CN103295655A - 水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***和方法，其完全自启动、无中间控制环节、可靠性高。为实现所述目的的水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***，其特征在于包括冷却水池和空气导流罩，冷却水池可淹没安全壳，在冷却水池内安全壳外设置该空气导流罩，该空气导流罩具有环绕安全壳的环绕部以及位于安全壳顶部上方的通往大气的导流部，环绕部和导流部连接成一体，冷却水池具有空气入口，从冷却水池的空气入口、到空气导流罩的环绕部、再至导流部构成具有烟囱效应的气流通道。

Description

水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***和方法

技术领域

本发明涉及核反应堆安全设施和方法，具体涉及一种安全壳冷却***和方法。

背景技术

安全壳是核反应堆防止放射性产物向环境释放的最后一道实体屏障，是事故情况下反应堆放射性和衰变热的最终包容实体，因此，维持安全壳的完整性至关重要。安全壳冷却***在事故情况下投入，排出安全壳内的热量，保持安全壳的温度和内部气体压力低于设计限值，保证安全壳不被破坏，从而维持放射性包容边界的完整性。

在现有反应堆中，安全壳冷却***可分为能动与非能动两种类型。

在二代核电厂中大多采用了能动的安全壳冷却***(即安全壳喷淋***)，其基本结构如图1所示，图中附图标记1标示一回路***；附图标记2标示地坑；附图标记3标示安全壳；附图标记4标示喷淋管线；附图标记5标示换热器；附图标记6标示喷淋泵；附图标记7标示换料水箱。事故情况下，由启动信号向安全壳顶部喷洒冷却水，为安全壳气空间降温降压，限制安全壳内的峰值压力，保证安全壳的完整性；在再循环模式下，通过地坑水收集、安全壳外强迫循环冷却将热量排出到安全壳外。该***在运行过程中需要安全级电源和安全级泵提供驱动动力。

在某些三代核电厂中采用了非能动的安全壳冷却***，图2是某反应堆的非能动安全壳冷却***的基本结构示意图，图2中，附图标记1标示反应堆压力容器；附图标记2标示钢安全壳容器；附图标记3标示安全壳顶部冷却水箱；附图标记4标示空气导流板；附图标记5标示排水管；附图标记6标示地面。其运行原理如下：在事故情况下，由启动信号打开排水管线阀门，储水箱内的水依靠重力喷洒到钢安全壳容器外壁，并形成水膜；通过内部蒸汽的冷凝、钢安全壳容器壁的导热、外部水膜蒸发和空气自然循环，将安全壳内的热量排出到环境中，并降低安全壳内的峰值压力。该***运行过程中，不需要外部动力。

基于非能动原理的安全壳冷却***相对于能动安全壳冷却***，其结构和原理更简单，且在运行过程不需要外部动力，其可靠性更高，有利于提高反应堆的安全性。

然而，在现有安全壳冷却***设计方案中，不管是能动与非能动方案，都需要在接到外部启动信号和指令，并在打开相关阀门或泵运转之后，方能投入运行。一旦启动信号失灵、或阀门和泵未动作，则该***将不能执行其功能。另外，在错误信号、或阀门与泵误动作情况下，也会带来其他安全隐患。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***和方法，其完全自启动、无中间控制环节、可靠性高。

为实现所述目的的水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***，其特征在于包括冷却水池和空气导流罩，冷却水池可淹没安全壳，在冷却水池内安全壳外设置该空气导流罩，该空气导流罩具有环绕安全壳的环绕部以及位于安全壳顶部上方的通往大气的导流部，环绕部和导流部连接成一体，冷却水池具有空气入口，从冷却水池的空气入口、到空气导流罩的环绕部、再至导流部构成具有烟囱效应的气流通道。

所述的水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***，其进一步的特点是冷却水池的储水空间在安全壳的顶部的有效截面大，冷却水池的储水空间在下半部分仅为安全壳与冷却水池的水池壁之间的环腔，有效截面小。

所述的水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***，其进一步的特点是冷却水池的水位与地表持平，安全壳位于地表以下的深度。

所述的水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***，其进一步的特点是连接环绕部至导流部的气流通道的流道面积逐渐变小。

所述的水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***，其进一步的特点是环绕部延伸到冷却水池的底部。

为实现所述目的的水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却方法，其特点是，在事故情况下，将安全壳内高温蒸汽的热量自动通过安全壳的壁向淹没安全壳的冷却水池传递，并逐渐建立起稳定的热传递过程，冷却水池中的水由于受热蒸发，蒸汽由于浮升力而自动上升并排放到安全壳外，同时将热量带出；随着传热的持续，冷却水池内的水逐渐蒸发，水量减少，水位降低，当水位低于在冷却水池内安全壳外设置的空气导流罩之后，自然形成冷却水池空气入口至空气导流罩底部的气体下降流道，以及空气导流罩底部至空气导流罩空气出口的上升流道，即传热过程自动切换到风冷模式，上升流道中的气体由于受热而密度低于下降流道中的气体，在密度差的作用下，冷却水池外的冷却空气持续从冷却水池空气入口进入，经过下降流道、再经过上升流道并冷却安全壳外壁，然后从空气导流罩空气出口排出。

