一种铅铋环境下反应堆一回路的防颗粒物沉积装置的制作方法

本发明涉及机械设备和核能领域，尤其涉及铅铋环境下反应堆一回路的防颗粒物沉积装置。

背景技术：

液态铅铋合金(LBE)具有一系列优良的性能，其弱中子吸收和慢化能力使得反应堆具有更高的核废料嬗变和核燃料增殖能力，提高了反应堆的中子经济性。熔点低，沸点高，反应堆可以在低压运行时获得高出口温度，避免了高压系统带来的冷却剂丧失事故的发生，同时可实现高热电转换效率。良好的化学稳定性，与钠冷反应堆相比避免了起火及爆炸等安全问题，同时载热能力及自然循环能力强，可依靠自然循环排出堆芯余热，大大提高了反应堆的非能动安全性。

在高温流动的铅铋环境中，许多钢材都会被腐烛，铅铋在中高温下可溶解钢材中的某些合金成分，达到饱和后，随着液态金属的流动，又会在回路的低温部分把溶解的腐烛产物析出，形成腐烛残渣，堵塞管路，造成传热恶化，此外腐烛产物的沉积还会改变管壁的微观结构，加速高温段的腐烛速率。铅铋合金中不可避免地会存在一些杂质，其中熔点比铅铋高的杂质因为不能熔化而在铅铋流体中以颗粒物形式存在。液态铅铋合金中颗粒物沉积于管壁时会影响液态铅铋合金的流动能力，进而影响堆芯热量导出能力，这极大地影响了反应堆的安全性和经济性。

前苏联于1963年建成世界上第一艘利用铅铋反应堆为动力的核潜艇，反应堆在运行了几年之后，发生了蒸汽发生器管道堵塞事故。目前可采取的方法是动态氧浓度控制技术，该技术效果良好，但是需要严格的控制氧浓度在合适范围，过度氧化亦会形成氧化物残渣污染整个回路。

由于上述问题的存在，本发明人对现有的防沉积技术进行研究和改进，以期研制出在不影响回路正常工作的前提下满足防颗粒物沉积要求的反应堆一回路的防颗粒物沉积装置。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：在一回路管道内部设置螺旋折流板，螺旋折流板板面宽度小于一回路管道半径。螺旋折流板的设置改变了一回路冷却剂的流动方式，冷却剂由直线流动变成螺旋状流动，提高了冷却剂湍流程度，有利于冲刷管道内的颗粒物和沉淀物；螺旋折流板板面宽度小于半径，有利于冲刷下的颗粒物和沉淀物的流动。一回路管道内壁和螺旋折流板表面涂布的纳米金属涂层的致密性强，硬度高，提高了管道的耐侵蚀性。给一回路管道外面的加热层加热，使管道温度高于冷却剂温度，在管道与冷却剂之间形成温度梯度，利用热泳力，使附着在管道内壁的颗粒物向管道中心移动，有效地防止颗粒物沉积于管道。

本发明目的在于提供以下方面：

(1)一种铅铋环境下反应堆一回路的防颗粒物沉积装置，其中，该装置包括一回路管道1和设置在一回路管道1内的螺旋折流板2，在所述一回路管道1内流通有冷却剂，所述螺旋折流板2控制所述冷却剂的流动。

