非能动自然循环铅铋加气装置及加气方法
技术领域
本发明涉及核能设备相关领域，具体涉及非能动自然循环铅铋加气装置及加气方法。
背景技术
ADS(accelerate driven system,加速器驱动系统)是最有前景的嬗变技术之一。ADS装置由中能强流质子加速器、外源中子产生靶和次临界反应堆构成，是一种高效的核废物嬗变炉。ADS的基本原理如下由加速器产生的质子束轰击在次临界堆中的重金属靶件，引起散裂反应，再通过核内级联和核外级联产生中子，散裂中子靶为次临界堆提供外源中子。在ADS中利用液态铅铋合金(PbBi)作为散裂靶兼冷却剂，除了具有很好的中子学性能之外，还具有优良的抗辐照性能、传热性能和安全特性，可以提高靶系统的寿命和次临界反应堆的安全性。
铅铋合金作为重要的冷却材料，它的热工水力特性对于所建造的实验台架或者是堆芯都十分重要，这可以保证其热量的正常导出。目前虽有对铅铋循环流动换热进行研究的报道，但主要集中在对于换热性能方面的影响研究，少有对非能动自然循环的研究，也少有对铅铋加气装置的相关研究，更无气体种类、用量等参数对于自然循环效果影响方面的研究。
由于上述原因，本发明人针对铅铋合金自然循环的问题，设计出一种能够辅助分析影响非能动自然循环铅铋合金流动及换热能力的因素的辅助装置。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种非能动自然循环铅铋加气装置，该装置能够安装在铅秘合金非能动自然循环装置上，用以为铅秘合金非能动自然循环装置中的铅秘合金提供不同配比的混合气体，或者提供不同压力、流速下的混合气体，从而方便于研究不同混合气体、不同压力及不同流速对于铅秘合金非能动自然循环能力的影响。
具体来说，本发明的目的在于提供一种非能动自然循环铅铋加气装置，该装置包括气体循环管道，该气体循环管道安装在铅铋合金循环管道上；
在所述铅铋合金循环管道中流通有铅铋合金冷却剂，在所述铅铋合金循环管道上设置有加热器和换热器；
所述气体循环管道包括顺次相连的升温段、热气段、降温段和冷气段；
所述升温段安装在铅铋合金循环管道的上升段中，且位于加热器之后；
所述降温段安装在铅铋合金循环管道的下降段中，且位于换热器之后；
所述热气段穿过所述铅铋合金循环管道的壁面，一端与升温段顶端密封连接，另一端与降温段的顶端密封连接；
所述冷气段穿过所述铅铋合金循环管道的壁面，一端与升温段的底端密封连接，另一端与降温段的底端密封连接；
在所述升温段上开设有进气管口，
在所述冷气段上开设有集气管口，
通过所述进气管口向所述气体循环管道中注入气体，通过所述集气管口排出气体循环管道中的气体。
其中，该装置还包括进气管道和集气管道，其中，在所述进气管道上依次设置有进气系统、进气止逆阀和泵，所述进气管道与所述进气管口连通；
在所述集气管道上依次设置有集气系统、出气逆止阀和排风扇；所述集气管道与所述集气管口连通。
其中，通过所述进气系统调整所述气体的成分比例。
其中，所述进气系统包括气体柜和混合腔；
所述气体柜与混合腔通过管道相连，且在管道上设置有进气逆止阀和减压阀；
所述气体柜设置有多个，每个气体柜中都存储有一种气体，不同气体柜中的气体种类可以相同也可以不同；
所述多个气体柜逐一向混合腔中注入气体；
在所述混合腔上设置有压力指示器；所述压力指示器用以实时输出混合腔上的压力值，从而根据压力指示器的数据调整混合气体的比例。
其中，通过所述集气系统收集并储存气体循环管道中的气体。
其中，所述集气系统包括分离室和存储瓶，在所述分离室和存储瓶之间设置有集气逆止阀；
