本发明公开了一种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，当反应堆处于正常运行工况时，打开热分隔阀门，关闭辅助加热阀门，启动气体过滤器和气体压缩机，系统起到热分隔作用；当反应堆处于低功率运行或停堆工况时，打开辅助加热阀门，关闭热分隔阀门，启动气体过滤器、气体加热器和气体压缩机，系统起到辅助加热作用。该系统结构简单，启动方便，可同时实现液态金属冷却池式反应堆的冷热池分隔和堆内冷却剂辅助加热两项功能，可有效降低反应堆系统结构的复杂性，提高反应堆的经济性和安全性。该系统的适用范围广，不但适用于采用强迫循环的液态金属冷却池式反应堆，而且适用于采用自然循环的液态金属冷却池式反应堆。
1.一种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，其特征在于：该系统包括气体贮存罐(1)、气体过滤器(2)、热分隔阀门(3)、辅助加热阀门(4)、气体加热器(5)、气体压缩机(6)、气体输入管(7)、喷嘴(8)、内层热隔板(9)、外层热隔板(10)、凸台(11)、气体输出管(12)和风机(13)；其中内层热隔板(9)和外层热隔板(10)均有上部竖直段、中部水平段和下部竖直段组成，内层热隔板(9)和外层热隔板(10)彼此之间留有间隙，形成热隔板间隙(23)，外层热隔板(10)的上部竖直段紧贴主容器(16)的内壁面，内层热隔板(9)的下部竖直段与堆芯(18)的径向间隔为15～20cm，内层热隔板(9)和外层热隔板(10)的上端均悬挂在堆顶盖(19)上，下端均连接堆芯冷却剂入口挡板(17)并与堆芯(18)相连；
在热隔板间隙(23)正上方对应的堆顶盖(19)上开有气体输入管(7)和气体输出管(12)的通过小孔；冷却剂进口(14)位于外层热隔板(10)的下端，冷却剂出口(15)位于内层热隔板(9)的上端且其上沿位于自由液面(20)下方，在冷却剂出口(15)的下沿焊有凸台(11)，凸台(11)由向左上方延伸的倾斜段和竖直段组成；气体贮存罐(1)与气体过滤器(2)相连，气体过滤器(2)分别通过相应的管道连接热分隔阀门(3)和辅助加热阀门(4)，在辅助加热阀门(4)之间装有气体加热器(5)，热分隔阀门(3)和辅助加热阀门(4)分别通过相应管道连接气体压缩机(6)，气体压缩机(6)与气体输入管(7)相连，气体输入管(7)通过堆顶盖(19)上的开孔进入热隔板间隙(23)并与喷嘴(8)相连，气体输出管(12)连接堆顶盖(19)并与热隔板间隙(23)相通，风机(13)一端连接气体输出管(12)，一端与气体贮存罐(1)相连，从而建立系统内气体的闭式循环空间；
冷却剂进口(14)由外层热隔板(10)的底端沿周向开设若干层小孔形成，冷却剂出口(15)由内层热隔板(9)的上端沿周向开设若干层小孔形成；
气体输入管(7)沿着主容器(16)的中轴线对称布置，且彼此之间的周向距离相等，每2个气体输入管(7)的周向中间位置布置一个气体输出管(12)；在堆顶盖(19)上根据气体输入管(7)和气体输出管(12)的布置情况开设对应的管道通过小孔，管道通过小孔均位于热隔板间隙(23)的正上方，且与热隔板间隙(23)相通；
