熔盐堆维持次临界系统和维持次临界的方法

1.本发明涉及一种熔盐堆维持次临界系统和维持次临界的方法。


背景技术：

2.熔融无机盐称为熔盐，为了提高系统能量利用率，以及能源的灵活使用，能源利用进入了“熔盐时代”。熔盐具有合适的熔点和沸点、较高的导热系数、比热高、粘度小、热稳定性好、不易燃易爆、易得到等优点，被广泛用于能源行业。如：以熔盐为电解质的燃料电池和蓄电池是有希望的化学电源；熔盐载热剂广泛用于化工、冶金生产；熔盐作为蓄热材料与其他材料相比较，是一种理想的蓄热介质；采用氟化锂-氟化铍-氟化钍熔盐系为核燃料的熔盐堆，有希望成为利用钍作核燃料的新能源。
3.高温熔盐储能市场自2006年起开始进入飞速发展，全球范围内的高温熔盐储能市场基本集中于西班牙、美国和意大利。熔盐堆的研究开始于20世纪50年代，熔盐堆在固有安全性、核燃料可持续发展及防核扩散等方面具有独特优势。
4.高温熔盐是熔盐堆的优点，但是熔盐的凝固点高，在管道中容易发生冻堵。对于熔盐堆来说，堆芯反应性控制能使熔盐堆维持在次临界，但是堆芯燃料盐温度持续下降，则有可能使反应堆重返临界，即反应堆进入临界与次临界的之间震荡阶段，危及堆芯的内部结构。因此，熔盐堆长期维持次临界并防止熔盐凝固的关键是保温。正常运行情况下，熔盐堆可以通过堆芯放出裂变能、反应堆电加热装置加热燃料盐。在事故或者长期停堆的情况下，由于反应堆已经停止裂变反应，燃料盐加热只能靠反应堆电加热装置加热，若失去厂外电或者反应堆电加热装置损坏的情况下，熔盐堆将无法实现保温。在不考虑排盐的情况下，现有技术很难维持熔盐堆长期停堆状态。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是为了克服在熔盐堆事故或者长期停堆的情况下堆芯燃料盐温度不能维持在凝固点以上等问题，提供了一种熔盐堆维持次临界系统和维持次临界的方法，通过将特定的熔盐堆系统和特定的熔盐储能系统进行结合，对熔盐堆系统的运行情况进行不同调整，可长期维持燃料盐不凝固，确保熔盐堆的基本安全。
6.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题。
7.本发明提供一种熔盐堆维持次临界系统，其包括熔盐堆系统和熔盐储能系统；所述的熔盐堆系统包括电加热装置、第一熔盐换热器和发电系统；
8.其中，所述电加热装置设于所述熔盐堆系统的主容器处，用于熔盐堆熔盐的加热；所述第一熔盐换热器的第一流体通道通过第一管道与所述熔盐堆的熔盐腔体连通；所述第一熔盐换热器的第二流体通道通过第二管道与所述发电系统连通；
9.所述的熔盐储能系统包括光热发电系统、高温储热罐和第二熔盐换热器；其中，所述光热发电系统通过第三管道与所述高温储热罐连通，用于所述高温储热罐熔盐的传热；所述高温储热罐通过第四管道与第二熔盐换热器的第一流体通道连通；所述第四管道上还
设有隔离阀；
10.其中，所述第二熔盐换热器设于所述第二管道上，且所述第二熔盐换热器的第二流体通道与所述第二管道连通。
11.本发明中，较佳地，所述电加热装置的供电系统与外电网连接供电；所述电加热装置的供电系统还设有与所述熔盐储能系统的备用电连接系统。
12.本发明中，较佳地，所述第一熔盐换热器、所述第二熔盐换热器、所述第一管道、所述第二管道、所述第三管道、以及所述第四管道上还分别设有伴热装置；其中，所述伴热装置的数量较佳地为一个或多个；所述第一管道、所述第二管道、所述第三管道、以及所述第四管道上各自的入口端和出口端均可设有伴热装置；较佳地，所述伴热装置的供电系统与外电网连接供电；所述伴热装置的供电系统还设有与所述熔盐储能系统的备用电连接系统。
13.本发明中，所述熔盐堆系统的所述主容器装有燃料盐，裂变反应在所述主容器发生，在正常运行情况下，通过所述熔盐管道和所述第一熔盐换热器，把热量交给所述发电系统。
14.本发明中，所述熔盐堆系统较佳地建在地下；所述熔盐储能系统较佳地建在地上。所述熔盐储能系统可利用太阳能进行发电。
15.本发明还提供一种熔盐堆系统的维持次临界的方法，所述熔盐堆系统为如上述所述的熔盐堆维持次临界系统，所述维持次临界方法为：
16.s1、判断所述熔盐堆系统运行时，所述熔盐堆系统处于下述运行情况中的哪一种：
17.情况一，所述熔盐堆系统正常运行；
