原子爐內熔鹽循環系統的研究與開發

汪琦俞紅嘯張慧芬

（上海熱油爐設計開發中心)

原子爐內熔鹽循環系統的研究與開發

汪琦*俞紅嘯張慧芬

（上海熱油爐設計開發中心)

首先，介紹了原子爐內熔鹽循環系統的高溫低壓輸送回路的特點。然后，分析了熔鹽循環系統，包括一次燃料鹽循環系統和二次冷卻鹽循環系統，設計開發了熔鹽循環系統的工藝流程、熔鹽熱交換器和熔鹽蒸汽發生器，設計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，給出了熔鹽設備和管路的預熱與伴熱、流量與流速、惰性氣體密封與保護的設計準則。最后，討論了熔鹽最高液膜溫度和管壁最高表面溫度的計算方法。

原子爐氟化鹽熔鹽循環系統液膜溫度管道

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，直接進入熔鹽熱交換器進行熱量交換。熔融鹽氟化物的傳熱性能好，其與空氣和水都不會發生劇烈反應。在熔融狀態下，熔融鹽氟化物在高溫下工作時可以保持低蒸汽壓力，從而可實現高溫低壓的冷卻方式。或者說，這樣就可降低熔鹽熱交換器、熔鹽循環泵、熔鹽設備與管道的工作壓力，相應地也就減小了設備壁厚、質量和結構尺寸，提高了原子爐及熔鹽設備的安全性。

1 熔鹽循環系統的分析研究

原子爐內的熔鹽循環系統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，液態熔鹽在其中達到臨界狀態。熔鹽一次循環系統是一種高溫低壓的主冷卻回路。通過這樣的主冷卻回路，熔鹽能更有效地將熱量帶出堆芯，從而降低對熔鹽循環泵、熔鹽管道以及堆芯尺寸的要求，也就是說可使這些元件的尺寸縮小。在制造原子爐的外殼、循環泵以及相關設備和管路時，只需要考慮材料的耐高溫性能、而腐蝕性能、耐輻照性能，而對于耐壓指標只需要考慮低壓性能。由于氟化熔融鹽沸點很高，所以就不用考慮高壓問題，在正常大氣壓下就可工作。在原子爐的堆芯區域沒有高壓蒸汽，只有低壓的熔融鹽，這就意味著堆芯不會發生蒸汽爆炸，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構組件、相關設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來制造，并且金屬材料的壁厚可以設計得比較薄。這樣，設備制作與焊接的成本都不昂貴，也就是說，可降低原子爐的制造成本。對于熔鹽管道的腐蝕問題，可通過在哈斯特鎳基合金－N中添加示蹤級的鈦來解決。

原子爐內熔鹽循環系統如圖1所示。熔鹽循環系統工作時，原子爐內的燃料鹽（LiF-BeF2-ThF4-UF4）吸收核能升溫后，經燃料鹽循環泵（一次泵）被輸送到熔鹽熱交換器內，放出熱量后燃料鹽溫度降低，然后燃料鹽再返回原子爐內吸收熱量。該燃料鹽循環系統稱為一次循環系統，一次循環系統帶有核輻射。熔鹽冷卻循環系統稱為二次循環，該循環系統中冷卻鹽（NaBF4—NaF）在熔鹽熱交換器內吸收熱量升溫后，進入熔鹽蒸汽發生器內加熱蒸汽，高溫的蒸汽驅動渦輪機運行發電，冷卻后的蒸汽返回熔鹽蒸汽發生器內再吸收熱量。冷卻鹽溫度降低后，經熔鹽冷卻循環泵（二次泵）被輸送到熔鹽熱交換器內，繼續吸收熱量。二次循環系統沒有核輻射。上述過程不斷循環，構成了燃料鹽循環系統和冷卻鹽循環系統。當運行停止時燃料鹽應排放到燃料鹽貯罐內，而冷卻鹽應排放到冷卻鹽貯罐內。