当反应堆处于正常运行工况时，打开热分隔阀门(3)及与气体贮存罐(1)相连的阀门，关闭辅助加热阀门(4)，启动气体过滤器(2)和气体压缩机(6)，气体由气体贮存罐(1) 流入系统后进入气体过滤器(2)，经过滤后的气体进入气体压缩机(6)，被压缩后的气体被气体输入管(7)引入热隔板间隙(23)内，并由喷嘴(8)喷出，形成气泡提升泵，为热隔板间隙(23)内的液态金属提供驱动力，冷池(22)内的液态金属由冷却剂进口(14)进入热隔板间隙(23)，在气泡提升泵的驱动下，由下向上冷却热隔板，吸收热池(21)向冷池(22)传递的热量，由喷嘴(8)进入液态金属内的气体与液态金属形成气液两相流，气液两相流向上流经凸台(11)时流动方向发生反转，由于此时气液两相流内的压力降低，同时气体和液态金属的密度存在巨大差异，导致气体从液态金属内逸出，并进入与堆顶盖(19)相连的气体输出管(12)，在风机(13)的作用下重新汇集置气体贮存罐(1)，从而完成一次气体的闭式循环，实现堆内冷热池分隔功能；当反应堆处于低功率运行或停堆工况时，打开辅助加热阀门(4)及与气体贮存罐(1)相连的阀门，进入系统的气体流入气体过滤器(2)，经过滤后的气体进入气体加热器(5)，被加热的气体进入气体压缩机(6)，形成高温高压的气体并汇入气体输入管(7)，由气体输入管(7)引入热隔板间隙(23)，并由喷嘴(8)喷出，高温高压气体进入液态金属，与液态金属进行换热并随其一同向上流动，与系统进行热分隔时相似，气液两相流在流经凸台(11)时，气体会从两相流中逸出，并进入与堆顶盖(19)相连的气体输出管(12)，在风机(13)的作用下重新汇集置气体贮存罐(1)，从而完成一次气体的闭式循环，被加热后的液态金属经由冷却剂出口(15)后汇入热池(21)，实现堆内辅助加热的功能；
该基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统采用在热隔板间隙内引入惰性气体，形成气泡泵驱动热隔板间隙内的液态金属循环冷却热隔板，从而减小热池向冷池传递的热量，提高反应堆热效率，与三层热隔板方案相比，在热隔板间隙内充满液态金属，可减小热隔板上承担的应力，提高堆内热隔板系统的工程可行性，同时扩展了堆内热分隔系统的使用范围；
该基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统可在不增加堆内设备的前提下，对反应堆处于低功率运行或停堆工况时主容器内的液态金属进行辅助加热，确保主容器内的液态金属温度在熔点以上，提高反应堆的安全性，该基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统与采用二回路和事故余热排出系统中间回路给主容器内液态金属进行辅助加热的方案相比，在于高温、高压气体直接与液态金属进行热交换，辅助加热效率更高，同时可确保主容器发生破裂时系统依然能对堆内液态金属进行正常辅助加热，提高了系统的可靠性和反应堆的安全性；
该基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统可实现在一套系统中实现堆内冷热池分隔和堆内液态金属辅助加热两项功能，具有多功能性，可简化反应堆系统设计，提高系统设备利用率，降低反应堆系统设计和建造成本，提高反应堆的经济性。
2.根据权利要求1所述的一种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统，其特征在于：气体贮存罐(1)内贮存的气体为氦气或氩气。
一种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔
系统
技术领域
[0001] 本发明属于反应堆系统部件设计的技术领域，具体涉及一种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能堆内热分隔系统。
