一体化气态氧控装置以及铅基快中子反应堆的制作方法

本发明属于先进核能系统技术领域，具体涉及到一种一体化气态氧控装置以及铅基快中子反应堆。

背景技术：

液态铅基合金（铅和铅铋合金）具有优良的导热特性和中子学特性，是第四代核电铅基快中子反应堆（铅基快堆）和未来先进核能系统ads的重要候选冷却剂。但由于铅基合金在中高温环境下对结构材料具有很强的腐蚀性，极大地降低了铅基快中子反应堆的安全性和经济性。

目前普遍认为，抑制铅基合金腐蚀效应的最有效手段是控制液态铅基合金中的氧浓度含量。其原理在于：将铅铋合金中氧浓度保持在一定范围内，使结构材料表面形成一层致密的氧化膜，阻止铅铋合金进一步渗透到钢材内部，从而起到防腐作用。

现有铅基合金氧控方法主要包括气态氧控和固态氧控两种。气态氧控就是利用注入反应气体的物理化学反应来控制铅铋中溶解氧浓度的方法。最初采用ar/h2/o2三元气体实现控氧，其中ar气作为载气，起到稀释氢气（h2）或氧气（o2）含量作用，以减小h2气爆炸的危险性。

目前国际上主流的气态氧控技术可分为堆外气态氧控技术和堆内气态氧控技术。

堆外气态氧控技术是指将反应堆内的液态铅基冷却剂抽出堆外，通过堆外气态氧控箱进行氧浓度调节，将满足氧浓度控制要求的液态铅基冷却剂充回反应堆，实验堆外氧浓度控制。堆外气态氧控技术可满足反应堆大规模冷却剂氧浓度调节的需要，但其需要将堆内带有放射性的冷却剂抽离堆外进行处理，一旦冷却剂管道破裂将造成放射性物质泄漏，存在较大的安全隐患，安全性低。而且，堆外气态氧控技术需要一套庞大而复杂的铅铋工艺系统持续，技术过于复杂，工程可行性低。

堆内气态氧控技术是指将控制气体直接注入堆内冷却剂中，目前堆内气态氧控包括两种方式。一种是将控制气体充入堆内覆盖气体中，通过液态铅基合金静止表面与覆盖气体的接触，实现氧浓度控制。该方法存在调节速度慢、供氧效率低等缺陷，难以满足铅基快中子反应堆工程化应用的需求，目前仅用于铅基合金实验回路中。另一种是将控制气体注入液态铅基合金，利用气泡与液态铅基合金接触，实现液态铅基合金的氧浓度控制。但该方法需要向堆内注入大量气体，会对反应堆的正常运行造成影响，一旦铅基冷却剂夹带气泡进入堆芯，将造成严重的反应堆事故。因此，目前该方法仅应用于堆芯外围的冷却剂停滞区，用于小范围氧浓度调节使用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种一体化气态氧控装置及铅基快中子反应堆，可克服现有气态氧控技术的不足，通过利用超微细气泡原理提高气态氧控效率，通过特殊气液分离结构实现气态氧控装置的一体化设计，从而可有效提高气态氧控技术的工程可行性和安全性，降低系统的复杂性和运行维护成本。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种一体化气态氧控装置，其适用于铅基快中子反应堆，包括：

气体注入器，用于向所述铅基快中子反应堆的冷却液中注入控制气体，并产生超微细气泡；

柱状提升管，其为上下敞口的环形柱状壳体结构，所述气体注入器的下端容纳于所述柱状提升管内部，所述柱状提升管的内壁与所述气体注入器的外侧形成环形腔室，为控制气体和冷却液形成的气液混合流体的流动提供通道；

气液分离室，位于柱状提升管上方并与所述柱状提升管相固定，所述气液分离室内部与所述柱状提升管的顶端相连通，且在所述气液分离室底部与所述柱状提升管外壁之间存在液体排出口，供在气流分离室中分离出的冷却液向下流出；

气液分离室上方设置有至少一个气体排出口，用于将在气流分离室中分离出的控制气体排出；

其中，气体注入器的一端穿所述气流分离室的顶部；所述柱状提升管与所述气体注入器的下端至少一部分位于所述冷却液的液面之下；所述气液分离室位于所述冷却液的液面之上。

其中，所述气体注入器包括联通管和与所述联通管连通的多个喷嘴叶片，所述多个喷嘴叶片以阵列形式从上到下分布在联通管外围，在每一喷嘴叶片的端部设置有微型孔，所述微形孔的孔径处于1-50μm之间，用于产生包含有控制气体的超微细气泡。

其中，所述冷却液为液态铅基合金，所述气液混合流体为所述超微细气泡和液态铅基合金的混合流体。

其中，所述控制气体为氧化气体、还原气体和载气三种气体的混合物，其中，所述载气为氩气，所述氧化气体为空气或氧气，所述还原气体为氢气。

其中，所述气体注入器的端部连接有一个气体供应系统，所述气体供应系统用于将氧化气体、还原气体和载气三种气体按比例进行混合并注入至所述气体注入器的所述联通管中。

相应的，本发明实施例的另一方面还提供一种铅基快中子反应堆，其至少包括主反应堆，所述反应堆中存放有冷却液，其特征在于，在所述主反应堆中设置有一个如前述的一体化气态氧控制装置。

实施本发明，具有如下的有益效果：

首先，在本发明的实施例中，采用超微细气泡原理，提高气泡与冷却液（即液态铅基合金）的接触面积，有效提高氧浓度控制反应的效率；

其次，在本发明的实施例中，采用柱状提升管为气液混合流体提供流动通道，延长气泡与液态铅基合金的接触时间，有效提高氧浓度控制反应的效率；

而且，在本发明的实施例中，利用柱状提升管内外流体密度差产生的驱动力，驱使气液混合流体向上流动，并在气液分离室内的自由液面出产生气液分离，解决了气泡对反应堆安全运行的影响，有效提高了气态氧控技术的工程可行性和安全性；