18.情况二，所述熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网正常，所述熔盐堆系统的电加热装置损坏，所述熔盐堆系统的伴热装置正常；
19.情况三，所述熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网不能用，所述熔盐堆系统的电加热装置和所述熔盐堆系统的伴热装置正常；
20.情况四，所述熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网不能用，所述熔盐堆系统的电加热装置损坏，所述熔盐堆系统的伴热装置正常；
21.情况五，所述熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网不能用，所述熔盐堆系统的电加热装置和所述熔盐堆系统的伴热装置损坏；
22.情况六，所述熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网正常，所述熔盐堆系统的电加热装置正常，所述熔盐堆系统的伴热装置损坏；
23.情况七，所述熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网正常，所述熔盐堆系统的电加热装置和所述熔盐堆系统的伴热装置损坏；
24.情况八，所述熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网不能用，所述熔盐堆系统的电加热装置正常，所述熔盐堆系统的伴热装置损坏；
25.情况九，所述熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网正常，所述熔盐堆系统的电加热装置和所述熔盐堆系统的伴热装置正常；
26.s2、根据s1确定的运行情况进行下述调整：
27.当所述熔盐堆系统处于所述情况一时，所述熔盐堆系统运行不新增调整；
28.当所述熔盐堆系统处于所述情况二时，开启所述伴热装置的供电系统与外电网连
接供电的启动装置，开启所述第一管道、所述第一熔盐换热器、所述第二管道和所述第二熔盐换热器上的伴热装置，所述伴热装置加热所述第一管道、所述第一熔盐换热器、所述第二管道和所述第二熔盐换热器中的所述熔盐，通过所述熔盐在所述第一管道和所述第二管道中的循环，把所述伴热装置产生的热量逆向传递给所述主容器中的燃料盐；
29.当所述熔盐堆系统处于所述情况三或所述情况八时，开启所述电加热装置的供电系统与所述熔盐储能系统的备用电连接系统，所述电加热装置加热所述主容器中的燃料盐；
30.当所述熔盐堆系统处于所述情况四时，开启所述伴热装置的供电系统与所述熔盐储能系统的备用电连接系统；开启所述第一管道、所述第一熔盐换热器、所述第二管道和所述第二熔盐换热器上的伴热装置，所述伴热装置加热所述第一管道、所述第一熔盐换热器、所述第二管道和所述第二熔盐换热器中的所述熔盐，通过所述熔盐在所述第一管道和所述第二管道中的循环，把所述伴热装置产生的热量逆向传递给所述主容器中的燃料盐；
31.当所述熔盐堆系统处于所述情况五或所述情况七时，打开所述第四管道上的隔离阀，将所述高温储热罐中的熔盐热量经过所述第四管道，通过所述第二熔盐换热器传递给所述第二管道中的所述熔盐；所述第二管道中的所述熔盐再把热量通过所述第一熔盐换热器传递给所述第一管道的所述熔盐，所述第一管道的所述熔盐再将热量逆向传递给所述主容器中的燃料盐；
32.当所述熔盐堆系统处于所述情况六或所述情况九时，开启所述电加热装置的供电系统与外电网连接供电的启动装置，所述电加热装置加热所述主容器中的燃料盐。
33.本发明中，所述伴热装置的功率可依据实际情况进行调整。
34.在本发明一较佳实例中，所述熔盐堆系统的燃料盐为lif-bef
2-zrf
4-uf4；所述第二管道中的熔盐成分为lif-bef2；所述高温储热罐、所述第四管道、所述第三管道中的熔盐均为nano
3-kno3。
35.在本发明一较佳实例中，所述电加热装置的加热功率300kw；所述第一管道与所述第二管道上的所述伴热装置的加热功率均为40kw；所述第四管道上的所述伴热装置的加热功率为60kw；所述第一熔盐换热器上的所述伴热装置的加热功率为120kw；所述第二熔盐换热器上的所述伴热装置的加热功率为80kw。