背景技术
[0002] 液态金属冷却池式反应堆采用一体化池式结构，所有的堆内部件均浸没于主容器内的液态金属内，可有效降低一回路冷却剂丧失事故(LOCA)的发生概率；主容器内装载大量的液态金属，使反应堆具有良好的热惰性；同时液态重金属具备良好的自然循环能力，主冷却剂系统可采用自然循环驱动，可有效提高反应堆的经济性和固有安全性。基于液态金属冷却池式反应堆的突出优点，目前其已经成为第四代先进核能系统的重要发展方向。
[0003] 堆内热分隔系统是液态金属冷却池式反应堆的重要系统之一。热分隔系统将液态金属冷却池式反应堆主容器内的液态金属分为上部的热池和下部的冷池，以减少热池向冷池传递的热量，维持冷热池之间的温差。热分隔系统的性能将直接影响液态金属反应堆在正常运行工况下的热效率，以及事故运行工况下主容器内液态金属的自然循环能力，进而影响反应堆的经济性和安全性。
[0004] 在现有的液态金属冷却池式反应堆中，堆内热分隔系统多采用单层或多层钢板结构设计。在采用多层钢板结构的热隔板系统设计中，比较典型的设计方案如下：
[0005] (1)中国实验快堆(CEFR)所设计的堆内热分隔系统水平方向采用彼此间隔的三层热隔板、竖直方向采用彼此间隔的双层热隔板，隔板间隙内通有液态金属循环冷却热隔板。这种设计方案可降低热隔板两侧的温差，减小热隔板上的热应力，但是进入热隔板间隙内的液态金属为由从主泵引入的支流，该设计方案仅适合于采用强迫循环的液态金属冷却池式反应堆，不适合于采用自然循环的液态金属冷却池式反应堆，系统适用范围有限；
[0006] (2)中国科学院合肥物质科学研究院设计的一种液态金属冷却池式反应堆堆内冷热池分隔系统采用彼此间隔的双层热隔板，依靠热隔板间隙内的空气达到热分隔效果，但是该方案中内、外层热隔板之间没有支撑，内层热隔板需要承受整个热池内液态金属的重量，外层热隔板需要承受冷池内液态金属的压力，这样的设计对于热隔板材料的选择要求较高，加工难度较大，工程可行性不高。
[0007] 在单层钢板结构的热隔板系统设计中，比利时的铅铋冷却反应堆(MYRRHA)、法国的凤凰快堆(Phoenix)和印度的原型快堆(PFBR)所设计的热分隔系统是其中较为典型的代表，但是这种设计方案会导致钢板上的热应力较大，对材料的属性要求较高，实现难度较大，隔热效果不好，采用这种单板结构热分隔系统会牺牲液态金属冷却池式反应堆的部分热效率，降低反应堆的经济性，同时这种设计方案对于采用强迫循环的液态金属冷却池式反应堆来说，尚且可以接受，但是对于自然循环的液态金属冷却池式反应堆来说，采用单层结构热分隔系统会导致热池向冷池传递的热量较多，不利于维持热池和冷池之间的温差，除了会影响反应堆的热效率外，同时会降低主冷却剂系统的自然循环能力，不利于反应堆的稳定运行。
[0008] 反应堆辅助加热系统是液态金属冷却池式反应堆的另一个重要系统。当反应堆处于低功率运行或停堆工况时，堆芯所产生的热量将不足以维持主容器内的液态金属温度在熔点以上，若冷却剂一旦发生凝固，将会对反应堆堆本体的系统和设备造成严重的破坏。因此，当反应堆处于低功率运行或停堆工况时，必须对液态金属冷却池式反应堆主容器内的液态金属进行辅助加热，以维持其为液态。
[0009] 目前，液态金属冷却池式反应堆的辅助加热系统，主要有以下几种方式：
