聯(lián)；上升管外夾層的盲端與換熱器殼側(cè)固聯(lián)。
在冷包上方罩有ー個(gè)倒置漏斗形的鈹反射體，該反射體直接固定在上升管和下降管的底端。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
首先，慢化劑回路處處被制冷劑包裏，制冷劑流過各段慢化劑通道的外夾層，這樣一方面換熱不再僅僅局限于換熱器，而延伸到多個(gè)位置，極大的増加了換熱面積，尤其是在核發(fā)熱集中的冷包部分，外夾層的制冷劑可以及時(shí)將冷包內(nèi)慢化劑產(chǎn)生的熱量以及所有金屬壁面產(chǎn)生的熱量迅速帶走，這樣將大幅度提升自然循環(huán)系統(tǒng)的換熱能力；另一方面制冷劑包裹在慢化劑外層，形成了一道保護(hù)層。一般冷中子源多采用氦制冷系統(tǒng)作為冷源，氦是惰性氣體，一旦慢化劑回路有損壞，慢化劑會(huì)泄露到外夾層，氦氣可以稀釋慢化劑濃度，能有效的防止爆炸的發(fā)生，提高循環(huán)系統(tǒng)的安全性。
其次，對(duì)于上升管段的制冷劑夾層，制冷劑的出口并沒有順著流動(dòng)方向布置在上升管頂部，而設(shè)置在上升管的底部，這樣使得上升管段的外夾層成為ー個(gè)制冷劑幾乎不流動(dòng)的空間，這樣設(shè)計(jì)的目的是降低制冷劑對(duì)上升管的冷卻作用，使上升管和下降管內(nèi)的慢化劑之間保持更大的溫差以提高循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，從而增強(qiáng)換熱能力。而與此同時(shí)幾乎不流動(dòng)的制冷劑可以繼續(xù)在外夾層發(fā)揮安全保護(hù)作用。
進(jìn)ー步地，本發(fā)明中內(nèi)外通道的金屬殼體和管道僅在換熱器頂部區(qū)域的兩個(gè)位置固連，而換熱器管側(cè)的下端、下降管的內(nèi)管和冷包的內(nèi)殼體，上升管內(nèi)管的下端都是自由端，它們與在其外側(cè)包裹的殼體和管道之間沒有固定連接，因此內(nèi)側(cè)的殼體和管道允許在一定的范圍內(nèi)自由伸縮不受約束。這樣設(shè)計(jì)的原因是冷中子源在運(yùn)行中要反復(fù)經(jīng)歷停源和開源兩種不同模式的切換，不同模式的工作溫度相差幾百度，因此由溫度引起的熱應(yīng)カ問題非常突出。傳統(tǒng)的換熱器和雙層同軸管道的內(nèi)外殼體多是通過兩端焊接將內(nèi)外層結(jié)構(gòu)固定，一旦有較大范圍的溫度變化，在局部可能引起較大的拉壓應(yīng)力，反復(fù)發(fā)生則很容易引起材料的疲勞斷裂，這將對(duì)冷源的運(yùn)行安全性產(chǎn)生很大影響。如果不能妥善的解決，將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。本發(fā)明的內(nèi)外回路各自形成一個(gè)單獨(dú)的連接體，內(nèi)外殼體間只在頂部固定連接。 內(nèi)管路可以相對(duì)外管路在一定的范圍內(nèi)自由伸縮，這將大大降低傳統(tǒng)的固定連接帶來的應(yīng)力，有效提高了結(jié)構(gòu)的安全性。為了避免可能產(chǎn)生內(nèi)管在外管中震蕩和擺動(dòng)的問題，可以通過在內(nèi)管外壁上増加部分定位翅片來實(shí)現(xiàn)徑向的約束，由于徑向尺寸與軸向相比要小得多，因此其尺寸變化較小，產(chǎn)生的應(yīng)カ也較小。
最后，本發(fā)明在冷包上方靠近冷包上封頭的位置設(shè)置有倒置漏斗形的鈹反射體， 反射體的尺寸可以完整的覆蓋冷包的軸向投影。該鈹反射體的作用是阻止慢化包內(nèi)的中子沿著真空孔道向上逃逸。由于中子在慢化過程中與慢化劑碰撞后發(fā)生散射，散射的方向是雜亂無章的，由于整個(gè)冷中子源被放置在反應(yīng)堆內(nèi)的ー個(gè)垂直孔道里，孔道周圍被重水包裏，重水可以有效的反射中子，而只有冷包上方沿著孔道的方向上是沒有中子屏蔽體的，鈹反射體的作用就是屏蔽中子。這樣一方面減少中子損失，提高中子束流的強(qiáng)度，另ー方面也防止中子逃逸到反應(yīng)堆外對(duì)實(shí)驗(yàn)人員造成傷害。


