CN103956193B - 一种非能动安全壳热量导出*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及反应堆安全***设计技术，具体涉及一种非能动安全壳热量导出***。包括设置在安全壳内部的换热器，换热器的换热管通过壁面冷凝和对流传热，将安全壳内高温湿空气的热量带出，借助自然循环驱动力（下降管段与上升管段之间的密度差），将被加热的管内冷却水排向安全壳外。产生的高温冷却水，一部分以蒸汽形式散往大气，另一部分以液态水的形式被重新收集，汇入水箱。在所述的水箱顶部，设置有具备汽水分离功能和蒸发、集水、过滤功能的液态水收集和冷却***。本发明能够在核电站发生存在安全壳内升温升压现象的事故工况（包括设计基准事故和严重事故）时，将安全壳压力和温度降低至可接受的水平，以保持安全壳的完整性。

Description

一种非能动安全壳热量导出***

技术领域

本发明涉及反应堆安全***设计技术，具体涉及一种非能动安全壳热量导出***。

背景技术

从上世纪八十年代开始，美国、日本、法国、德国、俄罗斯等国家开展了非能动技术的研究，其中以非能动安全先进核电厂AP1000第三代核电机组为代表。

美国AP1000的非能动安全壳冷却***采用非能动方式把安全壳内的热量散发到最终热阱－大气，如图1所示。正常运行工况下，空气从屏蔽构筑物顶部入口1进入，流过下降通道后又反向通过上升流道，带走安全壳容器壁传递的热量，最后从烟囱排至环境，在安全壳上方设置重力注水箱2。接到安全壳高压力信号后，***的事故后运行自动启动，只需开启三个常关隔离阀中的任何一个，不需其他动作即可启动***。***的启动也可由操纵员在主控室或远程停堆工作站手动启动。

无论从安全性还是经济性考虑，采用非能动安全壳热量导出***来提高核电厂的安全水平是大势所趋，采用非能动安全壳热量导出***，保证在超设计基准事故情况下安全壳的长期排热，可以维持安全壳的完整性，缓解严重事故的后果。使反应堆达到或具有三代核电站的安全水平。设置非能动安全壳热量导出***可以满足我国核安全法规HAF102（2004）《核动力厂设计安全规定》中规定的严重事故下保持安全壳完整性和安全壳排热的要求，满足EUR和URD中关于要保证超设计基准事故下安全壳的排热要求。

发明内容

本发明的目的在于针对核电站安全设计的需要，提供一种非能动安全壳热量导出***，在核电站发生存在安全壳内升温升压现象的事故工况（包括设计基准事故和严重事故）时，将安全壳压力和温度降低至可接受的水平，以保持安全壳的完整性。

本发明的技术方案如下：一种非能动安全壳热量导出***，包括设置在安全壳内部的换热器和设置在安全壳外部的水箱，所述水箱的布置位置高于所述换热器，换热器设有上升管段和下降管段，所述水箱底部通过所述下降管段与换热器入口相连接，所述上升管段向上穿过所述水箱，上升管段的最上端出口与水箱上方的液态水收集和冷却***连接，在所述上升管段位于水箱内的管体上不同液面高度处设有若干个上升段出口和阀门装置。

进一步，如上所述的非能动安全壳热量导出***，其中，所述的液态水收集和冷却***包括设置在所述水箱上方的液态水收集和蒸发过滤装置，液态水收集和蒸发过滤装置外部设有引流罩，在引流罩的上部设置风力强化装置，引流罩的下部设置引风口，所述液态水收集和蒸发过滤装置连接水箱注水口。

更进一步，如上所述的非能动安全壳热量导出***，其中，所述的液态水收集和蒸发过滤装置的一种实现方式为设置在所述上升管段的最上端出口下方的蒸发集水过滤板；或者，所述的液态水收集和蒸发过滤装置的另一种实现方式包括液态水收集板和螺旋式液膜蒸发冷凝板，所述螺旋式液膜蒸发冷凝板呈螺旋式下降结构，螺旋式液膜蒸发冷凝板的底端与多孔过滤集水板连接，所述多孔过滤集水板连接水箱注水口。

进一步，如上所述的非能动安全壳热量导出***，其中，在所述的上升管段位于水箱内的若干个上升段出口处设置的阀门装置为常闭阀门装置，常闭阀门装置与液位传感器相连接，以低水位信号触发打开。