[0010] (1)中国实验快堆(CEFR)的辅助加热系统。当反应堆处于低功率运行或停堆工况时，主要依靠主泵与液态金属的摩擦生热，在二回路和事故余热排出系统中间回路上布置电跟踪加热器等方式，使用主热交换器和事故余热热交换器对主容器内的液态金属进行辅助加热，但是这种辅助加热系统对对主泵有依赖，一旦主泵因失电停止运行，将对整个辅助加热系统的正常运行造成较大影响，同时当主泵无法正常工作，仅依靠主热交换器和事故余热热交换器向堆内液态金属传热时，将会导致堆内液态金属的流动发生反转，给堆内系统和设备带来较大的热应力危害。
[0011] (2)比利时设计的铅铋冷却反应堆(MYRRHA)的辅助加热系统。该系统直接位于堆芯下部，系统中安装电加热器，以此来直接加热主容器内的液态铅铋。但该设计方案的加热装置位于反应堆堆池内，增加了堆内结构的复杂性，同时需要考虑液态铅铋对于电加热器的腐蚀作用，且系统维修和检查不便。
[0012] (3)同中国科学院合肥物质科学研究院在对现有堆内辅助加热系统进行改进的基础上，提出了一种在主容器外部对堆池内液态金属进行加热的辅助加热系统。该方案启动方便，结构简单。但是该设计方案中，气体输入管位于主容器和安全容器形成的环腔内，一旦主容器发生破裂，液态金属将进入环腔内，淹没气体输入管，此时系统将无法再继续运行，反应堆内的液态金属将存在凝固的风险。
发明内容
[0013] 本发明的目的是针对液态金属冷却池式反应堆冷热池分隔和堆内液态金属辅助加热的需要，克服目前现有技术适用范围有限，系统结构复杂、维修不便的不足，提供一种启动方便、可靠性高，可同时实现堆内冷热池分隔和堆内液态金属辅助加热功能，适用于强迫循环和自然循环液态金属冷却池式反应堆的基于气举的多功能热分隔系统，以提高反应堆的经济性和安全性。
[0014] 本发明采用的技术方案如下：一种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能热分隔系统，该系统包括气体贮存罐1、气体过滤器2、热分隔阀门3、辅助加热阀门4、气体加热器5、气体压缩机6、气体输入管7、喷嘴8、内层热隔板9、外层热隔板10、凸台11、气体输出管12和风机13；其中内层热隔板9和外层热隔板10均有上部竖直段、中部水平段和下部竖直段组成，内层热隔板9和外层热隔板10彼此之间留有间隙，形成热隔板间隙23，外层热隔板10的上部竖直段紧贴主容器16的内壁面，内层热隔板9的下部竖直段与堆芯18的径向间隔为
15～20cm，内层热隔板9和外层热隔板10的上端均悬挂在堆顶盖19上，下端均连接堆芯冷却剂入口挡板17并与堆芯18相连；在热隔板间隙23正上方对应的堆顶盖19上开有气体输入管
7和气体输出管12的通过小孔；冷却剂进口14位于外层热隔板10的下端，冷却剂出口15位于内层热隔板9的上端且其上沿位于自由液面20下方，在冷却剂出口15的下沿焊有凸台11，凸台11由向左上方延伸的倾斜段和竖直段组成；气体贮存罐1与气体过滤器2相连，气体过滤器2分别通过相应的管道连接热分隔阀门3和辅助加热阀门4，在辅助加热阀门4之间装有气体加热器5，热分隔阀门3和辅助加热阀门4分别通过相应管道连接气体压缩机6，气体压缩机6与气体输入管7相连，气体输入管7通过堆顶盖19上的开孔进入热隔板间隙23并与喷嘴8相连，气体输出管12连接堆顶盖19并与热隔板间隙23相通，风机13一端连接气体输出管12，一端与气体贮存罐1相连，从而建立系统内气体的闭式循环空间。
[0015] 更进一步的，所述的冷却剂进口14为在外层热隔板10的底端沿周向开设若干层小孔形成，冷却剂出口15为在内层热隔板9的上端沿周向开设若干层小孔形成。采用这样的设计不会危及内层热隔板9和外层热隔板10的结构安全性，同时可通根据反应堆热分隔和辅助加热需要，调整小孔层数和小孔的孔径，以调整进入热分隔间隙23内的液态金属质量流量。