优选地，所述存储瓶设置有多个，分别通过管道连通至分离室的不同位置。
其中，在所述分离室中设置有渗透膜；通过所述渗透膜将分离室分隔成多个顺次相连的独立空间，每个所述独立的空间都与至少一个存储瓶连通。
本发明还提供一种非能动自然循环铅铋加气方法，
混合腔中的气体经过进气止逆阀和泵后通过进气管口进入到气体循环管道的升温段中；
该气体在循环管道的升温段中向上移动，并被铅铋合金循环管道中的铅铋合金加热，随后依次经过热气段和降温段，在降温段中被冷却，最后经由冷气段回到升温段中，从而在气体循环管道中循环流动；
在需要排出气体循环管道中的气体时，开启集气管道上的出气逆止阀和排风扇，使得气体循环管道中的气体经过集气管口进入到集气系统中。
其中，所述混合腔中的气体通过下述步骤进行配置，
步骤a，通过减压阀将一个气体柜中的气体注入到混合腔中，通过压力指示器记录混合腔中的压力值；
步骤b，通过另一个减压阀将另一个气体柜中的气体注入到混合腔中，再通过压力指示器记录混合腔中的压力值，根据压力值的变化解算混合腔中混合气体的质量比。
其中，对进入到集气系统中的气体做如下处理：
控制气体依次经过集气系统中的多个分离室，待集气管道中所有气体都进入到分离室中以后，首先将距离集气系统进气端最远的分离室中的气体注入到存储瓶中，再收集与该最远的分离室相邻的分离室中气体，依此类推，最终将所有分离室中的气体都分别收入到不同的存储瓶中。
本发明提供的非能动自然循环铅铋加气装置中设置有进气系统，能够快速准确地配置出期望配比的混合气体，并且将之注入到循环管路中进行实验操作，从而检验不同配比的气体对于铅铋合金非能动自然循环的影响，可以为具体反应堆设计提供基础研究数据。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的非能动自然循环铅铋加气装置整体结构示意图；
图2示出根据本发明一种优选实施方式的进气系统结构示意图；
图3示出根据本发明一种优选实施方式的集气系统结构示意图。
附图标号说明：
11-升温段
12-热气段
13-降温段
14-冷气段
2-进气管口
3-集气管口
4-进气系统
41-气体柜
42-进气逆止阀
43-减压阀
44-混合腔
45-压力指示器
5-进气止逆阀
6-泵
7-集气系统
71-分离室
72-存储瓶
73-集气逆止阀
74-渗透膜
8-出气逆止阀
9-排风扇
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明提供的非能动自然循环铅铋加气装置，如图1中所示，该装置包括气体循环管道，该气体循环管道安装在铅铋合金循环管道上；所述铅铋合金循环管道独立密封，其内的铅铋合金循环流动；所述气体循环管道独立密封，其内的其他循环流动。所述气体循环管道的直径尺寸较小，气体循环管道的外径尺寸为铅铋合金循环管道内径尺寸的十分之一以下，基本不会堵塞铅铋合金的正常循环流动。
在所述铅铋合金循环管道中流通有铅铋合金冷却剂，在所述铅铋合金循环管道上设置有加热器和换热器；
所述气体循环管道包括顺次相连的升温段11、热气段12、降温段13和冷气段14；
所述升温段11安装在铅铋合金循环管道的上升段中，且位于加热器之后；通过设置该升温段11，使得铅铋合金循环管道的上升段中整体的平均密度降低，从而通过密度影响铅铋合金的流动性能，促进铅铋合金自然循环流动，确保核反应能够安全有效地持续进行。
所述降温段13安装在铅铋合金循环管道的下降段中，且位于换热器之后；
所述热气段12穿过所述铅铋合金循环管道的壁面，一端与升温段11顶端密封连接，另一端与降温段13的顶端密封连接；