以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的詳細(xì)說明。
圖1是本發(fā)明単相慢化劑自然循環(huán)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖1中1、冷源供氣管；2、 慢化劑儲(chǔ)罐連接管；3、殼管式換熱器；4、下降管；5、鈹反射體；6、冷包；7、上升管；8、冷源回氣管；9、上升管外夾層盲端；10、真空防爆管。
圖2是本發(fā)明単相慢化劑自然循環(huán)裝置中慢化劑和制冷劑的流動(dòng)示意圖。圖2中， 點(diǎn)云區(qū)域?yàn)橹评鋭┝鲃?dòng)區(qū)域，網(wǎng)格區(qū)域?yàn)槁瘎┝鲃?dòng)區(qū)域
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1，圖2，本發(fā)明所述的單相慢化劑循環(huán)裝置包括一個(gè)殼管式換熱器3、ー個(gè)帶夾層的下降管4，一個(gè)帶夾層的冷包6，一個(gè)帶夾層的上升管7，換熱器的管側(cè)入口連通上升管內(nèi)流道的出口和慢化劑儲(chǔ)罐連接管2，換熱器的殼側(cè)入口連通冷源供氣管1 ；換熱器的管側(cè)出口連通下降管的內(nèi)流道的入口，換熱器的殼側(cè)出口連通下降管的外夾層的入口 ； 下降管的內(nèi)流道出口連通冷包的內(nèi)流道的入口，下降管的外夾層出口連通冷包的外夾層入 ロ ；冷包的內(nèi)流道出口連通上升管的內(nèi)流道入口，冷包的外夾層出口連通上升管的外夾層， 上升管的外夾層下部連通冷源回氣管8;換熱器管側(cè)與下降管，冷包，上升管等的內(nèi)流道構(gòu)成慢化劑循環(huán)回路，慢化劑循環(huán)回路的外夾層(冷源供氣管、換熱器的殼側(cè)、下降管的外夾層、冷包的外夾層、上升管的外夾層)與冷源回氣管構(gòu)成制冷劑回路。
構(gòu)成慢化劑流動(dòng)空間的內(nèi)層管路及殼體與外夾層的管路及殼體只在換熱器頂部區(qū)域固定連接(換熱器殼側(cè)的上端與慢化劑儲(chǔ)罐連接管2固聯(lián)；上升管外夾層的盲端9與換熱器殼側(cè)固聯(lián))，在其余位置內(nèi)層管路及殼體可以在外夾層管路及殼體內(nèi)自由伸縮。上升管的外夾層是一端封閉的管，該管頂部與換熱器殼側(cè)不連通，底部與冷包外夾層出口和冷源回氣管連通。在冷包上方上罩有ー個(gè)倒置漏斗形的鈹反射體5，該反射體直接固定在上升管和下降管的底端。
本發(fā)明的工作原理如下
一旦冷中子源啟動(dòng)，慢化劑開始逐漸從儲(chǔ)罐內(nèi)流入換熱器的頂部，沿著換熱器的管側(cè)向下流動(dòng)，同時(shí)被殼側(cè)的低溫制冷劑(一般為氦氣)逐漸冷卻為液體，然后沿著下降管流入冷包。當(dāng)循環(huán)回路里充滿液體并冷卻到規(guī)定溫度，反應(yīng)堆啟動(dòng)，熱中子流穿過冷包的壁面和內(nèi)盛的慢化劑，與慢化劑發(fā)生碰撞，熱中子流的能量降低，轉(zhuǎn)變?yōu)橐岳渲凶訛橹鞯氖?，同時(shí)產(chǎn)生大量的熱。慢化劑回路內(nèi)不平衡的溫度分布驅(qū)動(dòng)慢化劑液體產(chǎn)生自然對(duì)流。換熱器內(nèi)的被制冷劑冷卻的低溫慢化劑向下流動(dòng)，經(jīng)過下降管流入冷包，吸收冷包熱量后，再向上流入上升管，最終流回?fù)Q熱器重新冷卻。對(duì)于包裹在慢化劑回路外的制冷劑，從換熱器頂部的殼側(cè)流入換熱器，冷卻管側(cè)的慢化劑，然后流入下降管的外夾層，繼續(xù)冷卻管內(nèi)的慢化劑，再流入冷包的外夾層，和冷包的壁面及冷包內(nèi)的慢化劑交換熱量，最后從冷包出口沿著冷源回氣管流回冷源，經(jīng)冷源冷卻后再流入換熱器頂部。