[0016] 更进一步的，所述的气体输入管7沿着主容器16的中轴线对称布置，且彼此之间的周向距离相等，每2个气体输入管7的周向中间位置布置一个气体输出管12；在堆顶盖19上根据气体输入管7和气体输出管12的布置情况开设对应的管道通过小孔，管道通过小孔均位于热隔板间隙23的正上方，且与热隔板间隙23相通。在系统进行辅助加热时，气体输入管7的轴对称布置，可以使系统对热隔板间隙23内的液态金属加热更为均匀，可尽可能减小冷却剂出口15处液态金属的温差，降低其与热池21内液态金属混合时带来的热应力危害。
[0017] 更进一步的，所述的气体贮存罐1内贮存的气体为惰性气体，如氦气、氩气等。液态金属冷却池式反应堆对于主容器16内的液态金属的含氧量要求较高，含氧量的高低影响液态金属内残渣的产生和对堆内结构材料的腐蚀，进而影响冷却剂性能和堆内结构材料安全性。采用惰性气体可尽可能降低系统运行时带入的氧气量，从而提高反应堆的安全性。
[0018] 本发明的工作原理为：当反应堆处于正常运行工况时，打开热分隔阀门3及与气体贮存罐1相连的阀门，关闭辅助加热阀门4，启动气体过滤器2和气体压缩机6，气体由气体贮存罐1流入系统后进入气体过滤器2，经过滤后的气体进入气体压缩机6，被压缩后的气体被气体输入管7引入热隔板间隙23内，并由喷嘴8喷出，形成气泡提升泵，为热隔板间隙23内的液态金属提供驱动力，冷池22内的液态金属由冷却剂进口14进入热隔板间隙23，在气泡提升泵的驱动下，由下向上冷却热隔板，吸收热池21向冷池22传递的热量，由喷嘴8进入液态金属内的气体与液态金属形成气液两相流，气液两相流向上流经凸台11时流动方向发生反转，由于此时气液两相流内的压力降低，同时气体和液态金属的密度存在巨大差异，导致气体从液态金属内逸出，并进入与堆顶盖19相连的气体输出管12，在风机13的作用下重新汇集置气体贮存罐1，从而完成一次气体的闭式循环，实现堆内冷热池分隔功能；当反应堆处于低功率运行或停堆工况时，打开辅助加热阀门4及与气体贮存罐1相连的阀门，进入系统的气体流入气体过滤器2，经过滤后的气体进入气体加热器5，被加热的气体进入气体压缩机6，形成高温高压的气体并汇入气体输入管7，由气体输入管7引入热隔板间隙23，并由喷嘴8喷出，高温高压气体进入液态金属，与液态金属进行换热并随其一同向上流动，与系统进行热分隔时相似，气液两相流在流经凸台11时，气体会从两相流中逸出，并进入与堆顶盖19相连的气体输出管12，在风机13的作用下重新汇集置气体贮存罐1，从而完成一次气体的闭式循环，被加热后的液态金属经由冷却剂出口15后汇入热池21，实现堆内辅助加热的功能。
[0019] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0020] (1)本发明采用在热隔板间隙内引入惰性气体，形成气泡泵驱动热隔板间隙内的液态金属循环冷却热隔板，从而减小热池向冷池传递的热量，提高反应堆热效率。与中国实验快堆设计的三层热隔板方案相比，本发明的优点在于在热隔板间隙内充满液态金属，可减小热隔板上承担的应力，提高堆内热隔板系统的工程可行性，同时扩展了堆内热分隔系统的使用范围，无论是强迫循环还是自然循环液态金属冷却池式反应堆，都可以采用本发明的设计方案。