更进一步，如上所述的非能动安全壳热量导出***，其中，分别在所述若干个上升段出口的两两之间，安装用于削弱水箱内部水流搅混的多孔织物。

进一步，如上所述的非能动安全壳热量导出***，其中，在所述的上升管段和下降管段上分别在安全壳外设置常开的安全壳隔离阀。

本发明的有益效果如下：（1）采用非能动的方案排出安全壳内热量，提高了***的固有安全性；（2）***能够保证在设计基准和超设计基准事故情况下安全壳的长期排热，包括与全厂断电和喷淋***故障相关的事故，改进了传统能动安全***核电厂对安全级电源的依赖，提高电厂的安全性；（3）可以显著提高严重事故下放射性物质向环境释放频率（LERF）的概率安全指标；（4）可以自动实现***排热能力与安全壳排热需求的功率匹配，智能化的调节冷却效果，尤其在事故初期可以提供明显较高的排热能力；（5）可以实现水箱内冷却剂的充分利用，为赢得更长的事故后不干预时间提供了装备基础。

附图说明

图1为美国AP1000的非能动安全壳冷却***示意图；

图2为本发明的非能动安全壳热量导出***结构示意图；

图3为本发明液态水收集和冷却***的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明所提供的一种非能动安全壳热量导出***（PCS***）采用非能动技术，发生全厂断电时，在没有操纵员干预的情况下，***自动投入运行，利用自然循环实现安全壳的长期排热。在无需操纵员操作的情况下，安全壳非能动排热时间可维持100小时以上，100小时后可以考虑其它补水手段。

如图2所示，PCS***设计采用非能动设计理念，包括设置在安全壳10内部的换热器11和设置在安全壳10外部的水箱7，换热器11和水箱7通过上升管段9和下降管段19连接，上升管段9和下降管段19上分别在安全壳10外设置了常开的安全壳隔离阀18、20。利用布置于安全壳10内的换热器11，通过换热器11的换热管外壁面的冷凝和对流传热，将安全壳10内高温湿空气的热量带出，借助自然循环驱动力（下降管段19与上升管段9间的密度差），将被加热的管内冷却水排向安全壳10外，产生的高温冷却水，一部分以蒸汽形式散往大气，另一部分以液态水的形式被重新收集。在液态水收集和蒸发过滤装置的收集过程中，高温冷却水会得到明显的冷却（降温20-40度），从而以较低温度的汇入水箱7。水箱7的布置位置高于换热器11，水箱7底部通过下降管段19与换热器11入口相连，可在重力作用下将冷却剂源源不断的注入换热器，以完成持续的***带热循环。由于***是由自然循环驱动的，安全壳10内温度越高，换热器11表面的换热强度越大，传热管内的水将得到更高的温度，也即意味着上升管段9具有更小的密度，从而引起上升管段9与下降管段19之间更大的密度差，于是***获得更大的驱动压头，带来更强烈的循环流速。反之亦然。即***的排热能力可以实现与排热需求的自动匹配和平衡。

所述上升管段9向上穿过所述水箱7，在所述的上升管段9上设置了多个出口，其中，上升管段的最上端出口--上升段出口A5高于水箱7，其位置布置于液态水收集和冷却***内。在上升管段9位于水箱7内的管体上不同液面高度处分别设有若干个上升段出口，如图2中的上升段出口B15，上升段出口C16和上升段出口D17，且高度方向上顺次排列，每个出口处对应设置阀门装置。所述的阀门装置为常闭阀门装置，常闭阀门装置与液位传感器相连接，且以低水位信号触发打开。

随着水的蒸发，水箱7内的水位14逐渐下降，于是逐级触发上升段出口B15，上升段出口C16和上升段出口D17的阀门打开。一方面，逐级打开的阀门保证了***循环能力的维持（自然循环***的出入口高度差过大可能导致循环无法建立），另一方面，逐级开启较低位置的上升段出口阀门后，蒸汽仍由上升段出口A5排出，液态水则由较低位置的上升段出口直接汇入水箱7。

在所述的水箱7内部，分别在上升段出口B15，上升段出口C16和上升段出口D17的两两之间，安装了用于削弱水箱内部水流搅混，但不妨碍不同高度的水层之间连通的多孔织物8。

多孔织物8可以起到阻碍水箱7内水流搅混的目的，确保高温水浮在顶部，低温水聚集在水箱7底部，由此可以带来两个效果，一是水箱7底层冷却剂将直接沿下降管段19流入换热器11，换热器11的入口水温越低，***的排热功率越强，有利于安全壳10内热量更快的排出，可以实现其安全功能的最大化；二是热水浮于顶部，更有利于水面的蒸发效应，从而更能强化大气对水箱7的蒸发冷却效果，从而间接的降低换热器11入口水温，即强化***的排热能力。

