一种研究堆三级冷却辐照考验回路系统的制作方法

1.本发明涉及研究堆用辐照技术领域，具体公开一种研究堆三级冷却辐照考验回路系统。


背景技术：

2.核燃料在正式应用前，通过堆内辐照试验是必要工程验证的手段，为保证辐照试验尽可能接近核燃料的真实运行工况，就必须要建设满足其运行环境的辐照考验回路。通常研究堆辐照考验回路采用两级冷却设计方案，即第一级冷却系统提供燃料辐照考验所必须的温度、压力、流速、水质等环境条件，并导出燃料在辐照过程中产生的热量，第二级冷却系统作为最终热阱，吸收第一级冷却系统的热量并排放至外界。但在实际运行过程中，由于第一级冷却系统中燃料元件破损后水中放射性剂量大幅上升从而使第二级冷却系统中的物质部分被活化，导致第二级冷却系统排出流放射性活度超标；同时，在一、二级边界出现破损时也会导致第二级冷却系统排出流放射物质超标。最终影响环境安全以及试验的正常开展。


技术实现要素：

3.本发明的目的是设计一种三级冷却辐照考验回路系统，在不论第一级冷却系统内出现超标放射性剂量还是在一、二级边界出现破损的情况下，第三级冷却系统的排出流放射性活度均满足排放要求，不影响影响环境安全以及试验的正常开展。
4.为达上述目的，本发明通过下述技术方案实现：
5.一种研究堆三级冷却辐照考验回路系统，包括第一级冷却系统、第二级冷却系统、第三级冷却系统；燃料在辐照过程中的热量通过第一级冷却系统传递给第二级冷却系统，再由第二级冷却系统传递到第三级冷却系统，最终由第三级冷却系统的冷却剂导出；第一级冷却系统为高温高压闭式循环系统，第二级冷却系统为中温低压闭式循环系统，第三级冷却系统为低温中压开式循环系统；即第二级冷却系统的运行压力不但小于第一级冷却系统运行压力，同时也小于第三级冷却系统运行压力，依次形成“高压-低压-中压”的压力等级；以及温度等级依次为“高温-中温-低温”。
6.当出现第一级冷却系统中燃料元件破损后水中放射性剂量大幅上升从而使第二级冷却系统中的物质部分被活化、导致使第二级冷却系统活度超标时，保证了活化产物被包容在第二级冷却系统中，不会向第三级冷却系统继续扩散；当出现第一级冷却系统与第二级冷却系统边界失效、或第二级冷却系统与第三级冷却系统边界失效时，第一级冷却系统与第三级冷却系统的压力均高于第二级冷却系统，可由第二级冷却系统包容泄漏的放射性物质，不会继续向第三级冷却系统泄漏。
7.作为第一级冷却系统的优选方案，所述的第一级冷却系统包括一次循环泵、管道过滤器、辐照装置、一次换热器，依次连通形成闭式循环系统；还包括稳压器，与辐照装置并联设置。
8.作为第一级冷却系统的优选方案，所述的一次循环泵设为三台，工作时两台正常运行，第三台备用，一次循环泵的电源同时接入市政电源与应急不间断电源。
9.作为第一级冷却系统的优选方案，所述的一次换热器为模块式可再生换热器，由至少一段再生段和至少一段冷却段组成；所述再生段，一次水走传热管内部流道、再生水走传热管外部与耐高压套管内部之间的流道；所述冷却段，一次水走传热管内部流道、冷却水走传热管外部与耐高压套管内部之间的流道。
10.作为第一级冷却系统的优选方案，所述的管道过滤器包括透镜垫、滤网、挡环，滤网两侧与两块挡环焊接组成过滤单元，过滤单元焊接在透镜垫中间。
11.作为第二级冷却系统的优选方案，所述的第二级冷却系统包括二次循环泵、二次换热器、二次冷却水箱，依次连通形成闭式循环系统，一次换热器的冷却水接入二次循环泵、二次换热器之间。
12.作为第二级冷却系统的优选方案，所述的二次循环泵设置两台，互为备用。
13.作为第二级冷却系统的优选方案，所述的二次换热器为板式热交换器，设置两台互为备用。
14.作为第二级冷却系统的优选方案，所述的二次冷却水箱的出水口与二次循环泵的入口相连，二次冷却水箱的进水口与二次换热器的出口相连，二次冷却水箱的补水口与自来水系统相连，二次冷却水箱的溢流口与地漏相连，二次冷却水箱的通气口与工艺间的排风管相连。
15.作为第二级冷却系统的优选方案，所述的二次冷却水箱出水口设置在箱体下部，进水口设置在箱体上部，补水口设置在箱体顶部，溢流口设置在进水口下部，通气口设置在箱体顶部。
16.作为第三级冷却系统的优选方案，所述的第三级冷却系统的第一种供水方式为：由外部水源直接向第二级冷却系统的二次换热器供水。
17.作为第三级冷却系统的优选方案，所述的第三级冷却系统的第二种供水方式为：第三级冷却系统设置冷却水泵，当外部水源压力不足时，由冷却水泵在外部水源处取水，并送至第二级冷却系统的二次换热器。
