CN112071454B - 一种具有集成释热阱的非能动联合排热*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有集成释热阱的非能动联合排热***，在双层混凝的安全壳夹层气空间的中下部设置有集成释热阱，集成释热阱是由耐腐蚀金属板围成的环形水池，集成释热阱的顶部壁面设置有至少一组的连通集成释热阱与安全壳内部气空间的管路和单向阀，所述集成释热阱连接有安全壳快速泄压***、自动泄压***、非能动余热排出***、非能动低压安注***、非能动堆腔注水***、过滤排放***。本发明简化核电厂反应堆***布置、缩小安全壳体积，为提高先进核动力电厂的经济性和非能动安全性提供可行方案。

Description

一种具有集成释热阱的非能动联合排热***
技术领域
本发明涉及先进核动力电厂中的非能动安全***，尤其涉及一种具有集成释热阱的非能动联合排热***。
背景技术
自上个世纪六七十年代核能实现大规模商用以来，其长期为人类提供着清洁高效的能源。由于核电厂运行过程中具有潜在的放射性风险，其安全性始终受到业界人士尤其是研发人员的高度关注。
迄今为止，核能领域曾发生过三次较为严重的事故：一是美国三哩岛核事故，二是苏联切尔诺贝利核事故，三是日本福岛核事故。从三次核事故中总结得到的深刻教训在于人为操作失误很可能导致反应堆发生严重事故；能动安全设施在全厂断电事故条件下具有较大的安全隐患。如何采用非能动安全***长期导出反应堆/安全壳内的余热以增强核电厂的固有安全性并为操纵员的干预提供充足的判断时间成为第三代核电机组研发的重点之一。
我国拥有完全自主产权的第三代核电机组“华龙一号”针对潜在的反应堆事故创新性的引入了能动与非能动相结合的设计理念。在非能动安全***方面针对主冷却剂回路和二次侧设置有非能动安注***、非能动余热排出***、非能动堆腔注水***。针对核电厂的最后一道安全屏障——双层混凝土安全壳设置有非能动安全壳热量导出***。这些***的协调运行可有效抵御核电厂全厂断电事故并为操纵员提供72小时的不干预时间。
关于先进核能技术，已有的发明专利公开了一些非能动安全***。其中，公开号为CN111128414A、CN111383782A的专利提供了若干非能动安全***，包括非能动安全壳排热***、二次侧非能动余热排出***、非能动安注***等，授权号为CN209149827U、公开号为CN110021447A的专利提供了非能动的二次侧余热排出***，公开号为CN110400644A、CN106024077A的专利分别公开了一种非能动的安全壳热量排出***。这些专利的特点在于主要关注各非能动***的布置方案，在设计上并没有考虑不同非能动安全***间的相互关系。典型的，不同的非能动安全***中有各自的热阱，这导致安全壳内/外侧需要在不同的空间位置处布置多个冷却水箱/蓄水箱，这不利于核电厂复杂回路的简化与建造成本的降低。
在安全壳热量导出方面，根据事故发展的进程，安全壳内部气空间将形成2个压力峰值，一是大破口喷放初期的几十秒内在安全壳内形成的幅值较高的第一个压力峰值，二是堆芯再淹没后进行长期冷却过程中所形成的第二个压力峰值。关于安全壳气空间压力缓解的方案，已公开的专利主要针对第二个压力峰值，在缓解安全壳第一个压力峰值方面并没有形成有效方案，主要通过尽可能增大安全壳体积以增强安全壳气空间的缓冲能力，这增加了核电厂安全壳的体积和建造成本。
可以看出已有非能动安全***的进一步发展主要限制于以下两点：一是如何在较小的安全壳容积下有效应对大破口事故的第一个压力峰值；二是如何通过有效的集成不同非能动***的释热阱，以简化***布置，降低设备冗余度。
因此，有必要发明一种具有集成释热阱的非能动联合排热***，以简化反应堆***布置、缩小安全壳体积、降低PCS外置换热水箱体积与水装量，最终为先进核动力电厂的经济性和非能动安全性提供可行方案。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种具有集成释热阱的非能动联合排热***，用以简化核电厂反应堆***布置、缩小安全壳体积，为提高先进核动力电厂的经济性和非能动安全性提供可行方案。