本发明的有益效果如下：

1.采用水淹式钢安全壳容器，实现传热过程的自启动：在事故情况下，冷却剂的质能释放将引起钢安全壳内的温度和压力上升，根据热量从高温向低温传递的自然规律，安全壳内高温蒸汽的热量自动通过安全壳壁向冷却水池传递，并逐渐建立起稳定的热传递过程。冷却水池中的水由于受热蒸发，蒸汽由于浮升力而自动上升并排放到安全壳外，同时将热量带出。由此可见，该传热过程完全由自然规律主导，其启动不需要外部信号、不需要中间控制环节、也不需要人为干预，其运行过程完全非能动，不需要外部动力；

2)设置空气导流罩，当水位低于导流罩之后，传热过程自动切换到风冷模式：在前述传热过程中是以水冷模式运行的，随着传热的持续，冷却水池内的水逐渐蒸发，水量减少，水位降低，如果没有其他补充水源，水池逐步丧失冷却能力；当水位低于导流罩之后，自然形成气体下降和上升流道，传热过程自动切换到风冷模式。上升流道中的气体由于受热而密度低于下降流道中的气体，在密度差的作用下，环境中的冷却空气持续从入口进入，经过下降流道、再经过上升流道并冷却钢安全壳外壁，然后从出口排出；该传热过程也是非能动的，并且从水冷到风冷的切换是自然切换，不需要外部信号、不需要其他控制环节、也不需要人为干预；

3)冷却水池在安全壳顶部的储水截面大，可储存较多冷却水使得水冷模式持续较长时间，并且在该过程中安全壳完全处于淹没状态，因此换热面积大，有利于传热；冷却水池下半部分的储水截面小，储水量小，当水池内的水位降到安全壳顶部以下后，由蒸发引起的水位下降速度更快，有利于加快从水冷向风冷模式的切换。这样设计使得安全壳冷却***的排热能力与衰变热的衰减规律相一致，即事故初期衰变热功率较大需要较强的换热能力，故采用水冷模式，而事故后期堆芯衰变热功率较小，采用风冷模式可满足要求；此外，安全壳位于地面以下有利于加强生物屏蔽和降低放射性物质向环境的释放，并可有效防止外部自然灾害或人为破坏事件对反应堆的影响(如洪水、飞机撞击、***破坏等)。

综合上述因素，本发明是基于自然规律的、原理简单的、固有安全性好、可靠性高、与衰变热衰减规律相适应的完全非能动安全壳冷却***。

附图说明

图1是已有的反应堆的安全壳喷淋***示意图。

图2是已有的反应堆的非能动安全壳冷却***示意图。

图3是本发明的水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***结构图。

图4是本发明的非能动安全壳冷却***的水冷模式的示意图。

图5是本发明的非能动安全壳冷却***的风冷模式的示意图。

具体实施方式

如图3所示，在本发明的一实施例中，非能动安全壳冷却***包括钢安全壳容器22、冷却水池23和空气导流罩25。钢安全壳容器(即安全壳)22在正常备用状态下完全淹没在一个外部冷却水池23中，水池23是安全壳在事故情况下的衰变热热阱。在水池23内、钢安全壳容器22外设置空气导流罩25，空气导流罩25具有环绕安全壳22的环绕部251以及位于安全壳22顶部上方的具有空气出口29的导流部252，环绕部251和导流部252连接成一体，冷却水池23具有空气入口26，从冷却水池的空气入口26、到空气导流罩25的环绕部251的底部、再至导流部252构成具有烟囱效应的气流通道。

进一步，冷却水池23的水位24与地表27持平，钢安全壳容器22位于地表27以下一定深度，因此，冷却水池23在钢安全壳容器22顶部的储水截面较大，可储存较多冷却水使得水冷模式持续较长时间，并且在该过程中安全壳22完全处于淹没状态，因此换热面积大，有利于传热；冷却水池23在下半部分仅为钢安全壳容器22与水池23的壁之间的环腔，因此，水池23下半部分的有效储水截面小，储水量小，当水池23内的水位降到钢安全壳容器22顶部以下后，由蒸发引起的水位下降速度更快，有利于加快从水冷向风冷模式的切换。当水池23内的水由于蒸发而水位低于导流罩25底部后，自然形成气体下降和上升流道，传热过程自动由水冷模式切换到风冷模式。这样设计使得安全壳冷却***的排热能力与衰变热的衰减规律相一致，即事故初期衰变热功率较大需要较强的换热能力，故采用水冷模式，而事故后期堆芯衰变热功率较小，采用风冷模式可满足要求。

在事故情况下依靠钢安全壳容器22内的蒸汽冷凝、钢安全壳容器22的壁的导热、钢安全壳容器22外的蒸发或空气自然循环，三个非能动过程连续传递将安全壳22内的热量排出到安全壳22外的最终热阱，从而保持安全壳的完整性。