18.作为第三级冷却系统的优选方案，所述的第三级冷却系统的第三种供水方式为：第三级冷却系统设置冷却水泵、冷却水箱，当外部水源停水时，由冷却水泵在冷却水池取水后送至第二级冷却系统的二次换热器。
19.作为第三级冷却系统的优选方案，所述的冷却水泵为离心泵，设置两台互为备用。
20.作为第三级冷却系统的优选方案，所述的冷却水箱为不锈钢焊接式水箱。
21.作为优选方案，所述的第一级冷却系统与第二级冷却系统均设置在可以包容放射性剂量的屏蔽工艺间中，屏蔽工艺间的墙体采用混凝土浇筑而成。
22.作为优选方案，所述的第一级冷却系统、第二级冷却系统、第三级冷却系统在一次换热器的二次侧出口处、二次换热器的二次侧出口处均设有伽马剂量报警装置。
23.综上所述，本发明与现有技术相比，在实际的使用过程中，体现出以下的优点和有益效果：
24.1)本发明采用了三级冷却系统，燃料在辐照过程中的热量通过的第一级冷却系统传递给第二级冷却系统、再由闭式循环第二级冷却系统传递到第三级冷却系统，最终由第
三级冷却系统的冷却剂导出；第一级冷却系统为高温高压闭式循环系统，第二级冷却系统为中温低压闭式循环系统，第三级冷却系统为低温中压开式循环系统。
25.2)当出现第一级冷却系统中燃料元件破损后水中放射性剂量大幅上升从而使第二级冷却系统中的物质部分被活化、导致使第二级冷却系统活度超标时，保证了活化产物被包容在第二级冷却系统中，不会向第三级冷却系统继续扩散；当出现第一级冷却系统与第二级冷却系统边界失效、或第二级冷却系统与第三级冷却系统边界失效时，第一级冷却系统与第三级冷却系统的压力均高于第二级冷却系统，可由第二级冷却系统包容泄漏的放射性物质，不会继续向第三级冷却系统泄漏，回路的排出流放射性活度均满足排放要求，不影响影响环境安全以及试验的正常开展。
26.3)本发明在第一级冷却系统中设置了三台并联的一次循环泵，工作时两台正常运行，第三台备用，一次循环泵的电源同时接入市政电源与应急不间断电源。可保证在“一台主泵失效”、“失去外电源”、以及“一台主泵失效叠加第二台主泵故障”等多种假想事故条件下，第一级冷却系统的冷却剂始终处于有效循环的状态，提高了系统的可靠性和安全性。
27.4)本发明在第一级冷却系统中设置了专用的管道过滤器，采用了带有过滤功能的透镜垫，且滤网不低于200目，即保证了过滤精度，也不占用管路空间、操作简单，便于更换。
28.5)本发明在第一级冷却系统中设置了模块式可再生换热器，可根据换热功率大小的需求灵活配置再生段与冷却段的数量；所述的模块式可再生换热器可使冷却水与一次水的温差由300℃降低到100℃，有效减少了设备的热应力，优化了设备工作条件，提高了设备的使用寿命。
附图说明
29.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
30.图1：本发明的三级冷却回路总体流程示意图；
31.图2：管道过滤器结构示意图；
32.图3：模块式可再生换热器结构示意图；
33.图4：单个式换热模块结构示意图。
34.附图标记与对应的零部件名称：
35.1-1.一次循环泵a；1-2.一次循环泵b；1-3.一次循环泵c；1-4.稳压器；1-5.管道过滤器；1-6.辐照装置；1-7.一次换热器；1-8.二次换热器a；1-9.二次换热器b；1-10.二次冷却水箱；1-11.二次循环泵a；1-12.二次循环泵b；1-13.冷却水箱；1-14.冷却水泵a；1-15.冷却水泵b；1-16.外部水源。
36.2-1.透镜垫；2-2.滤网；2-3.挡环a；2-3.挡环b。
37.3-1.一次水出再生段；3-2.一次水进再生段；3-3.一次水回再生段；3-4.一次水出再生段；3-5.一次水进冷却段；3-6.二次水出冷却段；3-7.二次水进冷却段；3-8.二次水出冷却段；3-9.一次水进水口；3-10.二次水出水口；3-11.二次水进水口；3-12.一次水出水口。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作的原理和特征等做进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明保护范围的限定。
39.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
40.在整个说明书的描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
