汪琦俞紅嘯張慧芬

（上海熱油爐設(shè)計(jì)開發(fā)中心)

原子爐內(nèi)熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的研究與開發(fā)

汪琦*俞紅嘯張慧芬

（上海熱油爐設(shè)計(jì)開發(fā)中心)

首先，介紹了原子爐內(nèi)熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的高溫低壓輸送回路的特點(diǎn)。然后，分析了熔鹽循環(huán)系統(tǒng)，包括一次燃料鹽循環(huán)系統(tǒng)和二次冷卻鹽循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的工藝流程、熔鹽熱交換器和熔鹽蒸汽發(fā)生器，設(shè)計(jì)了熔鹽融化保溫裝置、熔鹽冷凍易熔塞裝置、熔鹽安全防泄漏裝置等，給出了熔鹽設(shè)備和管路的預(yù)熱與伴熱、流量與流速、惰性氣體密封與保護(hù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。最后，討論了熔鹽最高液膜溫度和管壁最高表面溫度的計(jì)算方法。

原子爐氟化鹽熔鹽循環(huán)系統(tǒng)液膜溫度管道

0 前言

原子爐是使用Li、Be、Na、Zr等的氟化鹽及溶解U、Pu、Th的氟化物熔融混合作為燃料，在600～700℃和低壓條件下形成熔鹽流，直接進(jìn)入熔鹽熱交換器進(jìn)行熱量交換。熔融鹽氟化物的傳熱性能好，其與空氣和水都不會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)。在熔融狀態(tài)下，熔融鹽氟化物在高溫下工作時(shí)可以保持低蒸汽壓力，從而可實(shí)現(xiàn)高溫低壓的冷卻方式。或者說(shuō)，這樣就可降低熔鹽熱交換器、熔鹽循環(huán)泵、熔鹽設(shè)備與管道的工作壓力，相應(yīng)地也就減小了設(shè)備壁厚、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸，提高了原子爐及熔鹽設(shè)備的安全性。

1 熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的分析研究

原子爐內(nèi)的熔鹽循環(huán)系統(tǒng)采用核燃料溶于熔融的氟化鹽冷卻劑中，堆芯用石墨做慢化劑，液態(tài)熔鹽在其中達(dá)到臨界狀態(tài)。熔鹽一次循環(huán)系統(tǒng)是一種高溫低壓的主冷卻回路。通過(guò)這樣的主冷卻回路，熔鹽能更有效地將熱量帶出堆芯，從而降低對(duì)熔鹽循環(huán)泵、熔鹽管道以及堆芯尺寸的要求，也就是說(shuō)可使這些元件的尺寸縮小。在制造原子爐的外殼、循環(huán)泵以及相關(guān)設(shè)備和管路時(shí)，只需要考慮材料的耐高溫性能、而腐蝕性能、耐輻照性能，而對(duì)于耐壓指標(biāo)只需要考慮低壓性能。由于氟化熔融鹽沸點(diǎn)很高，所以就不用考慮高壓?jiǎn)栴}，在正常大氣壓下就可工作。在原子爐的堆芯區(qū)域沒(méi)有高壓蒸汽，只有低壓的熔融鹽，這就意味著堆芯不會(huì)發(fā)生蒸汽爆炸，不需要輕水堆中最昂貴的元件——堆芯高壓蒸汽容器包殼。所以，原子爐的堆芯包殼和結(jié)構(gòu)組件、相關(guān)設(shè)備和熔鹽管道均由一種稀有的抗高溫、抗腐蝕鎳合金——哈斯特鎳基合金－N來(lái)制造，并且金屬材料的壁厚可以設(shè)計(jì)得比較薄。這樣，設(shè)備制作與焊接的成本都不昂貴，也就是說(shuō)，可降低原子爐的制造成本。對(duì)于熔鹽管道的腐蝕問(wèn)題，可通過(guò)在哈斯特鎳基合金－N中添加示蹤級(jí)的鈦來(lái)解決。

