CN101916594B - 一种非能动的核电站破口事故缓解*** - Google Patents

一种非能动的核电站破口事故缓解*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于核电站安全技术领域的一种非能动的核电站LOCA事故缓解***。利用记忆合金在一定温度下收缩变形的特性，与四杆机构和阀门串联组成相应的记忆合金智能开关装置，安装在安全壳内合适的位置，在LOCA事故安全壳内充满高温高压水蒸气的情况下，执行相应制动动作。利用溴化锂溶液的强烈的吸湿特性，吸收安全壳内高温高压的水蒸气，从而达到缓解事故的目的。该***中存在着自然循环，四杆机构动力传递，压力作用等诸多非能动方式。该***主要采用非能动的自动运行，实施方便，控制简单，可靠性高，安全稳定。

Description

一种非能动的核电站破口事故缓解***
技术领域
本发明属于核电站安全技术领域，特别涉及一种非能动的核电站破口事故缓解***。具体说，是由于核电站出现破口事故(LOCA)，导致一回路内的冷却剂喷射到安全壳内，造成安全壳高温高压而可能引发严重事故时，核电站吸湿***自动动作，利用盐溶液，使之吸湿并降压降温，实现抑制或缓解事故，使事故的危害性降低。
背景技术
在压水堆核电站出现LOCA事故时，一回路中高温高压的水会变成蒸汽，水蒸汽喷射而入安全壳，导致安全壳的压力和温度的升高。如果处理不当，将引发核电厂的严重事故。目前在二代压水堆中，主要的处理方式是，利用安全注射***的正常运转，可以实现对事故的抑制，并能够在某种程度减轻事故的危害。现有的安全注射***主要有高压、中压和低压三类安全注射***。其中除中压安全注射***是靠压力触发，属于非能动的之外，高压和低压安全注射***都靠信号触发水泵动力驱动运转。在先进反应堆的设计中，采用可靠的非能动安全措施则是一个重要的标志。如AP1000采用了非能动安全壳冷却***PCS，利用重力排水和空气自然对流实现对钢制安全壳内的蒸汽冷却和降压。但无论是二代堆采用的能动***，还是以AP1000采用的非能动***，主要的实现方式都是由降温开始同时实现降压的原理。要解决在事故工况下更有效地降压降温，从减压开始之目的，就必须设计新型的非能动***。这种***必须能够直接处理事故工况下压力场和温度场的变化，直接快速地触发***，以有效缓解事故，保证核电站乃至周围环境的安全。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提出一种非能动的核电站破口事故缓解***，其特征在于，该破口事故缓解***是一种利用盐溶液的吸湿功能来实现对核电站安全壳内的降温降压的***；具体是利用溴化锂溶液的强烈的吸湿功能来实现对核电厂安全壳内来降温降压的***，在安全壳18内上部，第一组记忆合金智能开关装置A连接溴化锂溶液箱1的箱盖，第一组记忆合金智能开关装置A作为开启箱盖的阀门，是由温控记忆合金与相应的阀门串联成一组非能动开关或采用压力自动开关的阀门；第二组记忆合金智能开关装置B安装在溴化锂溶液箱1的上部，并且其一端给料管***溴化锂溶液箱1的上空间，另一端和安全壳外部的溴化锂溶液填料箱体11连通；第三组记忆合金智能开关装置C安装在溴化锂溶液箱1的靠底端的侧面，并和连接在溴化锂溶液箱1上部的溢流管路14并联，换热器13的进出水管分别连接在溴化锂溶液箱1的上部和靠底端的侧面；在安全壳18内下部，压力容器15和蒸汽发生器16、稳压器17组成串联回路；这样增加了其吸湿效率。