41.下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或实施例。为简化公开内容，下面描述了各特征存在的一个或多个排列的具体实施例，但所举实施例不作为对本说明书的限定,在说明书中随后记载的第一特征与第二特征连接，即可以包括直接联系的实施方式，也可以包括形成附加特征的实施方式，进一步的，也包括采用一个或多个其他介入特征使第一特征和第二特征彼此间接连接或结合，从而第一特征和第二特征可以不直接联系。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
42.本说明书中使用的术语是考虑到关于本公开的功能而在本领域中当前广泛使用的那些通用术语，但是这些术语可以根据本领域普通技术人员的意图、先例或本领域新技术而变化。此外，特定术语可以由申请人选择，并且在这种情况下，其详细含义将在本公开的详细描述中描述。因此，说明书中使用的术语不应理解为简单的名称，而是基于术语的含义和本公开的总体描述。
43.本说明书中使用了流程图或文字来说明根据本技术的实施例所执行的操作步骤。应当理解的是，本技术实施例中的操作步骤不一定按照记载顺序来精确地执行。相反，根据需要，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
44.实施例
45.本实施例提供一种研究堆三级冷却辐照考验回路系统，包括第一级冷却系统、第二级冷却系统、第三级冷却系统；燃料在辐照过程中的热量通过第一级冷却系统传递给第二级冷却系统，再由第二级冷却系统传递到第三级冷却系统，最终由第三级冷却系统的冷却剂导出；第一级冷却系统为高温高压闭式循环系统，第二级冷却系统为中温低压闭式循环系统，第三级冷却系统为低温中压开式循环系统；即第二级冷却系统的运行压力不但小于第一级冷却系统运行压力，同时也小于第三级冷却系统运行压力，依次形成“高压-低压-中压”的压力等级；以及温度等级依次为“高温-中温-低温”。
46.当出现第一级冷却系统中燃料元件破损后水中放射性剂量大幅上升从而使第二
级冷却系统中的物质部分被活化、导致使第二级冷却系统活度超标时，保证了活化产物被包容在第二级冷却系统中，不会向第三级冷却系统继续扩散；当出现第一级冷却系统与第二级冷却系统边界失效、或第二级冷却系统与第三级冷却系统边界失效时，第一级冷却系统与第三级冷却系统的压力均高于第二级冷却系统，可由第二级冷却系统包容泄漏的放射性物质，不会继续向第三级冷却系统泄漏。
47.在一种可选的实施例中，如图1所示，所述的第一级冷却系统压力不低于13mpa、温度不低于300℃，包括一次循环泵(包括并联设置的一次循环泵a1-1、一次循环泵b1-2、一次循环泵c1-3)、管道过滤器1-5、辐照装置1-6、一次换热器1-7，以及管道和阀门，依次连通形成闭式循环系统；还包括稳压器1-4，与辐照装置1-6并联设置。
48.所述的一次循环泵1-1、1-2、1-3为耐高温高压的屏蔽泵，为保证系统的安全运行，一次循环泵1-1、1-2、1-3设为三台，工作时两台正常运行，第三台备用，一次循环泵1-1、1-2、1-3的电源同时接入市政电源与应急不间断电源。
49.所述的一次换热器1-7为模块式可再生换热器，该型换热器由至少一段再生段和至少一段冷却段组成；所述再生段，一次水走传热管内部流道、再生水走传热管外部与耐高压套管内部之间的流道；所述冷却段，一次水走传热管内部流道、冷却水走传热管外部与耐高压套管内部之间的流道。所述的模块式可再生换热器可根据换热功率大小的需求灵活配置再生段与冷却段的数量；所述的模块式可再生换热器可使冷却水与一次水的温差由300℃降低到100℃，有效减少了设备的热应力，优化了设备工作条件，提高了设备的使用寿命。如图3所示，本实施例的模块式可再生换热器包含4个再生段和5个冷却段，由一次水出再生段3-1、一次水进再生段3-2、一次水回再生段3-3、一次水出再生段3-4、一次水进冷却段3-5、二次水出冷却段3-6、二次水进冷却段3-7、二次水出冷却段3-8接口组成。
50.如图4所示，每个模块(再生段或冷却段)由至少8根传热管、一个耐高压套管、两个管板、进水口、出水口组成，每个模块设置一次水进水口3-9、二次水出水口3-10、二次水进水口3-11、一次水出水口3-12。
51.如图2所示，所述的管道过滤器1-5为一种特殊的过滤器，不占用管路空间，操作简单，便于更换；包括透镜垫2-1、滤网2-2、挡环2-3、2-4，其采用了带有过滤功能的透镜垫2-1，滤网2-2两侧与上下两块圆形夹板状的挡环(包括挡环a2-3、挡环b2-3)焊接组成过滤单元，然后将过滤单元焊接在透镜垫2-1中间，为保证过滤效果，所述的滤网不低于200目。