原子爐內(nèi)熔鹽循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。熔鹽循環(huán)系統(tǒng)工作時(shí)，原子爐內(nèi)的燃料鹽（LiF-BeF2-ThF4-UF4）吸收核能升溫后，經(jīng)燃料鹽循環(huán)泵（一次泵）被輸送到熔鹽熱交換器內(nèi)，放出熱量后燃料鹽溫度降低，然后燃料鹽再返回原子爐內(nèi)吸收熱量。該燃料鹽循環(huán)系統(tǒng)稱為一次循環(huán)系統(tǒng)，一次循環(huán)系統(tǒng)帶有核輻射。熔鹽冷卻循環(huán)系統(tǒng)稱為二次循環(huán)，該循環(huán)系統(tǒng)中冷卻鹽（NaBF4—NaF）在熔鹽熱交換器內(nèi)吸收熱量升溫后，進(jìn)入熔鹽蒸汽發(fā)生器內(nèi)加熱蒸汽，高溫的蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)運(yùn)行發(fā)電，冷卻后的蒸汽返回熔鹽蒸汽發(fā)生器內(nèi)再吸收熱量。冷卻鹽溫度降低后，經(jīng)熔鹽冷卻循環(huán)泵（二次泵）被輸送到熔鹽熱交換器內(nèi)，繼續(xù)吸收熱量。二次循環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有核輻射。上述過(guò)程不斷循環(huán)，構(gòu)成了燃料鹽循環(huán)系統(tǒng)和冷卻鹽循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)運(yùn)行停止時(shí)燃料鹽應(yīng)排放到燃料鹽貯罐內(nèi)，而冷卻鹽應(yīng)排放到冷卻鹽貯罐內(nèi)。

2 熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

原子爐的堆芯底部下方設(shè)計(jì)了一個(gè)冷凍易熔塞。當(dāng)原子爐過(guò)熱時(shí)，即溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，這個(gè)冷凍易熔塞會(huì)自動(dòng)熔化，攜帶核燃料的熔融鹽就全部流入一個(gè)專門的應(yīng)急儲(chǔ)存罐內(nèi)。裂變物質(zhì)離開了原子爐，核反應(yīng)就不會(huì)達(dá)到臨界狀態(tài)，鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)就會(huì)自動(dòng)終止，故原子爐非常安全。因?yàn)殁Q可溶于氟化鹽液，將釷基氟化鹽溶液倒進(jìn)原子爐堆芯的管道中，熔鹽循環(huán)系統(tǒng)就可以讓核反應(yīng)堆自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)攜帶核燃料的熔融鹽溫度太高時(shí)，就會(huì)膨脹溢出管道，從而減緩核裂變，保證原子爐安全。

圖1 原子爐內(nèi)熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的工藝流程

原子爐內(nèi)熔鹽循環(huán)系統(tǒng)包括下列設(shè)備：熔鹽反應(yīng)堆、燃料鹽貯罐、冷卻鹽貯罐、應(yīng)急熔鹽儲(chǔ)存罐、熔鹽熱交換器、熔鹽蒸汽發(fā)生器、燃料鹽循環(huán)泵（一次泵）、冷卻鹽循環(huán)泵（二次泵）、蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)、熔鹽融化保溫裝置、熔鹽輸送管路預(yù)熱保溫裝置、熔鹽防凍抗凍和解凍裝置、熔鹽冷凍易熔塞裝置、熔鹽在線凈化后處理裝置、熔鹽安全防泄漏裝置、配套輔機(jī)以及閥門儀表、電控裝置等。

原子爐內(nèi)熔鹽循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)要點(diǎn)[1]：首先，通過(guò)計(jì)算分析確定燃料鹽存貯總量和燃料鹽系統(tǒng)循環(huán)流量，確定冷卻鹽存貯總量和冷卻鹽系統(tǒng)循環(huán)流量，計(jì)算燃料鹽貯罐和應(yīng)急熔鹽儲(chǔ)存罐及冷卻鹽貯罐的容積并設(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)型式，設(shè)計(jì)開發(fā)冷凍易熔塞的結(jié)構(gòu)型式，繪制一次燃料鹽循環(huán)系統(tǒng)和二次冷卻鹽循環(huán)系統(tǒng)的管路圖。然后，設(shè)計(jì)選擇燃料鹽泵和冷卻鹽泵的規(guī)格型號(hào)以及閥門、儀表的規(guī)格型號(hào)，設(shè)計(jì)計(jì)算熔鹽熱交換器、熔鹽蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)尺寸，從設(shè)計(jì)角度確保燃料鹽和冷卻鹽的使用安全；再配備相應(yīng)的燃料鹽和冷卻鹽安全防泄漏、防輻射裝置，采用電伴熱系統(tǒng)防止熔鹽凝固，以免造成管路堵塞。最后，還要考慮原子爐在線后處理裝置，即對(duì)核燃料鹽的在線凈化、吸附化學(xué)處理裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。