所述溴化锂溶液箱1的箱盖上还安装减压阀门5，作为在第一组记忆合金智能开关失效情况下的备用阀门使用。
所述溴化锂溶液箱内的上空间为空气，下空间装了半箱的溴化锂溶液。
溴化锂溶液填料箱体11提供一定浓度的溴化锂溶液，由于安全壳外部为常温常压，在这种条件下溴化锂溶液的质量浓度不宜超过66％，否则当溶液温度降低时将有结晶析出，并且常温常压下浓度为66％的溴化锂溶液吸湿效果最佳，于是安全壳内溴化锂溶液在事故情况下能够维持在一个相对恒定的浓度水平，有效缓解事故的进程；溴化锂溶液箱还与换热器相连接，溴化锂溶液走壳程，冷却水走管程，进行换热，由于在不断地吸湿过程中溴化锂溶液浓度必将逐渐变稀，温度也逐渐升高，从而造成密度和温度差，产生自然循环，达到一种非能动换热效果。
所述溴化锂溶液装在安全壳内箱体中，其化学性质稳定，在大气中不易变质不易分解。具有强烈的吸湿性，而且，在常温下饱和溴化锂水溶液的浓度达60％，浓度越大，温度越低，吸湿能力越强，导热系数随温度的升高而增大，是一种高效水蒸气吸收剂和空气湿度调节剂。LOCA事故情况下，可以大量吸收充满于安全壳中高温高压水蒸气，从而有效降低安全壳内压力、温度及湿度。
所述记忆合金智能开关装置A、B、C结构一样，由记忆合金2、四杆机构3和阀门4组成；所述记忆合金是温度敏感元件，记忆合金2和阀门之间采用四杆机构机械连接，从而达到一种非能动的控制效果，安装在安全壳内合适的位置，在LOCA事故安全壳内充满高温高压水蒸气的情况下，执行相应制动动作。
所述四杆机构为在直角、活动连接的水平杆3.1和竖直杆3.2上，记忆合金2分别通过水平连杆2.1和竖直杆3.2活动连接，通过竖直连杆2.2和水平杆3.1活动连接，在水平杆3.1和竖直杆3.2的另一端之间活动连接长杆3.3和短杆3.4，形成非矩形四杆机构，阀门4连接在短杆3.4和水平杆3.1的连接点上。
本发明与现有技术相比，具有以下突出优点及效果：本发明提供了一种非能动的核电站LOCA事故缓解***，是一种利用记忆合金控制阀门开闭或压力阀门来实现对核电站严重事故进行缓解的***。主要是通过金属在不同温度下的记忆特性来控制阀门的开闭。记忆合金与相应阀门组成一个四杆驱动机构，当温度升高时记忆合金受热收缩变形，带动阀门打开，从而开启盐溶液箱盖，实现利用溴化锂溶液吸湿减压；在给料管路上也同样设有这种记忆合金智能开关***，其记忆合金随温度的升高而收缩变形，促使给料阀门的开度增大，更多的盐溶液进入盐溶液箱；而排料管线上记忆合金智能开关***作用正好相反，其收缩会造成阀门开度减小，从而抑制盐溶液排出盐溶液箱。当温度低时，合金恢复原记忆状态，由四杆机构驱动阀门执行上述相反的动作。同时该***还可以靠压力启动，以满足核电厂安全准则所要求的多样性的安全设计原则。本***直接感应与堆芯功率变化最直接的参数--温度的变化，记忆合金的伸缩功能以及四杆机构的动力传动特性可使设备长期稳定运行，性能可靠。该装置可以在各种压力条件下有效地使用，对抑制或减缓冷却剂丧失事故的危害有明显效果。可较容易进行市场化推广应用，应是发展先进反应堆的重要技术之一。该装置控制结构灵敏度高，结构简单可靠，具有非能动的特点。
附图说明
图1是非能动的核电站LOCA事故缓解***示意图。
图2是非能动记忆合金智能开关装置示意图。
具体实施方式
本发明是针对现有技术的不足而提供的一种非能动的核电站LOCA事故缓解***。是利用溴化锂溶液强烈的吸湿功能开发出的一种结构简单、性能稳定、可靠性高的事故缓解***。下面结合附图对本发明的具体结构、工作过程和最佳实施方式作进一步说明。
图1是非能动的核电站LOCA事故缓解***示意图。图2是非能动记忆合金智能开关装置示意图。图中，在安全壳18内上部，第一组记忆合金智能开关装置A连接溴化锂溶液箱1的箱盖，第一组记忆合金智能开关装置A作为开启箱盖的阀门，是由温控记忆合金与相应的阀门串联成一组非能动开关或采用压力自动开关的阀门；第二组记忆合金智能开关装置B安装在溴化锂溶液箱1的上部，并且其一端给料管***溴化锂溶液箱1的上空间，另一端和安全壳外部的溴化锂溶液填料箱体11连通，第二组记忆合金智能开关装置，控制溴化锂溶液的补给；第三组记忆合金智能开关装置C安装在溴化锂溶液箱1的靠底端的侧面，并和连接在溴化锂溶液箱1上部的溢流管路14并联，换热器13的进出水管分别连接在溴化锂溶液箱1的上部和靠底端的侧面；在安全壳18内下部，压力容器15和蒸汽发生器16、稳压器17组成串联回路；这样增加了其吸湿效率。
溴化锂溶液箱1的箱盖上还安装减压阀门5，作为在第一组记忆合金智能开关失效情况下的备用阀门使用。
所述溴化锂溶液箱内的上空间为空气，下空间装了半箱的溴化锂溶液。
溴化锂溶液填料箱体11提供体积比浓度为66％的溴化锂溶液，以补充安全壳内箱中的溴化锂溶液；溴化锂溶液箱还与换热器相连接，溴化锂溶液走壳程，冷却水走管程，进行换热，由于在不断地吸湿过程中溴化锂溶液浓度必将逐渐变稀，温度也逐渐升高，从而造成密度和温度差，产生自然循环，达到一种非能动换热效果。
所述溴化锂溶液装在安全壳内箱体中，其化学性质稳定，在大气中不易变质不易分解。具有强烈的吸湿性，而且，在常温下饱和溴化锂水溶液的浓度达60％，浓度越大，温度越低，吸湿能力越强，导热系数随温度的升高而增大，是一种高效水蒸气吸收剂和空气湿度调节剂。LOCA事故情况下，可以大量吸收充满于安全壳中高温高压水蒸气，从而有效降低安全壳内压力、温度及湿度。
所述记忆合金智能开关装置A、B、C结构一样，由记忆合金2、四杆机构3和阀门4组成；所述记忆合金是温度敏感元件，记忆合金以温度感应收缩或者膨胀，通过所连接的四杆机构间接地实现对阀门的运转控制，是一种非能动的方式。它是温度感应式非能动LOCA事故缓解***的关键部件，并可以根据工作需要加工成弹簧及各类形状和不同大小的尺寸。
记忆合金2和阀门之间采用四杆机构机械连接，从而达到一种非能动的控制效果，安装在安全壳内合适的位置，在LOCA事故安全壳内充满高温高压水蒸气的情况下，执行相应制动动作。如图2所示的四杆机构为在直角、活动连接的水平杆3.1和竖直杆3.2上，记忆合金2分别通过水平连杆2.1和竖直杆3.2活动连接，通过竖直连杆2.2和水平杆3.1活动连接，在水平杆3.1和竖直杆3.2的另一端之间活动连接长杆3.3和短杆3.4，形成非矩形四杆机构，阀门4连接在短杆3.4和水平杆3.1的连接点上。
***由溴化锂溶液箱、记忆合金、阀门、换热器、水箱及相应管道组成，在发生核电站冷却剂丧失设计基准事故并以至引发严重事故时，由于冷却剂喷射到安全壳空间内，造成安全壳内温度上升。记忆合金由于温度的升高而收缩，带动四杆机构打开阀门或箱盖，由此水蒸气被箱内的溴化锂溶液所吸收，达到降低堆芯压力和温度，缓解反应堆事故的目的。
具体实施过程如下：当压水堆出现LOCA事故时，冷却剂喷放导致安全壳内温度和湿度升高，记忆合金2变形并通过四杆机构3使阀门4打开，将溴化锂溶液箱箱盖开启，水蒸气与溴化锂溶液接触，被具有吸湿能力的溴化锂溶液吸收。在记忆合金智能开关失效情况下，温度和压力会继续上升，到达一定数值时，与箱盖相连接的减压阀门5会立即打开，从而也可以使溴化锂溶液箱箱盖开启。同时记忆合金5变形使得阀门7打开，填料箱11中的配比好的溴化锂溶液(一般超过66％)注入到安全壳内溴化锂溶液箱1中，阀门4和7的开度与温度成正比，即温度越高，箱盖开度越大，水蒸气与溴化锂溶液的接触面积越大，吸湿降温效果越好；随着温度的升高，填料管道的流量也越大，注入盐溶液水箱1的溴化锂溶液也相应增多。阀门10的开度则与温度成反比，温度越高，它的开度越小，流出去的溴化锂溶液越少，这样当温度增加时，溴化锂溶液水箱1内的溶液是增加的，整个***的吸湿能力自然得到增强。当溴化锂溶液水箱1中溴化锂溶液量增加到溢流管高度时，溴化锂溶液将通过溢流管路排向废液处理***，保证了箱体内的溴化锂溶液不会漫出到安全壳中。在整个过程进行的同时，溴化锂溶液水箱1中的溴化锂溶液和换热器13中的冷却水由于存在着密度差和温度差，符合自然循环条件，因而可以自发的进行热量交换，从而也保证了箱体1中的溴化锂溶液保持在一个相对恒定的温度；安全壳内部溴化锂溶液箱与外部的换热器相连，由于在溴化锂溶液在不断吸湿过程中，密度与温度会逐渐减小，从而可以通过自然循环的方式实现对安全壳内部溴化锂溶液的换热。
就图1和图2而言，在反应堆发生冷却剂丧失事故时，由于安全壳内冷却剂温度急剧升高，造成安全壳温度升高，记忆合金受到温度升高的影响，会收缩从而带动四杆机构打开阀门，溴化锂溶液箱下空间内溴化锂溶液就会吸收LOCA事故产生的水蒸汽，起到对安全壳降湿、降压和降温的作用，由此缓解事故的发展。非能动的核电站LOCA事故缓解***可以根据温度变化或压力变化来启动，并依据记忆合金的收缩率以及四杆机构的传动比设计成可以方便地实现阀门的各种开度，从而达到各类流量，以便有针对性地有效地实现对事故的缓解和控制。
本发明所述的核心物质溴化锂溶液，其化学性质稳定，在大气中不易变质不易分解，其沸点高达1265℃，具有强烈的吸湿性，浓度越大，温度越低，吸湿能力越强，导热系数随温度的升高而增大，是一种高效水蒸气吸收剂和空气湿度调节剂。LOCA事故情况下，可以大量吸收充满于安全壳中高温高压水蒸气，从而有效降低安全壳内压力、温度及湿度。
本发明所述的关键部件记忆合金材料一般选用铜、钛或镍合金。其具有形状记忆功能，有耐磨损、抗腐蚀、高阻尼和超弹性等特点。其熔点高达1700℃，以防止其熔化，丧失其功能。是一种优秀的功能材料，可满足其工程应用需求。
所述溴化锂溶液装在安全壳内箱体中，其化学性质稳定，在大气中不易变质不易分解。具有强烈的吸湿性，而且，在常温下饱和溴化锂水溶液的浓度达60％，浓度越大，温度越低，吸湿能力越强，导热系数随温度的升高而增大，是一种高效水蒸气吸收剂和空气湿度调节剂。LOCA事故情况下，可以大量吸收充满于安全壳中高温高压水蒸气，从而有效降低安全壳内压力、温度及湿度。

Claims (8)

1.一种非能动的核电站破口事故缓解***，其特征在于，该破口事故缓解***是一种利用盐溶液的吸湿功能来实现对核电站安全壳内的降温降压的***；在安全壳(18)内上部，第一组记忆合金智能开关装置(A)连接溴化锂溶液箱(1)的箱盖，第一组记忆合金智能开关装置(A)作为开启箱盖的阀门，是由温控记忆合金与相应的阀门串联成一组非能动开关的阀门；第二组记忆合金智能开关装置(B)安装在溴化锂溶液箱(1)的上部，并且其一端给料管***溴化锂溶液箱(1)的上空间，另一端和安全壳外部的溴化锂溶液填料箱体(11)连通；第三组记忆合金智能开关装置(C)安装在溴化锂溶液箱(1)的靠底端的侧面，并和连接在溴化锂溶液箱(1)上部的溢流管路(14)并联，换热器(13)的进出水管分别连接在溴化锂溶液箱(1)的上部和靠底端的侧面；在安全壳(18)内下部，压力容器(15)和蒸汽发生器(16)、稳压器(17)组成串联回路；这样增加了吸湿效率。
2.根据权利要求1所述非能动的核电站破口事故缓解***，其特征在于，所述溴化锂溶液箱(1)的箱盖上还安装减压阀门(5)，作为在第一组记忆合金智能开关失效情况下的备用阀门使用。
3.根据权利要求1所述非能动的核电站破口事故缓解***，其特征在于，所述溴化锂溶液箱内的上空间为空气，下空间装了半箱的溴化锂溶液。
4.根据权利要求1所述非能动的核电站破口事故缓解***，其特征在于，溴化锂溶液填料箱体(11)提供体积比浓度为66％的溴化锂溶液，以补充安全壳内箱中的溴化锂溶液；溴化锂溶液箱(1)还与换热器(13)相连接，溴化锂溶液走壳程，冷却水走管程，进行换热，由于在不断地吸湿过程中溴化锂溶液浓度必将逐渐变稀，温度也逐渐升高，从而造成密度和温度差，产生自然循环，达到一种非能动换热效果。
5.根据权利要求1所述非能动的核电站破口事故缓解***，其特征在于，所述溴化锂溶液装在安全壳内箱体中，其化学性质稳定，在大气中不易变质不易分解，具有强烈的吸湿性，而且，在常温下饱和溴化锂水溶液的体积比浓度达60％以上，浓度越大，温度越低，吸湿能力越强，导热系数随温度的升高而增大，是一种高效水蒸气吸收剂和空气湿度调节剂；LOCA事故情况下，可以大量吸收充满于安全壳中高温高压水蒸气，从而有效降低安全壳内压力、温度及湿度；安全壳内部溴化锂溶液箱与外部的换热器相连，由于在溴化锂溶液在不断吸湿过程中，密度与温度会逐渐减小，从而可以通过自然循环的方式实现对安全壳内部溴化锂溶液的换热。
6.根据权利要求1所述非能动的核电站破口事故缓解***，其特征在于，所述三组记忆合金智能开关装置(A、B、C)结构一样，由记忆合金(2)、四杆机构(3)和阀门(4)组成；所述记忆合金是温度敏感元件，记忆合金(2)和阀门之间采用四杆机构机械连接，从而达到一种非能动的控制效果，安装在安全壳内合适的位置，在LOCA事故安全壳内充满高温高压水蒸气的情况下，执行相应制动动作。
7.根据权利要求6所述非能动的核电站破口事故缓解***，其特征在于，所述四杆机构为在直角、活动连接的水平杆(3.1)和竖直杆(3.2)上，记忆合金(2)分别通过水平连杆(2.1)和竖直杆(3.2)活动连接，通过竖直连杆(2.2)和水平杆(3.1)活动连接，在水平杆(3.1)和竖直杆(3.2)的另一端之间活动连接长杆(3.3)和短杆(3.4)，形成非矩形四杆机构，阀门(4)连接在短杆
(3.4)和水平杆(3.1)的连接点上。
8.根据权利要求1所述非能动的核电站破口事故缓解***，其特征在于，所述第一组记忆合金智能开关装置(A)作为开启箱盖的阀门还采用压力自动开关阀门。
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