本发明在水箱上方设计了液态水收集和冷却***，其结构如图2、图3所示。液态水收集和冷却***包括设置在所述水箱7上方的液态水收集和蒸发过滤装置，液态水收集和蒸发过滤装置外部设有引流罩4，在引流罩4的上部设置风力强化装置3，引流罩4的下部设置引风口6、12。

所述的液态水收集和蒸发过滤装置可以为较简单的结构，如图2中所示的位于上升段出口A5下方的蒸发集水过滤板13，蒸发集水过滤板13扩展水面蒸发面积并收集冷凝水，将液态水汇入水箱。

本发明还同时提供了另一种液态水收集和蒸发过滤装置的结构，如图3所示，包括液态水收集板21和螺旋式液膜蒸发冷凝板22，液态水收集板21的位置与上升段出口A5的位置对应，所述螺旋式液膜蒸发冷凝板22呈螺旋式下降结构，螺旋式液膜蒸发冷凝板22的底端与多孔过滤集水板24连接，所述多孔过滤集水板24连接水箱注水口25。被加热的高温冷却水喷向液态水收集板21，液态水流向螺旋式液膜蒸发冷凝板22的顶部，随着冷凝板的斜面，水流螺旋下降，并展开成为液膜，在逆向流动且扰动强烈的风场中，蒸发作用明显，并同时得到明显的降温，低温的水流在螺旋式液膜蒸发冷凝板22的底部聚集，通过多孔过滤集水板24，最终进入水箱注水口25。

所述的引流罩4呈圆锥形，引流罩内侧沿圆周方向还可以布置若干个二次流搅混翼，用以引发气流在引流罩风道内的横向流动。

风力强化装置3可采用太阳能风力强化装置，包括安装于风道外壁面的太阳能电池板和风道内的风机。通过太阳能风力强化装置3、引流罩4和经由特殊设计的引风口6、12以及液态水收集和蒸发过滤装置的设计，增大了水面风力并扩展了水面蒸发面积，强化了高温冷却剂的蒸发强度，从而使得水箱7可以最终收集到更低温度的冷却剂，于是间接的促进***的排热能力，并最终实现安全壳10内更大程度的降温降压。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种非能动安全壳热量导出***，包括设置在安全壳(10)内部的换热器(11)和设置在安全壳(10)外部的水箱(7)，所述水箱(7)的布置位置高于所述换热器(11)，换热器(11)设有上升管段(9)和下降管段(19)，所述水箱(7)底部通过所述下降管段(19)与换热器(11)入口相连接，其特征在于：所述上升管段(9)向上穿过所述水箱(7)，上升管段的最上端出口(5)与水箱(7)上方的液态水收集和冷却***相连接，在所述上升管段(9)位于水箱(7)内的管体上不同液面高度处设有若干个上升段出口(15、16、17)和阀门装置，分别在所述若干个上升段出口(15、16、17)的两两之间，安装用于削弱水箱内部水流搅混的多孔织物(8)。

2.如权利要求1所述的非能动安全壳热量导出***，其特征在于：所述的液态水收集和冷却***包括设置在所述水箱(7)上方的液态水收集和蒸发过滤装置，液态水收集和蒸发过滤装置外部设有引流罩(4)，在引流罩(4)的上部设置风力强化装置(3)，引流罩(4)的下部设置引风口(6、12)，所述液态水收集和蒸发过滤装置连接水箱注水口(25)。

3.如权利要求2所述的非能动安全壳热量导出***，其特征在于：所述的液态水收集和蒸发过滤装置为设置在所述上升管段的最上端出口(5)下方的蒸发集水过滤板(13)。

4.如权利要求2所述的非能动安全壳热量导出***，其特征在于：所述的液态水收集和蒸发过滤装置包括液态水收集板(21)和螺旋式液膜蒸发冷凝板(22)，所述螺旋式液膜蒸发冷凝板(22)呈螺旋式下降结构，螺旋式液膜蒸发冷凝板(22)的底端与多孔过滤集水板(24)连接，所述多孔过滤集水板(24)连接水箱注水口(25)。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的非能动安全壳热量导出***，其特征在于：在所述的上升管段(9)位于水箱内的若干个上升段出口(15、16、17)处设置的阀门装置为常闭阀门装置，常闭阀门装置与液位传感器相连接，以低水位信号触发打开。

6.如权利要求1-4中任意一项所述的非能动安全壳热量导出***，其特征在于：在所述的上升管段(9)和下降管段(19)上分别在安全壳外设置常开的安全壳隔离阀(18、20)。