在熔鹽循環(huán)系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)，所有熔鹽設(shè)備和熔鹽循環(huán)管路都是處于常溫狀態(tài)，需要采用電伴熱方法進(jìn)行預(yù)熱，以防止熔鹽進(jìn)入后在管路內(nèi)發(fā)生固化堵塞。熔鹽循環(huán)系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的全部熔融鹽都要排入冷熔鹽貯罐，所以在配管設(shè)計(jì)時(shí)必須有合理的彎曲度，使之不至于有殘余熔鹽滯留，同時(shí)冷熔鹽貯罐必須安置在最低處。在循環(huán)系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，為了防止冷熔鹽貯罐內(nèi)熔鹽固化，可以使用電伴熱方法將熔鹽的溫度保持在融熔點(diǎn)以上[2]。為了防止水蒸氣或空氣進(jìn)入熔鹽系統(tǒng)，應(yīng)盡可能將熔鹽循環(huán)系統(tǒng)密封好，并在熔鹽貯罐內(nèi)充入一定量的惰性氣體或者氮?dú)膺M(jìn)行氣體密封保護(hù)，且處于正壓狀態(tài)。如果氟化熔鹽暴露在氫中，會(huì)形成HF腐蝕性氣體，則設(shè)備及管道的腐蝕會(huì)加快。為了防止管道中有水蒸氣，產(chǎn)生強(qiáng)烈腐蝕性的氫氟酸，原子爐內(nèi)熔鹽循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)采用干燥的惰性氣體進(jìn)行密封。

熔鹽循環(huán)系統(tǒng)中的熔鹽流量不能過(guò)大，否則熔鹽泵的功耗和造價(jià)會(huì)增大；熔鹽流量也不能過(guò)小，如果流量過(guò)小了，熔鹽的溫度將會(huì)被迫升高，導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)中的熔鹽過(guò)熱現(xiàn)象發(fā)生[3]。在熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，應(yīng)該保證熔鹽設(shè)備和管路內(nèi)熔鹽的流速合理、準(zhǔn)確。如果熔鹽流速過(guò)高，設(shè)備和管道內(nèi)阻力降過(guò)大，熔鹽泵的動(dòng)力消耗將增大，并沖刷磨損設(shè)備和管路的內(nèi)壁面。如果熔鹽流速過(guò)低，熔鹽會(huì)呈現(xiàn)出層流狀態(tài)，這不僅會(huì)影響傳熱效果，還會(huì)造成熔鹽流體傳熱不均勻。

3 熔鹽最高液膜溫度的計(jì)算

在原子爐中的管道內(nèi)，流動(dòng)的熔鹽與管壁表面摩擦?xí)a(chǎn)生流體邊界層，如圖2所示。邊界層內(nèi)存在一個(gè)溫度梯度，邊界層內(nèi)緊貼管壁表面的熔融鹽流體流速最低，但溫度最高，其溫度稱為熔鹽液膜溫度。如果熔鹽液膜溫度過(guò)高，對(duì)于熔鹽而言，邊界層內(nèi)熔鹽的熱分解率就會(huì)過(guò)高，而且熔鹽液膜溫度越高，分解反應(yīng)就越加劇烈。劇烈反應(yīng)的分解物不具有流動(dòng)性，只能以沉積物的形態(tài)沉淀在管道內(nèi)壁，或者將管道某一段堵死。對(duì)于原子爐而言，管道受熱面就會(huì)因熔鹽熱分解而結(jié)焦，并導(dǎo)致管壁過(guò)熱。因此應(yīng)確定熔鹽最高液膜溫度產(chǎn)生的位置，并計(jì)算出熔鹽最高液膜溫度的準(zhǔn)確數(shù)值。通常，邊界層中熔鹽最高液膜溫度發(fā)生在受熱面上熱流密度最大處，或者熔鹽流動(dòng)雷諾數(shù)Re最小處。為了將管道中熔鹽邊界層內(nèi)的最高溫度控制在一個(gè)相對(duì)安全范圍內(nèi)，并且使熔融鹽變質(zhì)率處于可接受的允許條件下，就需要計(jì)算出熔融鹽最高允許鹽膜溫度。

圖2 熔鹽管壁和管內(nèi)熔鹽流溫度

原子爐中熔鹽管道內(nèi)最高液膜溫度計(jì)算公式如下：

式中t——管道內(nèi)熔鹽最高液膜溫度，℃；

tb——管道內(nèi)熔鹽溫度，℃；

Δt——管道內(nèi)邊界層中熔鹽的溫升，℃。

式中qmax——原子爐內(nèi)輻射受熱面最大熱流密度，kJ/(m2·s)；

α——管道內(nèi)對(duì)流放熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

do——熔鹽管道的外徑，m；

di——熔鹽管道的內(nèi)徑，m；

ψ——原子爐內(nèi)輻射熱損失的修正系數(shù)。

為了保證原子爐內(nèi)熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，計(jì)算出的熔鹽最高液膜溫度不得超過(guò)所選用的熔融鹽最高允許鹽膜溫度，即

式中T——熔融鹽最高允許鹽膜溫度，℃。

4 管壁最高表面溫度的計(jì)算

原子爐內(nèi)熔鹽管壁最高表面溫度是選擇管材和確定管壁厚度的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。要計(jì)算出熔鹽管道壁面的最高表面溫度，必須考慮局部管壁和管內(nèi)熔融鹽側(cè)的狀況[4]，其管壁和管內(nèi)溫度分布如圖2所示。