[0021] (2)本发明该系统可在不增加堆内设备的前提下，对反应堆处于低功率运行或停堆工况时主容器内的液态金属进行辅助加热，确保主容器内的液态金属温度在熔点以上，提高反应堆的安全性。与中国实验快堆设计的采用二回路和事故余热排出系统中间回路给主容器内液态金属进行辅助加热的方案相比，本发明的优点在于在进行辅助加热时，不会使热池内的液态金属流动发生反转，不会给堆内系统和部件带来热应力危害。与中国科学院合肥物质科学研究院设计的采用气体输入管引入热气体加热主容器壁面以给堆池内液态金属传热的辅助加热方案相比，本发明的优点在于高温、高压气体直接与液态金属进行热交换，辅助加热效率更高，同时可确保主容器发生破裂时系统依然能对堆内液态金属进行正常辅助加热，提高了系统的可靠性和反应堆的安全性。
[0022] (3)本发明可实现在一套系统中实现堆内冷热池分隔和堆内液态金属辅助加热两项功能，具有多功能性，可简化反应堆系统设计，提高系统设备利用率，降低反应堆系统设计和建造成本，提高反应堆的经济性。
附图说明
[0023] 图1是本发明的系统结构示意图。
[0024] 图2是本发明的堆顶盖上气体输入管、气体输出管布置示意图。
[0025] 图3是本发明的冷却剂进口示意图。
[0026] 图中，1为气体贮存罐，2为气体过滤器，3为热分隔阀门，4为辅助加热阀门，5为气体加热器，6为气体压缩机，7为气体输入管，8为喷嘴，9为内层热隔板，10为外层热隔板，11为凸台，12为气体输出管，13为风机，14为冷却剂进口，15为冷却剂出口，16为主容器，17为堆芯入口冷却剂挡板，18为堆芯，19为堆顶盖，20为自由液面，21为热池，22为冷池，23为热隔板间隙。
具体实施方式
[0027] 本发明提供一种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能热分隔系统，下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细阐述：
[0028] 图1是本发明的系统结构示意图。本发明由气体贮存罐1、气体过滤器2、热分隔阀门3、辅助加热阀门4、气体加热器5、气体压缩机6、气体输入管7、喷嘴8、内层热隔板9、外层热隔板10、凸台11、气体输出管12、风机13以及设备与设备之间相连的管道和其他阀门组成；其中内层热隔板9和外层热隔板10均有上部竖直段、中部水平段和下部竖直段组成，内层热隔板9和外层热隔板10彼此之间留有间隙，形成热隔板间隙23，外层热隔板10的上部竖直段紧贴主容器16的内壁面，内层热隔板9的下部竖直段与堆芯18的径向间隔为15～20cm，内层热隔板9和外层热隔板10的上端均悬挂在堆顶盖19上，下端均连接堆芯冷却剂入口挡板17并与堆芯18相连；在热隔板间隙23正上方对应的堆顶盖19上开有气体输入管7和气体输出管12的通过小孔；冷却剂进口14位于外层热隔板10的下端，冷却剂出口15位于内层热隔板9的上端且其上沿位于自由液面20下方，在冷却剂出口15的下沿焊有凸台11，凸台11由向左上方延伸的倾斜段和竖直段组成；气体贮存罐1与气体过滤器2相连，气体过滤器2分别通过相应的管道连接热分隔阀门3和辅助加热阀门4，在辅助加热阀门4之间装有气体加热器5，热分隔阀门3和辅助加热阀门4分别通过相应管道连接气体压缩机6，气体压缩机6与气体输入管7相连，气体输入管7通过堆顶盖19上的开孔进入热隔板间隙23并与喷嘴8相连，气体输出管12连接堆顶盖19并与热隔板间隙23相通，风机13一端连接气体输出管12，一端与气体贮存罐1相连，从而建立系统内气体的闭式循环空间。