所述冷气段14穿过所述铅铋合金循环管道的壁面，一端与升温段11的底端密封连接，另一端与降温段13的底端密封连接；
在所述升温段11上开设有进气管口2，
在所述冷气段14上开设有集气管口3，
通过所述进气管口2向所述气体循环管道中注入气体，通过所述集气管口3排出气体循环管道中的气体。
本发明所述的非能动自然循环铅铋换热装置为现有技术中已有的核反应堆冷却循环装置，记载在申请号为201120502918.8名称为非能动自然循环铅铋换热装置的专利文献中，也可以是实验室中应用的模拟装置，旨在研究不同混合气体配比及压力、流速对于铅秘合金流动性、换热性的影响。在一个优选的实施方式中，该装置还包括进气管道和集气管道，其中，在所述进气管道上依次设置有进气系统4、进气止逆阀5和泵6，所述进气管道与所述进气管口2连通，用以向气体循环管道中注入气体，该气体为进气系统配置的气体，可以根据具体试验需要进行选择，既可以是单质气体，也可以是特定比例的混合气体；
在所述集气管道上依次设置有集气系统7、出气逆止阀8和排风扇9；所述集气管道与所述集气管口3连通，通过所述集气管道从气体循环管道中抽取气体，达到排除/清空气体循环管道的目的，也能够通过该集气管道收抽取体的方式来促进气体循环管道中气体循环流动。
优选地，所述进气管道中的压力相对于铅铋合金流体是常压，气体注入流量为0.001—0.01kg/s。
在一个优选的实施方式中，所述进气管口2处向气体循环管道中注入的气体的速率可以控制在2m/s—5m/s。
在一个优选的实施方式中，通过所述进气系统4调整所述气体的成分比例，即调整注入到气体循环管道中的气体成分比例。
所述集气系统7用于在实验结束后，对气体进行收集净化。第一步，开启出气逆止阀8和设置在管道内的排风扇9，将气体循环管道中的气体通入到集气系统7中。第二步，利用集气系统7中设置的多层渗透膜进行气体分离，利用各种气体对膜的相对渗透速率不同，达到分离气体的目的，第三步，通过分析仪检测每层气体的纯度，检测合格即纯度达到99％以上时将之输送至存储瓶72。
在一个优选的实施方式中，如图2中所示，所述进气系统4包括气体柜41和混合腔44；所述气体柜41与混合腔44通过管道相连，且在管道上设置有进气逆止阀42和减压阀43；
所述气体柜41设置有多个，每个气体柜41中都存储有一种气体，不同气体柜41中的气体种类可以相同也可以不同；其中，气体柜41设置有至少三个，每个气体柜41中都存储有一种气体，如氦气、氩气或者氮气。
通过设置进气逆止阀42确保气体柜41中的气体能够进入到混合腔54中，但混合腔44中的气体不能反向进入到气体柜41中；通过设置减压阀能够调整进入到混合腔54中气体的压力，从而实现对于气体通入量及比例的控制。
所述压力指示器45安装在混合腔44上，用以实时输出混合腔44上的压力值，从而根据压力指示器45的数据调整混合气体的比例。
所述多个气体柜41逐一向混合腔44中注入气体，即在任意时刻，至多有一个气体柜41在向混合腔44中注入气体，不能存在两个或以上气体柜同时向混合腔中注入气体的情况，从而实现通过读取混合腔44压力值的方式来获知混合腔中气体比例。
在一个优选的实施方式中，所述多个气体柜41分别单独向混合腔44中注入气体，通过压差控制流速实现对混合气体组分的比例控制，具体来说，在控制系统温度不变的情况下，第一个气体柜41中的气体A因减压阀产生的压差通过线路进入真空状态的混合腔44，通过压力指示器45记录此时混合腔压力PA；再通入另一个气体柜41中的气体B，通过压力指示器可记录此时的压力为PA+PB，根据理想气体方程可知容器中两气体的分压比就是两气体的摩尔比。即可通过减压阀控制压差控制气体的质量流量，并根据混合腔的压力指示器精确调整混合气体的比例，实现单独加入单种或者各类不同比例混合气体的目的。