(2)根据上述(1)所述的防颗粒物沉积装置，其中，在所述一回路管道1的外壁上包裹有加热层3。

(3)根据上述(1)所述的防颗粒物沉积装置，其中，所述一回路管道1的外径为730mm-750mm，壁厚为50mm-70mm。

(4)根据上述(1)所述的防颗粒物沉积装置，其中，所述螺旋折流板2的螺旋面为阿基米德螺旋面。

(5)根据上述(1)所述的防颗粒物沉积装置，其中，所述螺旋折流板2的外边缘与一回路管道1内壁相接，所述螺旋折流板2的板面与一回路管道1中心线垂直，和/或

所述螺旋折流板2的板面宽度小于一回路管道1半径。

(6)根据上述(5)所述的防颗粒物沉积装置，其中，所述螺旋折流板2的板面宽度为一回路管道1半径的1/2-2/3。

(7)根据上述(1)所述的防颗粒物沉积装置，其中，所述螺旋折流板2的厚度为0.7mm-1mm，螺旋角为25°-60°。

(8)根据上述(2)所述的防颗粒物沉积装置，其中，所述加热层3壁厚为45mm-60mm，加热层3由内到外包括云母层3a和隔热层3b；云母层3a中布置有发热线圈，向一回路管道1提供热量，其厚度为20mm-30mm，隔热层3b防止热量向一回路管道1外部扩散，其厚度为25mm-30mm。

(9)根据上述(1)所述的防颗粒物沉积装置，其中，在一回路管道1的内壁上和所述螺旋折流板2表面上都涂布有纳米涂层。

(10)根据上述(1)或(9)所述的防颗粒物沉积装置，其中，所述纳米涂层为碳纳米管金属基涂层，厚度为30μm-150μm，优选地，纳米涂层厚度为50μm-100μm。

本发明提供的反应堆一回路的防颗粒物沉积装置具有如下有益效果：

(1)一回路管道内部设置螺旋折流板，螺旋折流板板面宽度小于半径，改变一回路冷却剂的流动方式，一部分冷却剂由直线流动变成螺旋状流动，提高了冷却剂湍流程度，有利于冲刷一回路管道内的颗粒物和沉淀物；一部分冷却剂从一回路管道中心通过，不冲刷一回路管道，且有利于冲刷下的颗粒物和沉淀物的流动。

(2)一回路管道内壁和螺旋折流板表面的碳纳米管金属基涂层的致密性强，硬度高，提高了一回路管道的耐侵蚀性。

(3)设置在一回路管道外面的加热层，给一回路管道加热，使一回路管道温度高于冷却剂温度，在一回路管道与冷却剂之间形成温度梯度，利用热泳力，附着在一回路管道内壁的颗粒物向一回路管道中心移动，有效地防止颗粒物沉积于一回路管道。

(4)根据本发明提供的防颗粒沉积装置具有结构简单，方便拆装的特点，可有效提高一回路管道的经济性及安全性。

附图说明

图1示出一回路管道内螺旋折流板螺旋面；

图2示出一种优选实施方式中防颗粒物沉积装置截面图；

图3示出另一种优选实施方式中防颗粒物沉积装置截面图。

附图标号说明

1-一回路管道；

2-螺旋折流板；

3-加热层；

3a-云母层；

3b-隔热层；

3c-连接层。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如图1所示，本发明提供了一种液态铅铋合金环境下反应堆一回路防颗粒物沉积装置，其中，所述装置包括一回路管道1和设置在一回路管道1内的螺旋折流板2，在所述一回路管道1内流通有冷却剂，所述螺旋折流板2用于控制所述冷却剂的流动。一回路管道1的外径为730mm-750mm，壁厚为50mm-70mm。一回路管道1材料由316L不锈钢构成，其具有优异的耐腐蚀性。

在一回路管道1内设置的螺旋折流板2的螺旋面是阿基米德正螺旋面。阿基米德正螺旋面是螺旋折流板2通过与一回路管道1中心线垂直正交的板面做螺旋运动而形成。

所述螺旋运动，是指与一回路管道1中心线垂直正交的板面在沿所述一回路管道1中心线方向作等速移动的同时，又绕所述一回路管道1中心线作等角速的旋转运动。

作为冷却剂的液态铅铋合金在一回路管道1中流动，经过螺旋折流板2后如图1所示流动，其利用湍流原理防止颗粒物沉积。利用湍流原理来防止颗粒物沉积，当一回路管道1内的液态铅铋合金流速过大时，由于固液表面存在很大的剪切应力，液态铅铋合金可能会直接将固体表面或附着于固体表面之上的保护层剥离，从而造成侵烛-腐烛、穴烛-腐烛等问题，使得一回路管道1的腐烛速率有所增加。