此外，由于安全壳22位于地面以下，这也有利于加强生物屏蔽和降低放射性物质向环境的释放，并可有效防止外部自然灾害或人为破坏事件对反应堆的影响(如洪水、飞机撞击、***破坏等)。

图3所示实施例可作为压水堆的安全壳冷却***，下面以压水堆核电厂发生主冷却剂***破口事故为例，来阐述该实施例的运转和实施过程。

在压水堆核电厂发生主管道破裂事故时，压力容器21有主冷却剂***破口28，高温高压的一回路冷却剂(蒸汽)释放到安全壳22内，将引起安全壳22内气体的温度和压力上升，如果没有持续有效的冷却措施，安全壳22内压力将可能超过设计限制而遭到破坏。由于采用图3所示的实施例，能明显缓解该类事故，在上述事故情况下，该实施例的具体响应步骤如下。

1)如图4所示，由于钢安全壳22在正常备用状态下完全淹没在一个冷却水池23中，在事故初始阶段，释放到安全壳22内的高温蒸汽将直接在安全壳22内壁冷凝，从而保持安全壳22内气体的峰值压力低于设计限制。

2)随着传热的持续，冷却水池23中的水温升高，逐渐蒸发。由于钢安全壳22的设计压力大于冷却水池23内的大气压，因此安全壳22内蒸汽的饱和温度始终高于外部冷却水的饱和温度，从而形成稳定的传热过程，即通过安全壳22内部冷凝、钢安全壳22的导热、安全壳22外壁的水蒸发三个非能动过程连续传递将安全壳内的热量排出。

3)随着冷却水池23内水的逐渐蒸发，水量减少，水位降低，水池逐步丧失冷却能力。当水位低于空气导流罩25底部之后，空气流道自动形成，传热过程自动切换到风冷模式，并自动建立起新的稳定传热过程。如图5所示，气流按照箭头所示的方向流动，形成上升流道32和下降流道31(即从冷却水池23的空气入口26、到空气导流罩25的环绕部251、再至导流部252的空气出口29构成具有烟囱效应的气流通道)，上升流道32中的气体由于受热而密度低于下降流道31中的气体，在密度差的作用下(即烟囱效应)，环境中的冷却空气持续从冷却水池23的空气入口26进入，经过下降流道31、再经过上升流道32并冷却钢安全壳22外壁，然后从空气导流罩25的空气出口排出。该传热过程也是非能动的，并且从水冷到风冷的切换是自然切换，不需要外部信号、不需要其他控制环节、也不需要人为干预。在风冷模式下，安全壳内的热量通过安全壳22内壁的蒸汽冷凝、钢安全壳22的导热、安全壳22外壁的空气自然循环三个非能动过程连续传递带出。

4)由于此时衰变热功率已经降低到足够小，依靠空气自然循环可维持安全壳的冷却。风冷模式可以无限期持续运行，不需要外部动力，也不需要人为干预。

Claims (6)

1.水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***，其特征在于包括冷却水池和空气导流罩，冷却水池可淹没安全壳，在冷却水池内安全壳外设置该空气导流罩，该空气导流罩具有环绕安全壳的环绕部以及位于安全壳顶部上方的通往大气的导流部，环绕部和导流部连接成一体，冷却水池具有空气入口，从冷却水池的空气入口、到空气导流罩的环绕部的底部、再至导流部构成具有烟囱效应的气流通道。

2.如权利要求1所述的水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***，其特征在于冷却水池的储水空间在安全壳的顶部的有效截面大，冷却水池的储水空间在下半部分的有效截面小。

3.如权利要求1所述的水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***，其特征在于冷却水池的水位与地表持平，安全壳位于地表以下的深度。

4.权利要求1所述的水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***，其特征在于连接环绕部至导流部的气流通道的流道面积逐渐变小。

5.如权利要求1所述的水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却***，其特征在于环绕部延伸到冷却水池的底部。

6.水淹和风冷相结合的非能动安全壳冷却方法，其特征在于，在事故情况下，将安全壳内高温蒸汽的热量自动通过安全壳的壁向淹没安全壳的冷却水池传递，并逐渐建立起稳定的热传递过程，冷却水池中的水由于受热蒸发，蒸汽由于浮升力而自动上升并排放到安全壳外，同时将热量带出；

随着传热的持续，冷却水池内的水逐渐蒸发，水量减少，水位降低，当水位低于在冷却水池内安全壳外设置的空气导流罩之后，自然形成冷却水池空气入口至空气导流罩底部的气体下降流道，以及空气导流罩底部至空气导流罩空气出口的上升流道，即传热过程自动切换到风冷模式，上升流道中的气体由于受热而密度低于下降流道中的气体，在密度差的作用下，冷却水池外的冷却空气持续从冷却水池空气入口进入，经过下降流道、再经过上升流道并冷却安全壳外壁，然后从空气导流罩空气出口排出。

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