36.在本发明一较佳实例中，所述第二管道中的熔盐温度为500℃，所述高温储热罐中的熔盐温度为565℃。
37.本发明中，所述熔盐堆系统和所述熔盐储能系统采用的熔盐类均可为熔融的熔盐，所述熔盐堆系统和所述熔盐储能系统在设计、运行、管理上都有相同点，将两个系统进行连接，可使两者共用、互补、相互支持。虽然所述熔盐储能系统也存在熔盐凝固问题，但是与所述熔盐堆系统比起来，不存在辐射环境，加热方便，解冻操作也相对方便，维修简单。
38.本发明中，对于所述熔盐堆维持次临界系统来说，保持所述熔盐堆维持次临界系统的堆芯燃料盐不凝固所需的热量跟反应堆比起来不是很多。所述熔盐堆系统的漏热主要是余排(余热排出系统)带走的热量，而余排的功率一般是所述熔盐堆系统的总功率的2％，只要其它系统保温效果好，漏热就会少。目前熔盐储能系统是mw级的功率，完全有能力给熔盐堆系统的熔盐保温。高温储热的采用的高温熔盐一般具有500度以上，完全可以用来保持熔盐堆系统中燃料盐的温度。即只要储热系统有足够功率和温度，就可以用来保持熔盐堆
燃料盐的温度。在保持度方面，太阳能是长期的，熔盐储能系统的长期热源不是问题。在用电冗余度方面，采用外电网给电加上熔盐储能系统的光热发电；在设备冗余度方面，可只需保证第一熔盐换热器、第二熔盐换热器、第一管道、第二管道的伴热装置中的其中一个能用，即能保证熔盐堆系统的运行。
39.本发明的积极进步效果在于：
40.1、本发明的熔盐堆维持次临界系统通过将特定的熔盐堆系统和特定的熔盐储能系统进行有机结合，使系统之间共用、互补、相互支持，通过纵深防御的设计原则，层层保护燃料盐的温度，解决了熔盐堆长期维持次临界问题，提高了熔盐堆运行安全。
41.2、本发明的熔盐堆系统的维持次临界的方法，通过对熔盐堆系统的运行情况进行不同调整，包括利用逆向思维，反向传热，能长期维持燃料盐不凝固；并提高了熔盐堆安全运行的能力。
附图说明
42.图1为实施例1的熔盐堆维持次临界系统的示意图。
43.图2为实施例1维持次临界方法的运行情况说明图。
44.附图标记说明如下：
45.主容器 1
46.电加热装置 2
47.伴热装置 3
48.第一熔盐换热器 4
49.第二熔盐换热器 5
50.发电系统 6
51.高温储热罐 7
52.光热发电系统 8
53.第一管道 9
54.第二管道 10
55.第四管道 11
56.第三管道 12
57.隔离阀 13
具体实施方式
58.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
59.实施例1
60.本实施例提供了一种熔盐堆维持次临界系统，如图1所示，其包括有熔盐堆系统和熔盐储能系统组成，熔盐堆系统包括电加热装置2、第一熔盐换热器4和发电系统6；电加热装置2设于熔盐堆系统的主容器1处，用于熔盐堆熔盐的加热；第一熔盐换热器4的第一流体通道通过第一管道9与熔盐堆的熔盐腔体连通；第一熔盐换热器4的第二流体通道通过第二
管道10与发电系统6连通；
61.熔盐储能系统包括光热发电系统8、高温储热罐7和第二熔盐换热器5；其中，光热发电系统8通过第三管道12与高温储热罐7连通，用于高温储热罐7的熔盐的传热；高温储热罐7通过第四管道11与第二熔盐换热器5的第一流体通道连通；第四管道11上还设有隔离阀13；
62.第二熔盐换热器5设于第二管道10上，且第二熔盐换热器5的第二流体通道与第二管道10连通；
63.电加热装置2的供电系统与外电网连接供电；电加热装置2的供电系统还设有与熔盐储能系统的备用电连接系统；
64.第一熔盐换热器4、第二熔盐换热器5、第一管道9、第二管道10、第三管道12、以及第四管道11上还分别设有伴热装置3；伴热装置3的供电系统与外电网连接供电；伴热装置3的供电系统还设有与熔盐储能系统的备用电连接系统。
65.熔盐堆系统的热功率2mw，燃料盐为lif-bef
2-zrf
4-uf4，熔点为450℃，沸点为1450℃。第二管道10中的熔盐成分为lif-bef2，熔点为460℃，沸点为1400℃。高温储热罐7、第四管道11、第三管道12中的熔盐采用nano