在一种优选的实施方式中，所述螺旋折流板2的外边缘与一回路管道1内壁相接，与一回路管道1中心线垂直的螺旋折流板2的板面宽度小于一回路管道1的半径，优选地，螺旋折流板2的板面宽度为一回路管道1半径的1/2-2/3。此时，一回路管道1中的冷却剂一部分呈螺旋式的流动方式，在壳程横截面径向产生速度梯度，提高了流体的湍流程度，有利于冲刷壳程内的颗粒物及沉淀物，另一部分冷却剂从一回路管道1中间流动，更好的带动颗粒物和沉积物在一回路管道1内流动，防止颗粒物沉积于管壁，且避免大量的冷却剂对固液表面的腐烛。在螺旋折流板2的板面宽度为一回路管道1半径的1/2-2/3时，既可实现防颗粒物沉淀的效果，同时冷却剂对固液表面的腐烛极小。

在进一步优选的实施方式中，所述防颗粒物沉积装置，在一回路管道1的内壁上和螺旋折流板2表面上涂布有纳米涂层。所述纳米涂层为碳纳米管金属涂层，厚度为30μm-150μm，优选纳米涂层厚度为50μm-100μm。纳米涂层致密性强，硬度高，可有效提高管道中冷却剂对管壁的侵蚀。

在更进一步优选的实施方式中，所述螺旋折流板2的厚度确定为0.7mm-1mm，螺旋角为25°-60°，选用的材料为Inconel690合金。螺旋折流板2的厚度低于0.7mm，其机械强度受到影响；厚度大于1mm时，会使得传导的热量不均也会减弱热泳的防沉积的作用。采用上述范围的螺旋角度，湍流程度适宜，便于冷却剂流动的同时对螺旋折流板2的冲击强度相对较弱。螺旋角度越大，冷却剂的流动行程增加，流速慢，因而冷却剂中的颗粒物更容易沉积；螺旋角度越小，冷却剂对螺旋折流板2的冲击强度相对较强，与加热层3换热效率低，热泳力小，防颗粒沉积效果不佳。总的来说，螺旋折流板2的厚度低，螺旋角可选范围较广，便于操作实施，传热好，成本低。

如图2所示，在一种优选实施方式中，一回路管道1的外壁上包裹有加热层3。所述加热层3由内到外包括云母层3a和隔热层3b。云母层3a中布置有发热线圈，向一回路管道1提供热量；隔热层3b防止热量向一回路管道1外部扩散，用于热量的保持，优选为硅酸铝纤维管壳隔热层。

如图3所示，在所述一回路管道1和加热层3之间还任选地设置有连接层3c，用于连接一回路管道1和云母层3a，并且稳固云母层3a。优选地，所述连接层3c具有良好的传热性能，将云母层3a产生的热量传递至一回路管道1，优选其为不锈钢材料，如316L不锈钢材料。

在一个优选实施方式中，所述云母层3a的加热温度为390℃-450℃。由于冷却剂腐蚀产物主要在冷段析出，所以加热层3除布置在整个一回路管道1外部外，还可只布置在冷段。保持冷段一回路管道1外壁的温度在390℃-450℃，而铅铋合金冷却剂的温度(327℃以下)比一回路管道1温度低，由此形成温度梯度，利用热泳原理，细微颗粒物会向温度低的地方移动，从而防止颗粒物沉积。

在进一步优选的实施方式中，所述加热层3的壁厚为45mm-60mm，其中，云母板加热层3a厚度为20mm-30mm，隔热层3b厚度为25mm-30mm。在此厚度范围内，加热层3a可快速将热量传递至一回路管道1；且隔热层3b可起到有效的隔热效果。当冷却剂流动到一回路管道1的冷段时，由于温度下降导致颗粒物析出，若管壁外包裹有一层加热层3，加热层3具体结构如图2或图3所示，加热层3加热使一回路管道1和液态铅铋合金之间产生一个方向向外的温度梯度，根据热泳原理可知颗粒物受到指向管内的热泳力，以此阻止颗粒物在管壁沉积。