2 熔鹽循環系統的設計開發

原子爐的堆芯底部下方設計了一個冷凍易熔塞。當原子爐過熱時，即溫度超過預設值時，這個冷凍易熔塞會自動熔化，攜帶核燃料的熔融鹽就全部流入一個專門的應急儲存罐內。裂變物質離開了原子爐，核反應就不會達到臨界狀態，鏈式核反應就會自動終止，故原子爐非常安全。因為釷可溶于氟化鹽液，將釷基氟化鹽溶液倒進原子爐堆芯的管道中，熔鹽循環系統就可以讓核反應堆自動調節。當攜帶核燃料的熔融鹽溫度太高時，就會膨脹溢出管道，從而減緩核裂變，保證原子爐安全。

圖1 原子爐內熔鹽循環系統的工藝流程

原子爐內熔鹽循環系統包括下列設備：熔鹽反應堆、燃料鹽貯罐、冷卻鹽貯罐、應急熔鹽儲存罐、熔鹽熱交換器、熔鹽蒸汽發生器、燃料鹽循環泵（一次泵）、冷卻鹽循環泵（二次泵）、蒸汽渦輪發電機、熔鹽融化保溫裝置、熔鹽輸送管路預熱保溫裝置、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、配套輔機以及閥門儀表、電控裝置等。

原子爐內熔鹽循環系統設計開發要點[1]：首先，通過計算分析確定燃料鹽存貯總量和燃料鹽系統循環流量，確定冷卻鹽存貯總量和冷卻鹽系統循環流量，計算燃料鹽貯罐和應急熔鹽儲存罐及冷卻鹽貯罐的容積并設計相應的結構型式，設計開發冷凍易熔塞的結構型式，繪制一次燃料鹽循環系統和二次冷卻鹽循環系統的管路圖。然后，設計選擇燃料鹽泵和冷卻鹽泵的規格型號以及閥門、儀表的規格型號，設計計算熔鹽熱交換器、熔鹽蒸汽發生器的結構尺寸，從設計角度確保燃料鹽和冷卻鹽的使用安全；再配備相應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，即對核燃料鹽的在線凈化、吸附化學處理裝置進行設計開發。

在熔鹽循環系統初始運行時，所有熔鹽設備和熔鹽循環管路都是處于常溫狀態，需要采用電伴熱方法進行預熱，以防止熔鹽進入后在管路內發生固化堵塞。熔鹽循環系統停止運行時，循環系統內的全部熔融鹽都要排入冷熔鹽貯罐，所以在配管設計時必須有合理的彎曲度，使之不至于有殘余熔鹽滯留，同時冷熔鹽貯罐必須安置在最低處。在循環系統停止運行時，為了防止冷熔鹽貯罐內熔鹽固化，可以使用電伴熱方法將熔鹽的溫度保持在融熔點以上[2]。為了防止水蒸氣或空氣進入熔鹽系統，應盡可能將熔鹽循環系統密封好，并在熔鹽貯罐內充入一定量的惰性氣體或者氮氣進行氣體密封保護，且處于正壓狀態。如果氟化熔鹽暴露在氫中，會形成HF腐蝕性氣體，則設備及管道的腐蝕會加快。為了防止管道中有水蒸氣，產生強烈腐蝕性的氫氟酸，原子爐內熔鹽循環系統應采用干燥的惰性氣體進行密封。

熔鹽循環系統中的熔鹽流量不能過大，否則熔鹽泵的功耗和造價會增大；熔鹽流量也不能過小，如果流量過小了，熔鹽的溫度將會被迫升高，導致循環系統中的熔鹽過熱現象發生[3]。在熔鹽循環系統的設計開發時，應該保證熔鹽設備和管路內熔鹽的流速合理、準確。如果熔鹽流速過高，設備和管道內阻力降過大，熔鹽泵的動力消耗將增大，并沖刷磨損設備和管路的內壁面。如果熔鹽流速過低，熔鹽會呈現出層流狀態，這不僅會影響傳熱效果，還會造成熔鹽流體傳熱不均勻。