3-kno3，熔点为220℃，分解温度为600℃。电加热装置2加热功率300kw，第一管道9、第二管道10和第四管道11上的伴热装置3加热功率分别为40kw，40kw，60kw，第一熔盐换热器4和第二熔盐换热器5上的伴热装置3加热功率分别为120kw，80kw。熔盐堆系统漏热功率80kw。第二管道10中熔盐温度为500℃，高温储热罐7中熔盐温度565℃。
66.在正常运行情况下，电加热装置2给主容器1加热，保证燃料盐不凝固。伴热装置3给第一管道9、第二管道10和第一熔盐换热器4加热，保证管道和第一熔盐换热器中流动的熔盐不凝固。熔盐堆所用电源来自于外电网。熔盐储能系统正常进行光热发电和熔盐储热。隔离阀13处于关闭状态。
67.本实施例1中维持次临界方法如下：
68.s1、判断熔盐堆系统运行时，熔盐堆系统处于下述运行情况中的哪一种：
69.情况一，熔盐堆系统正常运行；
70.情况二，熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网正常，熔盐堆系统的电加热装置损坏，熔盐堆系统的伴热装置正常；
71.情况三，熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网不能用，熔盐堆系统的电加热装置和熔盐堆系统的伴热装置正常；
72.情况四，熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网不能用，熔盐堆系统的电加热装置损坏，熔盐堆系统的伴热装置正常；
73.情况五，熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网不能用，熔盐堆系统的电加热装置和熔盐堆系统的伴热装置损坏；
74.情况六，熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网正常，熔盐堆系统的电加热装置正常，熔盐堆系统的伴热装置损坏；
75.情况七，熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网正常，熔盐堆系统的电加热装置和熔盐堆系统的伴热装置损坏；
76.情况八，熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网不能用，熔盐堆系统的电加热装置
正常，熔盐堆系统的伴热装置损坏；
77.情况九，熔盐堆系统出现事故或者停堆，外电网正常，熔盐堆系统的电加热装置和熔盐堆系统的伴热装置正常；
78.s2、根据s1确定的运行情况进行下述调整：
79.当熔盐堆系统处于情况一时，熔盐堆系统运行不新增调整；
80.当熔盐堆系统处于情况二时，开启伴热装置3的供电系统与外电网连接供电的启动装置，开启第一管道9、第一熔盐换热器4、第二管道10和第二熔盐换热器5上的伴热装置3，伴热装置3加热第一管道9、第一熔盐换热器4、第二管道10和第二熔盐换热器5中的熔盐，通过熔盐在第一管道9和第二管道10中的循环，把伴热装置3产生的热量逆向传递给主容器1中的燃料盐；
81.当熔盐堆系统处于情况三或情况八时，开启电加热装置2的供电系统与熔盐储能系统的备用电连接系统，电加热装置2加热主容器1中的燃料盐；
82.当熔盐堆系统处于情况四时，开启伴热装置3的供电系统与熔盐储能系统的备用电连接系统；开启第一管道9、第一熔盐换热器4、第二管道10和第二熔盐换热器5上的伴热装置3，伴热装置3加热第一管道9、第一熔盐换热器4、第二管道10和第二熔盐换热器5的熔盐，通过熔盐在第一管道9和第二管道10中的循环，把伴热装置3产生的热量逆向传递给主容器1中的燃料盐；
83.当熔盐堆系统处于情况五或情况七时，打开第四管道11上的隔离阀13，将高温储热罐7中的熔盐热量经过第四管道11，通过第二熔盐换热器5传递给第二管道10中的熔盐；第二管道10中的熔盐再把热量通过第一熔盐换热器4传递给第一管道9的熔盐，第一管道9的熔盐再将热量逆向传递给主容器1中的燃料盐；
84.当熔盐堆系统处于情况六或情况九时，开启电加热装置2的供电系统与外电网连接供电的启动装置，电加热装置2加热主容器1中的燃料盐。
85.图2为上述熔盐堆系统的维持次临界方法的运行情况说明图。
86.在上述运行情况下，均能维持主容器1中的燃料盐温度为500℃。