在一种优选的实施方式中，一回路管道1可单独具备螺旋折流板2，或者单独具备加热层3，或者既在管内设置螺旋折流板2，同时在其外壁上包裹有加热层3，优选第三种方式。在第三种方式中，受湍流原理和热泳原理的共同作用，避免了湍流程度的增加带来的颗粒物沉积增加的问题，得到了更好的防沉积效果。

实施例

实施例1

防液态铅铋合金中颗粒物沉积的一回路管道，其中一回路内管道由316L不锈钢制成，外径是730mm，壁厚是50mm；加热层厚度为60mm，加热层所分的二层中，3a层是布置有发热线圈的云母层，厚度为30mm，3b层是隔热层，厚度为30mm；螺旋折流板由inconel690合金制成，厚度为0.8mm，螺旋角为35°。经实验发现：该管道的防沉积率是21％，即有21％的颗粒物不沉积。

实施例2

防液态铅铋合金中颗粒物沉积的一回路管道，其中一回路内管道由316L不锈钢制成，外径是750mm，壁厚是50mm；加热层厚度为60mm，加热层所分的二层中，3a层是布置有发热线圈的云母层，厚度为30mm，3b层是隔热层，厚度为30mm；螺旋折流板由inconel690合金制成，厚度为0.8mm，螺旋角为45°。经实验发现：该管道的防沉积率是17％，即有17％的颗粒物不沉积。

对比例

对比例1

防液态铅铋合金中颗粒物沉积的一回路管道，其中一回路内管道由316L不锈钢制成，外径是730mm，壁厚是50mm；加热层厚度为60mm，加热层所分的二层中，3a层是布置有发热线圈的云母层，厚度为30mm，3b层是隔热层，厚度为30mm；螺旋折流板由inconel690合金制成，厚度为1.5mm，螺旋角为75°。经实验发现：该管道的防沉积率是4％，即有4％的颗粒物不沉积。其原因是较大的螺旋角增加了流动的行程，且螺旋折流板厚度较大，使得传导的热量不均减弱了热泳的防沉积的作用，因而整体防沉积率较低。

对比例2

防液态铅铋合金中颗粒物沉积的一回路管道，其中一回路内管道由316L不锈钢制成，外径是730mm，壁厚是80mm；一回路内管道外侧仅设置20mm厚的隔热层。螺旋折流板由inconel690合金制成，厚度为0.8mm，螺旋角为35°。经实验发现：该管道的防沉积率是3％，即有3％的颗粒物不沉积。

根据本发明提供的反应堆一回路的防颗粒沉积物装置，具有如下有益效果：

(1)一回路管道内部设置螺旋折流板，螺旋折流板板面宽度小于半径，改变一回路冷却剂的流动方式，一部分冷却剂由直线流动变成螺旋状流动，提高了冷却剂湍流程度，有利于冲刷管道内的颗粒物和沉淀物；一部分冷却剂从管道中心通过，不冲刷一回路管道，且有利于冲刷下的颗粒物和沉淀物的流动。

(2)一回路管道内壁和螺旋折流板表面的碳纳米管金属基涂层的致密性强，硬度高，提高了管道的耐侵蚀性。

(3)设置在一回路内管道外面的加热层，给管道加热，使管道温度高于冷却剂温度，在管道与冷却剂之间形成温度梯度，利用热泳力，附着在管道内壁的颗粒物向管道中心移动，有效地防止颗粒物沉积于管道。

(4)根据本发明提供的防颗粒沉积装置具有结构简单，方便拆装的特点，可有效提高一回路管道的经济性及安全性。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，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。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。