在本發(fā)明中上升管的外夾層是ー個(gè)一端封閉的管，內(nèi)部存有一定量幾乎不流動(dòng)的制冷劑。這樣設(shè)計(jì)的目的是既保證慢化劑回路處處被制冷劑包裏，又減少對(duì)上升管的冷卻作用，從而在保證反應(yīng)堆安全的同時(shí)提高慢化劑回路的換熱能力。[0024]本發(fā)明的另ー個(gè)優(yōu)點(diǎn)是盡可能減少內(nèi)外殼體的固定連接，內(nèi)外殼體僅通過換熱器頂部固結(jié)，其余部分都允許小范圍的相互運(yùn)動(dòng)，這樣就有效的減小了大溫度變化引起熱應(yīng)力，從而提高了系統(tǒng)的安全性和使用壽命。
另外，在冷包上方設(shè)置鈹反射體作為中子屏蔽器，這樣可以最大限度的提高中子利用率，也減少中子外逸造成的不良影響。反射體被固結(jié)在上升管和下降管的底部，反射體產(chǎn)生的熱量可以通過導(dǎo)熱被上升管和下降管內(nèi)的制冷劑帶走。
權(quán)利要求
1.ー種應(yīng)用于反應(yīng)堆冷中子源的単相慢化劑自然循環(huán)裝置，其特征在干，包括ー個(gè)殼管式換熱器(3)、ー個(gè)帶夾層的下降管G)、一個(gè)帶夾層的冷包(6)、一個(gè)帶夾層的上升管 (7)，所述換熱器的管側(cè)入口連通上升管內(nèi)流道的出口和慢化劑儲(chǔ)罐連接管O)，換熱器的管側(cè)出口連通下降管的內(nèi)流道的入口 ；換熱器的殼側(cè)入口連通冷源供氣管(1)，換熱器的殼側(cè)出口連通下降管的外夾層的入口 ；下降管的內(nèi)流道出口連通冷包的內(nèi)流道的入口，下降管的外夾層出口連通冷包的外夾層入口 ；冷包的內(nèi)流道出口連通上升管的內(nèi)流道入口， 冷包的外夾層出口連通上升管的外夾層，上升管的外夾層下部連通冷源回氣管(8)；換熱器管側(cè)與下降管、冷包、上升管的內(nèi)流道構(gòu)成慢化劑循環(huán)回路，冷源供氣管(1)、換熱器的殼側(cè)、下降管的外夾層、冷包的外夾層、上升管的外夾層和冷源回氣管(8)構(gòu)成制冷劑回路。
2.如權(quán)利要求
1所述的應(yīng)用于反應(yīng)堆冷中子源的単相慢化劑自然循環(huán)裝置，其特征在干，位于上升管內(nèi)流道出口與換熱器管側(cè)入口連通處的上升管外夾層具有一封閉的盲端， 使上升管外夾層與換熱器殼側(cè)不連通。
3.如權(quán)利要求
2所述的應(yīng)用于反應(yīng)堆冷中子源的単相慢化劑自然循環(huán)裝置，其特征在干，所述換熱器殼側(cè)的上端與慢化劑儲(chǔ)罐連接管固聯(lián)；上升管外夾層的盲端與換熱器殼側(cè)固聯(lián)。
4.如權(quán)利要求
1-3任一所述的應(yīng)用于反應(yīng)堆冷中子源的単相慢化劑自然循環(huán)裝置，其特征在干，在冷包上方罩有ー個(gè)倒置漏斗形的鈹反射體，該反射體直接固定在上升管和下降管的底端。
專利摘要
一種應(yīng)用于反應(yīng)堆冷中子源的單相慢化劑自然循環(huán)裝置，包括一個(gè)殼管式換熱器，該換熱器的管側(cè)入口連通上升管內(nèi)流道的出口和慢化劑儲(chǔ)罐連接管，換熱器的管側(cè)出口連通下降管的內(nèi)流道的入口；換熱器的殼側(cè)入口連通冷源供氣管，換熱器的殼側(cè)出口連通下降管的外夾層的入口；下降管的內(nèi)流道出口連通冷包的內(nèi)流道的入口，下降管的外夾層出口連通冷包的外夾層入口；冷包的內(nèi)流道出口連通上升管的內(nèi)流道入口，冷包的外夾層出口連通上升管的外夾層，上升管的外夾層下部連通冷源回氣管；換熱器管側(cè)與下降管，冷包，上升管的內(nèi)流道構(gòu)成慢化劑循環(huán)回路，冷源供氣管、換熱器的殼側(cè)、下降管的外夾層、冷包的外夾層、上升管的外夾層和冷源回氣管構(gòu)成制冷劑回路。
文檔編號(hào)G21C5/16GKCN101964214SQ201010273381
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年9月6日
發(fā)明者余小玲, 馮全科, 吳偉烽, 孫碩, 李健 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan