CN102332313A - 高温气冷堆非能动余热排出*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及反应堆的安全设施技术领域。公开了一种高温气冷堆非能动余热排出***，包括多套独立的余热排出序列，每套余热排出序列包括：冷却壁(1)、空冷器(5)、空气冷却塔(6)、反应堆压力容器(7)及反应堆舱室(8)；所述水冷壁(1)位于反应堆舱室(8)内，环绕所述反应堆压力容器(7)设置，空气冷却塔(6)的安装位置高于所述冷却壁(1)的安装位置，空冷器(5)布置在空气冷却塔(6)内。本发明运用非能动安全设计理念，采用较少的设备设计了简单的非能动余热排出***，***在运行时仅依靠自然循环，不需要任何外力驱动，并设置各自独立的冗余循环回路，有效减少了因能动部件故障而导致的***失效，提高了反应堆运行的安全性。

Description

高温气冷堆非能动余热排出***

技术领域

本发明涉及反应堆的安全设施技术领域，尤其涉及一种高温气冷堆非能动余热排出***。

背景技术

核反应堆停堆后，由于堆芯内的剩余裂变和裂变产物的衰变，产生的剩余发热在相当长的一段时间里还十分可观，需要通过专门设置的安全级余热排出***将其载出至最终热阱。否则，堆内热量积累和温度升高可能导致燃料元件破损甚至熔化，从而引起严重的放射性外释的核安全事故。这是核反应堆设计中需要关注的最重要的安全问题之一。

与轻水反应堆不同，高温气冷堆采用耐高温的陶瓷包覆颗粒燃料元件，热容大、导热好的石墨为慢化剂，惰性气体氦气为冷却剂，具有良好的固有安全性和广泛的高温工艺热应用前景，倍受世界核能界关注，被视为***先进核能***的优选堆型之一。

早期的商用高温气冷堆示范电站(如德国的THTR-300等)，由于堆芯功率密度大，不能只依靠辐射、导热和自然对流等非能动机制将余热导出，需要设计停堆后应急冷却风机提供强迫循环来冷却堆芯。后来提出的模块式高温气冷堆概念，降低堆芯功率密度，堆内采用大量的高热容石墨结构材料以及瘦长的堆型布置，使得余热载出不再需要应急风机，仅靠热传导、辐射和自然对流就可将余热从堆芯传至堆外压力容器和堆舱内的水冷壁。

然而，在反应堆剩余发热被水冷壁载出至最终热阱(如大气)的过程中，国外现有的设计仍然以能动的循环冷却方式为主，依靠安全级的泵驱动***回路中的水在水冷壁管路和空冷器中与外界进行换热，例如德国的HTR-Modul等。这种设计虽然能够提供较大的循环流量，降低水冷壁出口水温，但由于采用了泵等需要外动力源持续驱动的能动部件，即使采用冗余设计，仍然具有较高的失效概率。

采用非能动的安全理念是当今先进核反应堆的发展趋势。例如美国设计的AP1000先进压水堆设计为被动余热载出***，仅依靠重力启动，不需要水泵等主动部件的作用，但还需要一系列阀门的动作，依靠外界信号的启动，因此依旧存在失效的可能性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：如何设计一种完全非能动式的高温气冷堆余热排出***。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高温气冷堆非能动余热排出***，包括多套独立的余热排出序列，每套余热排出序列包括：

冷却壁、空冷器、空气冷却塔、反应堆压力容器及反应堆舱室；

所述水冷壁位于反应堆舱室内，环绕所述反应堆压力容器设置，所述空气冷却塔的安装位置高于所述冷却壁的安装位置，所述空冷器布置在空气冷却塔内。

优选地，所述水冷壁是环绕所述反应堆压力容器的圆筒壁。

优选地，每套余热排出序列还包括位于冷却壁上、下两端的联箱，所述冷却壁由钢板和水冷管焊制而成，每套余热排出序列的冷却壁的水冷管的上、下两端均与各自的联箱连接。

优选地，每套余热排出序列还包括管路和膨胀水箱，所述管路将空冷器、膨胀水箱以及位于冷却壁上下两端的联箱连接为封闭的循环回路，且所述膨胀水箱的安装位置高于所述空冷器的安装位置。

优选地，每套余热排出序列的冷却壁的水冷管等间隔设置，且竖向排列。

优选地，所述水冷壁具有环形底座，所述环形底座与反应堆舱室的混凝土内的预埋件焊接固定。

优选地，所述空气冷却塔的上设有出风口，所述出风口的安装位置高于所述空冷器的安装位置。

优选地，所述管路上还设有阀门。

优选地，所述膨胀水箱上设有排气阀和补水阀。

优选地，所述空气冷却塔上还设有防火检修门。

(三)有益效果

本发明能产生以下有益效果：①***工作时冷却回路(包括水回路和空气回路)中没有一台诸如泵、风机、电动阀门等任何能动部件，完全采用水和空气的自然循环方式进行换热，***结构简单，失效概率极低；②不需要外部电源供电，水回路自然循环的驱动力只依靠空气冷却塔和水冷壁之间存在的高度差，以及循环水受热后温差产生的提升压头；空气回路的自然循环驱动力则由空气受热后从空冷器至空气冷却塔上端的出风口的提升段高度来形成；③***在反应堆正常运行时执行舱室冷却功能，停堆后不需要采取任何启动或切换操作即可执行余热排出功能，具有良好的可靠性和安全性；④***设有膨胀水箱，可补偿运行过程中温度变化造成的水体积变化，并保持较为平稳的运行压力；⑤可根据具体***设计情况，采用常压或加压的运行方式，以保证事故条件下水冷壁出口水温仍然低于工作压力下水的沸点，使***以单相水的方式运行，确保自然循环的有效建立；⑥每套余热排出序列(完成一个冷却回路的功能)均可设置独立的水冷壁进、出口温度，空气进、出口温度，水冷壁出口流量，膨胀水箱液位，膨胀水箱压力等测点，以确保对***运行工况和失效情况的及时准确监测；⑦维护方便，加上高温气冷堆的事故过程缓慢，即使发生水冷管破断、泄漏等故障，也有足够的时间进行维修或采取相应的补救措施，也可利用其它水源(如消防水等)对其进行补水。

附图说明

图1为本发明的***原理示意图；

图2为本发明的***轴测图。

其中，1、水冷壁；2、联箱；3、管路；4、膨胀水箱；5、空冷器；6、空气冷却塔；7、反应堆压力容器；8、反应堆舱室；9、阀门；10、进风口；11、出风口；12、挡风板。

具体实施方式

下面对于本发明所提出的一种高温气冷堆非能动余热排出***，结合附图和实施例详细说明。

本发明提供了一种基于非能动安全设计理念的高温气冷堆余热排出***。该***的运行不需要借助任何能动部件和电动阀门的动作，也无需在停堆后进行启动或切换，始终在自动运行，只依靠自然循环方式即可将反应堆余热从水冷壁带出到最终热阱——大气，具有结构简单，安装维修方便，故障率低等特点，可同时满足高温气冷堆在正常运行时的舱室冷却功能以及停堆后余热排出功能的安全要求。

本发明可设计为多套序列冗余以提高安全性。每套序列的结构如图1所示，由水冷壁1、空冷器5、空气冷却塔6、膨胀水箱4、联箱2及管路3等部件组成。其中，空冷器5由带翅片的冷却管与支撑框架组成，水冷壁1是布置在反应堆舱室8内、环绕反应堆压力容器7的圆筒壁，由钢板及水冷管焊制而成。各套余热排出列的水冷管竖向均匀排列，依次相间分布。每套序列的水冷管上下端均联接到各自的环形联箱2内，下联箱将冷却水分流至各水冷管支路，上联箱将各水冷管中的冷却水汇集至出口主管。管路3将上下联箱2、空冷器5与膨胀水箱4连接为封闭的循环回路。水冷壁1的环形底座与反应堆舱室8的混凝土内的预埋件焊接固定。空气冷却器6的安装位置比水冷壁1的安装位置要高，且空冷器5距空气冷却塔6上端的出风口11有一定高的距离，以形成水和空气的自然循环驱动力。水回路中设有膨胀水箱4，其安装位置比空冷器5的安装位置要高，可补偿运行过程中温度变化造成的水体积变化，并保持较为平稳的运行压力，***可采用常压或加压运行方式。

空冷器5布置在空气冷却塔6内，空气冷却塔6位于反应堆的核岛辅助厂房上方。空气冷却塔6的上、下方分别为出风口11和进风口10。为防止异物进入，可在进、出风口处设置百叶窗，其中进风口10应设置可密封的风门，出风口11外还应设置挡风板12，防止空气倒灌使空气冷却塔6内的自然循环被迫中止。同时，空气冷却塔6上还设有防火检修门与反应堆舱室顶部的检修大厅内相通。

此外，为了正常运行维护和故障检修，***在管路3上还设有阀门9(为手动阀门)用于补水、排水。对于膨胀水箱4，为补偿***运行过程中温度变化造成的水体积变化，保持***有较为平稳的运行压力，也应在膨胀水箱4的箱体上设置排气阀和补水阀等装置，***可以设计成常压或加压运行方式。

为保证***有良好的运行可靠性，可依据反应堆安全相关***的单一故障准则，对每个反应堆设置多套(2套或3套等)独立的冷却回路，任何一套失效均不影响所要求的余热排出功能，如图2所示，设置了三套独立的余热排出序列，共形成三个独立的冷却回路。

本发明的工作原理如下：由于反应堆压力容器7壁面和水冷壁1壁面之间存在较大的温差，反应堆余热主要通过二者之间的辐射换热传至水冷壁1，同时反应堆舱室8内空气的自然对流也会增强反应堆压力容器7和水冷壁1之间的传热。热量传至水冷壁1后加热水冷管中的冷却水。由于空气冷却塔6和水冷壁1之间存在一定的高度差，循环水受热后产生提升压头，成为自然循环的驱动力并使其向上流至空气冷却塔6中的空冷器5，在流经空气冷却塔6时与带翅片的冷却管外的空气进行热交换，被冷却后再由反应堆舱室8底部重新进入水冷管。而冷空气从空气冷却塔6底部进入，在空冷器5外侧被加热。由于冷、热空气的密度差，以及空气受热后从空冷器5至空气冷却塔6上端出风口11的提升段高度，因此形成一定的自然循环驱动力，使得热空气向上流出空气冷却塔6，将热量传至最终的热阱——大气。

由于本发明是非能动***，在首次启动时只需空气冷却塔的进风口和出风口均处于打开状态，***即自动投入运行。影响运行的关键问题是初次运行时的排气工作，应将管路中的空气完全排空，否则不能形成充分的自然循环。自然循环稳定后，在反应堆正常运行时余热排出***就可执行冷却舱室的功能；在反应堆停堆或者事故工况下，堆芯温度升高发热功率增大，余热排出***的自然循环也会随之加强带出更多的热量，执行排出余热的功能。

***工作状态可以从空气及水温变化确定。膨胀水箱水位低于正常运行液位下限时应及时通过其箱体上设置的补水阀进行补水。反应堆停堆期间应注意空冷器管侧冷却水的防冻问题。在冬季停堆检修或长期停堆时，应关闭进风口的密封风门，同时打开空气冷却塔通往反应堆大厅的检修门，以提高塔内温度，防止空冷器内的冷却水冷冻结冰，或者通过手动阀门将***的冷却水全部排空。

由以上实施例可以看出，本发明运用非能动安全设计理念，采用更少的设备设计了简单的非能动余热排出***，***在运行时仅依靠自然循环，不需要任何外力驱动，并设置各自独立的冗余循环回路，有效减少了因能动部件故障而导致的***失效，提高了反应堆运行的安全性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种高温气冷堆非能动余热排出***，其特征在于，包括多套独立的余热排出序列，每套余热排出序列包括：

冷却壁(1)、空冷器(5)、空气冷却塔(6)、反应堆压力容器(7)及反应堆舱室(8)；

所述水冷壁(1)位于反应堆舱室(8)内，环绕所述反应堆压力容器(7)设置，所述空气冷却塔(6)的安装位置高于所述冷却壁(1)的安装位置，所述空冷器(5)布置在空气冷却塔(6)内。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述水冷壁(1)是环绕所述反应堆压力容器(7)的圆筒壁。

3.如权利要求1所述的***，其特征在于，每套余热排出序列还包括位于冷却壁(1)上、下两端的联箱(2)，所述冷却壁(1)由钢板和水冷管焊制而成，每套余热排出序列的冷却壁(1)的水冷管的上、下两端均与各自的联箱(2)连接。

4.如权利要求3所述的***，其特征在于，每套余热排出序列还包括管路(3)和膨胀水箱(4)，所述管路(3)将空冷器(5)、膨胀水箱(4)以及位于冷却壁(1)上下两端的联箱(2)连接为封闭的循环回路，且所述膨胀水箱(4)的安装位置高于所述空冷器(5)的安装位置。

5.如权利要求1所述的***，其特征在于，每套余热排出序列的冷却壁(1)的水冷管等间隔设置，且竖向排列。

6.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述水冷壁(1)具有环形底座，所述环形底座与反应堆舱室(8)的混凝土内的预埋件焊接固定。

7.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述空气冷却塔(6)的上端设有出风口(11)，所述出风口(11)的安装位置高于所述空冷器(5)的安装位置。

8.如权利要求4所述的***，其特征在于，所述管路(3)上还设有阀门(9)。

9.如权利要求4所述的***，其特征在于，所述膨胀水箱(4)上设有排气阀和补水阀。

10.如权利要求1～9中任一项所述的***，其特征在于，所述空气冷却塔(6)上还设有防火检修门。

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