[0029] 当反应堆处于正常运行工况时，打开热分隔阀门3及与气体贮存罐1相连的阀门，关闭辅助加热阀门4，启动气体过滤器2和气体压缩机6，气体由气体贮存罐1流入系统后进入气体过滤器2，经过滤后的气体进入气体压缩机6，被压缩后的气体被气体输入管7引入热隔板间隙23内，并由喷嘴8喷出，形成气泡提升泵，为热隔板间隙23内的液态金属提供驱动力，冷池22内的液态金属由冷却剂进口14进入热隔板间隙23，在气泡提升泵的驱动下，由下向上冷却热隔板，吸收热池21向冷池22传递的热量，由喷嘴8进入液态金属内的气体与液态金属形成气液两相流，气液两相流向上流经凸台11时流动方向发生反转，由于此时气液两相流内的压力降低，同时气体和液态金属的密度存在巨大差异，导致气体从液态金属内逸出，并进入与堆顶盖19相连的气体输出管12，在风机13的作用下重新汇集置气体贮存罐1，从而完成一次气体的闭式循环，实现堆内冷热池分隔功能；当反应堆处于低功率运行或停堆工况时，打开辅助加热阀门4及与气体贮存罐1相连的阀门，进入系统的气体流入气体过滤器2，经过滤后的气体进入气体加热器5，被加热的气体进入气体压缩机6，形成高温高压的气体并汇入气体输入管7，由气体输入管7引入热隔板间隙23，并由喷嘴8喷出，高温高压气体进入液态金属，与液态金属进行换热并随其一同向上流动，与系统进行热分隔时相似，气液两相流在流经凸台11时，气体会从两相流中逸出，并进入与堆顶盖19相连的气体输出管12，在风机13的作用下重新汇集置气体贮存罐1，从而完成一次气体的闭式循环，被加热后的液态金属经由冷却剂出口15后汇入热池21，实现堆内辅助加热的功能。
[0030] 凸台11的向左上倾斜部分中，为了尽可能减小其对于冷却剂流动的影响，倾斜角的选取不宜过大，一般在15～45°之间。凸台11的设计主要起到液态金属与惰性气体的分离作用，热隔板间隙23内的含气液态金属流凸台11发生流动反转的轴线位置要高于自由液面20，同时由于自由液面20淹没了冷却剂出口15，相当于在冷却剂出口15处形成一个液封，因此在凸台11分离出来的气体不会进入主容器16而逸散到自由液面20上方，改变自由液面20上方的覆盖气体压力。
[0031] 图2是本发明的堆顶盖上气体输入管、气体输出管布置示意图。本发明的气体输入管7沿着主容器16的中轴线对称布置，且彼此之间的周向距离相等，每2个气体输入管7的周向中间位置布置一个气体输出管12；在堆顶盖19上根据气体输入管7和气体输出管12的布置情况开设对应的管道通过小孔，管道通过小孔均位于热隔板间隙23的正上方，且与热隔板间隙23相通。在气体输入管7和气体输出管12与堆顶盖19的连接部位装设膨胀节，同时做好密封处理，防止堆内放射性物质逸出。在系统对主容器内液态金属进行辅助加热时，气体输入管7的布置，可使系统对热隔板间隙23内的液态金属的加热更为均匀，使冷却剂出口15的液态金属温差更小，防止其与热池21内的液态金属混合中带来的热应力危害。
[0032] 图3是本发明的冷却剂进口示意图。冷却剂进口14为在外层热隔板10的底端沿周向开若干层小孔形成，冷却剂出口15为在内层热隔板9的上端以同样的方式沿周向开若干层小孔形成。采用这样的设计不会危及内层热隔板9和外层热隔板10的结构安全性，同时可通根据反应堆热分隔和辅助加热需要，调整小孔层数和小孔的孔径，以调整进入热分隔间隙23内的液态金属质量流量。
[0033] 气体贮存罐1内贮存的气体为惰性气体，如氦气、氩气等。液态金属冷却池式反应堆对于主容器16内的液态金属的含氧量要求较高，含氧量的高低影响液态金属内残渣的产生和对堆内结构材料的腐蚀，进而影响冷却剂性能和堆内结构材料安全性。采用惰性气体可尽可能降低系统运行带入的氧气量，从而提高反应堆的安全性。
[0034] 下面以某铅铋冷却自然循环池式反应堆所设计的基于气举的多功能热分隔系统为例，对系统的主要技术参数和相关运行工况进行阐述。