通过设置上述进气系统4能够根据具体需要快速准确地提供特定比例的混合气体，从而通过多次反复实验，分别给出不同的混合气体配比，比较不同配比情况下铅秘合金流动性的不同，从而找到最优的混合气体配比。
本申请中通过上述设置，.既可以单一气体注入，也可以多种气体混合注入；减压阀和气体柜之间设置逆止阀，防止气体倒流入气体柜；混合腔前设置单向阀和气泵，防止气体倒流同时使得装置可以在实验中根据需要实时加入所需气体。加入气体步骤：1.看此时的压力指示器的指数，记为P1然后打开所需气体的气体柜前的减压阀通入所需气体，根据压力指数的变化得到所需气体的量。2.关闭减压阀，打开泵6，泵入所需气体，因为有逆止阀，所以不必考虑位于铅铋合金循环管道的气体循环管道中的热气体倒流，直到压力指示器的指数回到P1，即加气完毕，关闭泵。
另外，每次通过气体柜41向混合腔44中注入气体的方式配置混合气体，配置的混合气体总量都足够一次循环实验所需，从而不必再次配置相同比例的混合气体。
在实验开始前，气体循环管道内可以设置为真空状态，实验后，气体循环管道内气体通过排风扇9引入到集气系统7中。
如果实验一次过后，需要改变气体配比，则需要更换气体，如不需要更换气体配比，则不需要更换气体，无需通过集气管道向外集气。
在一个优选的实施方式中，如图3中所示，所述集气系统7包括分离室71和存储瓶72，在所述分离室71和存储瓶72之间设置有集气逆止阀73；
优选地，所述存储瓶72设置有多个，分别通过管道连通至分离室71的不同位置。
其中，在所述分离室71中设置有渗透膜74；通过所述渗透膜74将分离室71分隔成多个顺次相连的独立空间，每个所述独立的空间都与至少一个存储瓶72连通，从而可以在需要从独立空间中抽取气体时，可以将该气体存储在存储瓶72中。
本发明还提供一种非能动自然循环铅铋加气方法，该方法中，通过下述步骤调配预定比例的混合气体，
步骤a，通过减压阀43将一个气体柜41中的气体注入到混合腔44中，通过压力指示器45记录混合腔44中的压力值；
步骤b，再通过另一个减压阀将另一个气体柜中的气体注入到混合腔44中，再通过压力指示器45记录混合腔44中的压力值，根据压力值的变化解算混合腔44中缓混合气体的质量比。
优选地，还可以根据期望的混合气体组成，任选地继续向混合腔44中注入其他气体柜中的气体，即如果混合气体中含有三种成分，则分别开启三个对应的气体柜，顺次将三种气体注入到混合腔中。
优选地，通过下述方式确定混合气体中各成分的质量比，
步骤1，记录第一个气体柜41中气体A注入到混合腔44中以后，混合腔44中的气体压力，记为PA；
步骤2，记录第二个气体柜42中气体B注入到混合腔44中时，混合腔44中气体压力的变化情况，记录此时气体总压力为PA+PB，其中PB表示单独气体B产生的压力，PA与PB的比值记为气体A与其他B的质量比。
同样道理，还可以继续添加第三个其他柜42中气体C，对应地，在添加气体C的过程中混合腔54中气体压力是总压力，可以记为PA+PB+PC，气体A、B、C的质量比等于PA、PB和PC的比值。
在一个优选的实施方式中，该非能动自然循环铅铋加气方法中，调配得到混合气体后，混合腔44中的混合气体经过进气止逆阀5和泵6后通过进气管口2进入到气体循环管道的升温段11中；通过调整该泵6的功率，还能够调节气体进入速度，从而获得不同流速气体对非能动自然循环的影响。