通過(guò)管壁的溫降為：

式中to——管道外壁最高表面溫度，℃；

ti——管道內(nèi)壁最高表面溫度，℃；

qmax——原子爐內(nèi)熔鹽管道的最大熱強(qiáng)度，W/m2；

kw——熔鹽管道壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

do——熔鹽管道的外徑，m；

di——熔鹽管道的內(nèi)徑，m。

通過(guò)一潔凈液膜的溫降為：

式中h——管道內(nèi)對(duì)流放熱系數(shù)，W/(m2·℃)。管道內(nèi)壁溫度（熔鹽最高液膜溫度）為：

管道外壁的最高表面溫度為：

式中tb——原子爐內(nèi)最高熱強(qiáng)度那一點(diǎn)上的管道內(nèi)熔鹽溫度，℃。

如果熔鹽管道內(nèi)結(jié)垢，并且是無(wú)法由厚度和導(dǎo)熱率表示的管內(nèi)污垢，可用污垢阻力r來(lái)考慮，則污垢所造成的附加溫降為：

所以在式（6）和式（7）的等號(hào)右側(cè)還需加上另一個(gè)溫降項(xiàng)，即管內(nèi)壁溫度（熔鹽最高液膜溫度）為：

式中t——管道內(nèi)熔鹽最高液膜溫度，℃；

tb——管道內(nèi)熔鹽溫度，℃；

Δt——管道內(nèi)邊界層中熔鹽的溫升，℃。

而管外壁最高表面溫度為：

管道內(nèi)壁最高溫度是估算和判斷熔鹽壽命和變質(zhì)所必需的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。通過(guò)式（9）和式（10）可計(jì)算出原子爐內(nèi)熔鹽管壁最高表面溫度和熔鹽最高液膜溫度，從而可正確地選擇熔鹽管道的材質(zhì)和壁厚，進(jìn)而保證原子爐內(nèi)熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

因?yàn)榉廴邴}的沸點(diǎn)為1400℃，所以熔鹽循環(huán)系統(tǒng)可在較低的壓力下進(jìn)行循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而具有了高溫低壓的能量輸送回路的顯著優(yōu)勢(shì)。由于原子爐的堆芯和主冷卻循環(huán)內(nèi)只有低壓的熔融鹽，在接近大氣壓下運(yùn)行且沒(méi)有蒸汽，因此超壓爆炸事件不會(huì)發(fā)生。即便發(fā)生了意外事件，大量的放射裂變產(chǎn)物仍將留在熔鹽中，而不會(huì)散播到空氣中。此外，原子爐堆芯是防熔化的。所以，如果發(fā)生了物質(zhì)泄漏的意外情況，則燃料鹽就會(huì)馬上被排放到專門的冷卻應(yīng)急熔鹽儲(chǔ)存罐中，從而可以完全避免核泄漏事故的發(fā)生。

[1]汪琦，俞紅嘯，張慧芬.太陽(yáng)能光熱發(fā)電中熔鹽蓄熱儲(chǔ)能循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)[J].化工裝備技術(shù)，2014，35（1）：11-14.

[2]汪琦.熔鹽加熱爐和熔鹽加熱系統(tǒng)的開發(fā)[J].化工裝備技術(shù)，2000，21(2)：40-43.

[3]汪琦，俞紅嘯.熔鹽加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熔鹽過(guò)熱的研究[J].化工裝備技術(shù)，2012，33(5)：39-42.

[4]汪琦.熱載體加熱爐爐膛最高熱強(qiáng)度和爐管管壁最高表面溫度的計(jì)算[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，1995，16 (1)：27-31.

The Research and Development of Molten Salt Circulation System In Atomic Furnace

Wang QiYu HongxiaoZhang Huifen

Firstly,the characteristics of high temperature and low pressure transmission circuit of molten salt circulation system in Atomic furnace were introduced.Secondly,the molten salt circulation system was analyzed, including a firstly fuel salt circulation system and secondary cooling circulation system.The process of molten salt circulation system,molten salt heat exchanger,and molten salt steam generator were designed and developed.Molten salt melting insulation device,molten salt freezing fusible plug device and molten salt safety leakage protection devices,etc.were designed.The design criteria of molten salt of equipment and piping preheating and heat tracing, flow rate and volume,and inert gas seal and protection was given.Finally,the calculation method for the maximum liquid membrane temperature of molten salt and maximum surface temperature of pipe wall was discussed.

Atomic furnace;Fluoride salt;Molten salt;Circulation system;Liquid membrane temperature;Tube

TQ 054

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.006

2015-12-26）

*汪琦，男，1961年生，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師。上海市，200042。