[0035] 整个反应堆的热功率为10MW，所设计的这种基于气举的液态金属冷却池式反应堆多功能热分隔系统，由气体贮存罐、气体过滤器、热分隔阀门、辅助加热阀门、气体加热器、气体压缩机、气体输入管、喷嘴、内层热隔板、外层热隔板、凸台、气体输出管、风机以及设备与设备之间相连的管道和其他阀门组成。相关部件的静态连接方式、系统的运行过程分别与权利要求1和发明内容的系统工作原理所叙述的一致。
[0036] 系统的热分隔功能设计标准定为在反应堆处于额定运行工况时，热池向冷池传递的热量在反应堆额定功率的1％以内，通过理论计算和CFD数值模拟计算，对设计的热分隔系统中内、外层热隔板厚度、热隔板间隙大小等主要技术参数进行优化，所最终确定的设计方案中，热池向冷池传递的热量占反应堆额定功率的0.83％，低于1％，达到了设计目标。表1中列举了系统进行堆内冷热池分隔时的主要技术参数。
[0037] 所设计的反应堆安全容器外设置有非能动余热排出系统RVACS，RVACS、安全容器和主容器都布置在堆坑内，RVACS位于安全容器外。当反应堆处于低功率运行或停堆工况时，将多功能热分隔系统、堆坑和混凝土空气冷却系统作为一个整体来研究和分析，系统损失的热量由堆顶盖的对流散热、与主冷却剂相连设备的导热散热和堆坑空气冷却系统的对流散热组成。对系统进行辅助加热的气体为氦气，其为系统进行辅助加热时的热源。
[0038] 当反应堆处于低功率运行或停堆工况时，系统处于辅助加热状态，表1中列举了系统进行堆池内液态金属辅助加热时的主要技术参数。
[0039] 表1基于气举的铅铋冷却自然循环池式反应堆多功能热分隔系统主要技术参数[0040]序号 技术参数 单位 数值
1 反应堆额定功率 MW 10
2 热分隔系统辅助加热功率 KW 46.8
3 热池铅铋温度 ℃ 380
4 冷池铅铋温度 ℃ 250
5 内层、外层热隔板厚度 mm 20
6 内层、外层热隔板间隙 mm 80mm
7 冷却剂进口/出口开孔孔径 mm 10
8 冷却剂进口/出口开孔层数 层 3
9 气体输入管直径 mm 60
10 气体输入管个数 个 4
11 气体输出管个数 个 4
[0041] 系统中的气体过滤器2可以除去惰性气体中夹带的灰尘和杂物等，以免赃物污染系统管道和设备。气体加热器5是加热气体时的主要热源，风机13为整个系统的气体循环提供动力，可通过调节气体加热器3和风机13转速来调整系统辅助加热时的输入功率。
[0042] 整个系统的气体输入管7彼此之间是相互独立的，当系统进行辅助加热时，如果此时1-2个气体输入管7出现故障而无法正常运行，仅需提高与其他气体输入管7相连的气体加热器5的功率、增大风机13的转速，即可提高依然正常工作的气体输入管7输入的热功率，满足液态金属冷却池式反应堆的辅助加热需求，系统的设计具有独立性和冗余性。同时，如果反应堆的功率增大和减小，仅需对应增多热隔板间隙23内布置的气体输入管7的个数，即可满足对应功率下液态金属冷却池式反应堆的辅助加热需求。
[0043] 总之，本发明实现了在液态金属冷却池式反应堆堆内对主容器中的液态金属进行冷热池分隔和辅助加热功能。系统结构简单、启动方便，在一套系统上实现热分隔和辅助加热两项功能，这有助于提高反应堆系统的设备利用率，降低反应堆系统设计的复杂性，有效提高反应堆的经济性和安全性。
[0044] 本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。
[0045] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