该气体在循环管道的升温段11中向上移动，并被铅铋合金循环管道中的铅铋合金加热，随后依次经过热气段12和降温段13，在降温段13中被冷却，最后经由冷气段14回到升温段11中，从而在气体循环管道中循环流动；
在需要排出气体循环管道中的气体时，开启集气管道上的出气逆止阀8和排风扇9，使得气体循环管道中的气体经过集气管口3进入到集气系统7中。
优选地，对进入到集气系统7中的气体做如下处理：
控制气体依次经过集气系统7中的多个分离室71，待集气管道中所有气体都进入到分离室71中以后，首先将距离集气系统7进气端最远的分离室71中的气体注入到存储瓶72中，再收集与该最远的分离室相邻的分离室中气体，依此类推，最终将所有分离室中的气体都分别收入到不同的存储瓶72中。更优选地，在距离集气系统7进气端最远的分离室71与存储瓶72之间设置排风扇，该排风扇持续工作，使得该分离室中处于负压状态，从而便于集气系统中的气体持续朝向该距离集气系统7进气端最远的分离室处扩散，以便于气体组分分离。
实施例：
选择华北电力大学核热工安全与标准化研究所设计的自然循环二回路装置，已知该循环流动装置中铅秘合金的流动速率为2m/s，其中铅铋流体定压比热容为144.9KJ/Kg，导热系数12.1W/K.m，动力粘度0.00169Kg/m.s；
在该铅秘合金自然循环流动装置上安装本申请提供的非能动自然循环铅铋加气装置，该装置包括气体循环管道，所述气体循环管道包括顺次相连的升温段、热气段、降温段和冷气段；所述升温段安装在铅铋合金循环管道的上升段中，所述降温段安装在铅铋合金循环管道的下降段中；在所述升温段上开设有进气管口，在所述冷气段上开设有集气管口。
通过进气系统调配气体，在进气止逆阀和泵作用下，在不同流量、相同压力下进入到气体循环管道中，观测记录不同混合气体情况下铅秘合金的流动速率和传热能力，从而能够比较不同流量的混合气体对于铅秘合金的流量的影响；实验铅铋合金上升段的温度400℃。
得到的实验结果详见下表：
通过进气系统4调配一种气体，在进气止逆阀和泵的作用下，在不同流速、相同压力下进入到铅秘合金自然循环流动装置中，观测记录不同混合气体情况下铅秘合金的流量，从而能够比较不同流速的混合气体对于铅秘合金的流量的影响；实验铅铋合金上升段的温度400℃。
得到的实验结果详见下表：
通过进气系统4调配一种气体，在进气止逆阀和泵的作用下，在不同流速、相同压力下进入到铅秘合金自然循环流动装置中，观测记录不同混合气体情况下铅秘合金的流量，从而能够比较不同流速的混合气体对于铅秘合金的流量的影响；实验铅铋合金上升段的温度500℃。
得到的实验结果详见下表：
根据实施例结果可知，在其它条件不变的情况下，注入气体的体积份额增大有利于增强自然循环能力，注入气体的体积份额减小，铅铋的径向温度分布更均匀，平均温度降低，传热能力减弱；
保证其它条件不变，改变注入气体的速度，对温度的分布没有明显影响，而总压的影响在局部存在，总体上影响不大；
同一温度下，氩气注入流量越大，回路中铅铋自然循环的流量越大，不同温度下，注入相同的氩气流量，则温度越高，铅铋自然循环的流量越大；
注入气体并不在于增大铅铋流体的总压，而在于改变了铅铋合金的平均密度，减少了提升压降，进而增大了回路的驱动压头，增强了自然循环能力。
综上所述，可以通过本申请提供的非能动自然循环铅铋加气装置及加气方法获得最佳的、最适合于核反应堆的加入气体配比、气体流速、和气体流量。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。