52.在一种可选的实施例中，如图1所示，所述的第二级冷却系统压力不高于0.6mpa、温度不高于100℃，包括二次循环泵(包括并联设置的二次循环泵a1-11、二次循环泵b1-12)、二次换热器(包括串联设置的二次换热器a1-8、二次换热器b1-9)、二次冷却水箱1-10，以及管道和阀门，依次连通形成闭式循环系统，一次换热器1-7的冷却水接入二次循环泵1-11、1-12、二次换热器1-8、1-9之间。
53.所述的二次循环泵1-11、1-12为离心泵，出口压力不高于0.6mpa，设置两台离心泵，互为备用。
54.所述的二次换热器1-8、1-9为板式热交换器，体积小、换热功率大，设置两台互为备用。
55.所述的二次冷却水箱1-10既作为水源，也作为容积缓冲器，二次冷却水箱1-10出水口与二次循环泵1-11、1-12的入口相连，二次冷却水箱1-10的进水口与二次换热器1-8、
1-9的出口相连，二次冷却水箱1-10的补水口与自来水系统相连，二次冷却水箱1-10的溢流口与地漏相连，二次冷却水箱1-10的通气口与工艺间的排风管相连。
56.所述的二次冷却水箱1-10容积不小于4m3，出水口设置在箱体下部，进水口设置在箱体上部，补水口设置在箱体顶部，溢流口设置在进水口下部，通气口设置在箱体顶部，出水口与进水口之间距离不小于2m，溢流口与进水口之间的距离不大于0.2m。
57.在一种可选的实施例中，如图1所示，所述的第三级冷却系统压力不低于1mpa、温度不高于40℃，由冷却水泵(包括并联设置的冷却水泵a1-14、冷却水泵b1-15)、冷却水箱1-13、以及管道和阀门组成，形成开循环系统。第三级冷却系统包含三种供水方式：
58.第一种供水方式：由外部水源1-16直接向第二级冷却系统的二次换热器1-8、1-9供水，此时不启动冷却水泵1-14、1-15。
59.第二种供水方式：第三级冷却系统设置冷却水泵1-14、1-15，当外部水源1-16压力不足时，由冷却水泵1-14、1-15在外部水源1-16处取水，并送至第二级冷却系统的二次换热器1-8、1-9。
60.第三种供水方式：第三级冷却系统设置冷却水泵1-14、1-15、冷却水箱1-13，当外部水源1-16停水时，由冷却水泵1-14、1-15在冷却水池1-13取水后送至第二级冷却系统的二次换热器1-8、1-9。
61.所述的冷却水泵1-14、1-15为离心泵，出口压力不低于1mpa，设置两台互为备用。
62.所述的冷却水箱1-13为不锈钢焊接式水箱，容量不低于35m3。
63.在一种可选的实施例中，所述的第一级冷却系统与第二级冷却系统均设置在可以包容放射性剂量的屏蔽工艺间中，屏蔽工艺间的墙体采用厚度不低于1.5m、密度不低于3.6
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103kg/m3的重混凝土浇筑而成。
64.在一种可选的实施例中，所述的第一级冷却系统、第二级冷却系统、第三级冷却系统在一次换热器1-7的二次侧出口处、二次换热器1-8、1-9的二次侧出口处均设有伽马剂量报警装置，可以实施监测冷却剂中的伽马剂量，以便判断换热器边界是否出现破损。
65.综上所述，基于以上具体实施方式，本发明包括高温高压的第一级冷却系统，中温低压的第二级冷却系统，低温中压的第三级冷却系统。当出现第一级冷却系统中燃料元件破损后水中放射性剂量大幅上升从而使第二级冷却系统中的物质部分被活化、导致使第二级冷却系统活度超标时，保证了活化产物被包容在第二级冷却系统中，不会向第三级冷却系统继续扩散；当出现第一级冷却系统与第二级冷却系统边界失效、或第二级冷却系统与第三级冷却系统边界失效时，第一级冷却系统与第三级冷却系统的压力均高于第二级冷却系统，可由第二级冷却系统包容泄漏的放射性物质，不会继续向第三级冷却系统泄漏，回路的排出流放射性活度均满足排放要求，不影响影响环境安全以及试验的正常开展。同时，在研究堆用辐照技术领域首次采用了并联设置了三台一次循环泵、新型模块式可再生换热器、新型具有滤功能的透镜垫构成的管道过滤器、具有容积缓冲功能的二次水箱、三种供水方式确保供水的经济性与可靠性等新技术，保证了本发明的实用性和创造性。
66.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产
品的形式。
67.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。