3 熔鹽最高液膜溫度的計算

在原子爐中的管道內，流動的熔鹽與管壁表面摩擦會產生流體邊界層，如圖2所示。邊界層內存在一個溫度梯度，邊界層內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高，對于熔鹽而言，邊界層內熔鹽的熱分解率就會過高，而且熔鹽液膜溫度越高，分解反應就越加劇烈。劇烈反應的分解物不具有流動性，只能以沉積物的形態沉淀在管道內壁，或者將管道某一段堵死。對于原子爐而言，管道受熱面就會因熔鹽熱分解而結焦，并導致管壁過熱。因此應確定熔鹽最高液膜溫度產生的位置，并計算出熔鹽最高液膜溫度的準確數值。通常，邊界層中熔鹽最高液膜溫度發生在受熱面上熱流密度最大處，或者熔鹽流動雷諾數Re最小處。為了將管道中熔鹽邊界層內的最高溫度控制在一個相對安全范圍內，并且使熔融鹽變質率處于可接受的允許條件下，就需要計算出熔融鹽最高允許鹽膜溫度。

圖2 熔鹽管壁和管內熔鹽流溫度

原子爐中熔鹽管道內最高液膜溫度計算公式如下：

式中t——管道內熔鹽最高液膜溫度，℃；

tb——管道內熔鹽溫度，℃；

Δt——管道內邊界層中熔鹽的溫升，℃。

式中qmax——原子爐內輻射受熱面最大熱流密度，kJ/(m2·s)；

α——管道內對流放熱系數，W/（m2·℃）；

do——熔鹽管道的外徑，m；

di——熔鹽管道的內徑，m；

ψ——原子爐內輻射熱損失的修正系數。

為了保證原子爐內熔鹽循環系統的安全運行，計算出的熔鹽最高液膜溫度不得超過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算

原子爐內熔鹽管壁最高表面溫度是選擇管材和確定管壁厚度的關鍵設計參數。要計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熔融鹽側的狀況[4]，其管壁和管內溫度分布如圖2所示。

通過管壁的溫降為：

式中to——管道外壁最高表面溫度，℃；

ti——管道內壁最高表面溫度，℃；

qmax——原子爐內熔鹽管道的最大熱強度，W/m2；

kw——熔鹽管道壁的導熱系數，W/（m·℃）；

do——熔鹽管道的外徑，m；

di——熔鹽管道的內徑，m。

通過一潔凈液膜的溫降為：

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

管道外壁的最高表面溫度為：

式中tb——原子爐內最高熱強度那一點上的管道內熔鹽溫度，℃。

如果熔鹽管道內結垢，并且是無法由厚度和導熱率表示的管內污垢，可用污垢阻力r來考慮，則污垢所造成的附加溫降為：

所以在式（6）和式（7）的等號右側還需加上另一個溫降項，即管內壁溫度（熔鹽最高液膜溫度）為：

式中t——管道內熔鹽最高液膜溫度，℃；

tb——管道內熔鹽溫度，℃；

Δt——管道內邊界層中熔鹽的溫升，℃。

而管外壁最高表面溫度為：

管道內壁最高溫度是估算和判斷熔鹽壽命和變質所必需的設計數據。通過式（9）和式（10）可計算出原子爐內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和壁厚，進而保證原子爐內熔鹽循環系統的安全運行。

5 結束語

因為氟化熔融鹽的沸點為1400℃，所以熔鹽循環系統可在較低的壓力下進行循環運轉，從而具有了高溫低壓的能量輸送回路的顯著優勢。由于原子爐的堆芯和主冷卻循環內只有低壓的熔融鹽，在接近大氣壓下運行且沒有蒸汽，因此超壓爆炸事件不會發生。即便發生了意外事件，大量的放射裂變產物仍將留在熔鹽中，而不會散播到空氣中。此外，原子爐堆芯是防熔化的。所以，如果發生了物質泄漏的意外情況，則燃料鹽就會馬上被排放到專門的冷卻應急熔鹽儲存罐中，從而可以完全避免核泄漏事故的發生。

[1]汪琦，俞紅嘯，張慧芬.太陽能光熱發電中熔鹽蓄熱儲能循環系統的設計開發[J].化工裝備技術，2014，35（1）：11-14.

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

[3]汪琦，俞紅嘯.熔鹽加熱爐的結構設計和熔鹽過熱的研究[J].化工裝備技術，2012，33(5)：39-42.

[4]汪琦.熱載體加熱爐爐膛最高熱強度和爐管管壁最高表面溫度的計算[J].石油化工設備技術，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，工學碩士，高級工程師。上海市，200042。