另外，在本发明实施例中，实现了气态氧控装置的一体化设计，整个氧控过程可在反应堆内实现，无需将带有放射性的液态铅基合金抽离堆外处理，有效降低气态氧控技术的复杂性和运行维护成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一体化气态氧控装置的一个实施例的纵剖面示意图；

图2是在本发明提供的铅基快中子反应堆中的布置一体化气态氧控装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，示出了本发明提供的一种一体化气态氧控装置的一个实施例的结构示意图。在该实施例中，该一体化气态氧控装置1，其适用于铅基快中子反应堆，包括：

气体注入器11，用于向所述铅基快中子反应堆的冷却液中注入控制气体，并产生超微细气泡；具体地，所述气体注入器11包括联通管110和与所述联通管110连通的多个喷嘴叶片111，所述多个喷嘴叶片111以阵列形式从上到下分布在联通管110外围，在每一喷嘴叶片111的端部设置有微型孔，在一个实施例中，所述微形孔的孔径处于1-50μm之间，用于产生包含有控制气体的超微细气泡；

柱状提升管12，其为上下敞口的环形柱状壳体结构，所述气体注入器11的下端容纳于所述柱状提升管12内部，所述柱状提升管12的内壁与所述气体注入器11的外侧形成环形腔室（图中a区域），为控制气体和冷却液形成的气液混合流体提供流动通道；

气液分离室13，位于柱状提升管12上方并与所述柱状提升管12相固定，所述气液分离室13内部与所述柱状提升管12的顶端相连通，且在所述气液分离室13底部与所述柱状提升管12外壁之间存在液体排出口131，供在气液分离室13中分离出的冷却液向下流出；气液分离室13上方设置有至少一个气体排出口4，用于将在气液分离室13中分离出的控制气体排出；

其中，气体注入器11的一端穿所述气液分离室13的顶部；所述柱状提升管12与所述气体注入器11的下端至少一部分位于所述冷却液的液面之下；所述气液分离室13位于所述冷却液的液面之上。

其中，所述冷却液为液态铅基合金，所述气液混合流体为所述超微细气泡和液态铅基合金的混合流体。

其中，所述控制气体为氧化气体、还原气体和载气三种气体的混合物，其中，所述载气为氩气，所述氧化气体为空气或氧气，所述还原气体为氢气。

可以理解的是，在所述气体注入器11的端部还连接有一个气体供应系统（未示出），所述气体供应系统用于将氧化气体、还原气体和载气三种气体按比例进行混合并注入至所述气体注入器的所述联通管110中，可以通过该气体供应系统控制该三种气体的比例，例如，在一个实施例中，氧化气体、还原气体和载气三者的比例可以是0.1:0.01:100：。同时，可以据液态铅基合金氧控需要更改该三种气体的混合比例，例如，在需要增加氧含量时，可以提高氧化气体的比例；在需要减少氧含量时，可提高还原气体的比例。

如图2所示，示出本发明提供的一种铅基快中子反应堆的一个实施例的结构示意图；其至少包括主反应堆2，所述反应堆2中存放有冷却液，在所述主反应堆2中设置有一体化气态氧控制装置1，具体地，在一个例子中，该一体化气态氧控制装置1通过主反应堆2上方插入液态铅基合金中，并保持气液分离室3顶部高于液态铅基合金自由液面。可以理解的是，本发明可根据需要布置主反应堆2的主容器内所有位置，包括热池和冷池。

可以理解的是，该一体化气态氧控制装置1的结构以及功能可参照前述对图1的描述，在此进行不进行赘述。同时，可以理解的，在图2中并未画出铅基快中子反应堆的其他结构，本领域的技术人员当可结合现有技术进行理解。

为便于理解本发明，下面简要说明一下本发明的工作过程：

控制气体通过外部气体供应系统注入气体注入器，并通过喷嘴叶片产生超微细气泡。超微细气泡注入液态铅基合金之后与液态铅基合金充分接触，并进行氧离子的交换，从而实现氧浓度调节的功能。气液混合流体由于是液态铅基合金和超微细气泡的混合物，密度比液态铅基合金小，与柱状提升管外的液态铅基合金形成一定的自然循环驱动力，从而驱使柱状提升管内部的气液混合流体向上流动（请参见图1中内含斜线的箭头）。当气液混合流体流出柱状提升管之后，在气液分离室内形成一个自由液面，超细微气泡和液态铅基合金在巨大的密度差的作用下产生分离，超细微气泡向上漂浮聚集在上部气体空间，液态铅基合金在自然循环驱动力的作用下向液体排出口流出（请参见图1中的黑色箭头），进入反应堆冷却剂系统。

实施本发明，具有如下的有益效果：

首先，在本发明的实施例中，采用超微细气泡原理，提高气泡与冷却液（即液态铅基合金）的接触面积，有效提高氧浓度控制反应的效率；

其次，在本发明的实施例中，采用柱状提升管为气液混合流体提供流动通道，延长气泡与液态铅基合金的接触时间，有效提高氧浓度控制反应的效率；

而且，在本发明的实施例中，利用柱状提升管内外流体密度差产生的驱动力，驱使气液混合流体向上流动，并在气液分离室内的自由液面出产生气液分离，解决了气泡对反应堆安全运行的影响，有效提高了气态氧控技术的工程可行性和安全性；

另外，在本发明实施例中，实现了气态氧控装置的一体化设计，整个氧控过程可在反应堆内实现，无需将带有放射性的液态铅基合金抽离堆外处理，有效降低气态氧控技术的复杂性和运行维护成本。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。