本发明的目的是这样实现的：在双层混凝的安全壳夹层气空间的中下部设置有集成释热阱，集成释热阱是由耐腐蚀金属板围成的环形水池，集成释热阱的顶部壁面设置有至少一组的连通集成释热阱与安全壳内部气空间的管路和单向阀，所述集成释热阱连接有安全壳快速泄压***、自动泄压***、非能动余热排出***、非能动低压安注***、非能动堆腔注水***、过滤排放***，安全壳快速泄压***、自动泄压***、非能动余热排出***、非能动低压安注***、非能动堆腔注水***、过滤排放***的个数和连通集成释热阱与安全壳内部气空间的管路和单向阀组数相同。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.还包括非能动安全壳热量导出***，非能动安全壳热量导出***的数量和连通集成释热阱与安全壳内部气空间的管路和单向阀的组数相同，非能动安全壳热量导出***包括分别设置在双层混凝的安全壳夹层中、安全壳内部中的换热器，每个换热器入口端连接有进口隔离阀和冷管段、出口端连接有出口隔离阀和热管段，每个冷管段的端部和热管段的端部均与安全壳外置换热水箱连通。
2.安全壳快速泄压***包括设置在集成释热阱的下部水空间中的快速泄压管线，快速泄压管线的入口端穿过双层壳体的内壳伸入至安全壳内部气空间中。
3.自动泄压***包括自动泄压管线、设置在自动泄压管线上的自动泄压阀，自动泄压管线的入口端与位于主冷却剂回路上的稳压器的气腔连通、出口端伸入至集成释热阱的下部水空间中。
4.非能动余热排出***布置于反应堆主冷却剂回路上，包括依次连接的入口管线、非能动余热排出换热器、出口管线，入口管线和出口管线上均设置有阀门，入口管线连接蒸汽发生器前端的主冷却剂回路热管段，出口管线连接蒸汽发生器后端的主冷却剂回路冷管段，非能动余热排出换热器浸没于集成释热阱的下部水空间。
5.非能动低压安注***包括非能动低压安注管线和单向阀，非能动低压安注管线的入口段位于集成释热阱的下部水空间中、出口段连接于反应堆压力容器的壁面，单向阀仅允许冷却水从集成释热阱下部水空间流向反应堆压力容器内部。
6.非能动堆腔注水***包括堆腔注水管线、单向注水阀，堆腔注水管线的入口端浸没于集成释热阱下部水空间、出口端连接于由反应堆压力容器外壁面和保温层内壁面形成的夹层流道内。
7.过滤排放***包括一级水洗过滤***和二级过滤排放***，一级水洗过滤***包括快速泄压管线、集成释热阱，二级过滤排放***包括过滤排放阀、过滤排放管线、过滤排放装置，过滤排放管线的以端伸入安全壳夹层上部气空间中、另一端连接过滤排放装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明所设计的集成释热阱充分利用了双层混凝土安全壳夹层区域较大的空间体积，该紧凑型布置方案可避免在安全壳内部气空间布置内置换料水箱、非能动堆腔注水箱等众多冷却水源，可在保障反应堆固有安全性的基础上，有效简化反应堆***布置。
2)由安全壳快速泄压管线和集成释热阱构成的安全壳快速泄压***可有效抵御反应堆大破口事故条件下在安全壳内形成的第一个压力峰值，从而避免了现有第三代压水堆核电技术中通过尽可能增大安全壳体积来缓解压力峰值的不足，有助于大幅减小安全壳体积并降低安全壳的建造成本。
3)位于双层混凝土安全壳夹层区域的集成释热阱可为自动泄压***、非能动余热排出***、非能动低压安注***、非能动堆腔注水***提供充足的冷却水源。释热阱中充足的冷却水可切实减小PCS外置水箱的体积和蓄水量。此外，将结构紧凑的集成释热阱与各类非能动排热***相结合，能够在保障核电厂安全性的基础上提高核电厂的经济性。
4)在非能动安全壳热量导出***中设置的安全壳内置PCS换热器和安全壳夹层PCS换热器可有效应对多种事故工况。在蒸汽发射器二次侧事故条件下，安全壳PCS夹层换热器可与非能动余热排出***联合排出反应堆内热量。在破口事故条件下，安全壳内置PCS换热器、安全壳夹层PCS换热器与安全壳快速泄压***联合作用可有效应对安全壳内的两个压力峰值。
5)通过在释热阱气空间顶部壁面设置通往安全壳夹层上部气空间的联通管线和单向阀，以及在安全壳夹层上部气空间设置通往安全壳内部气空间的联通管线和单向阀，可以在确保各***行使非能动安全功能的基础上有效平衡集成释热阱、安全壳夹层气空间、安全壳内部气空间之间的压力。
6)安全壳快速泄压管线与集成释热阱水空间构成的一级水洗过滤***在运行过程中可实现大多数可溶于水的放射性物质的居留，能够有效减轻二级过滤排放装置的过滤负荷。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的串联运行模式示意图；
图3是本发明的单回路单独运行示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
由于现有的核电厂非能动安全***设计方案中不同非能动***有各自的冷却水箱/热阱，这既不利于安全壳内***设备的简化，又没有充分利用安全壳内部的空间。此外，已有的安全壳非能动热量导出***主要用于缓解破口事故条件下安全壳内的第二个压力峰值，而在第一个压力峰值的缓解方面尚未形成有效的方案。本发明基于双层混凝土安全壳夹层内的较大可用空间，在夹层气空间布置了集成释热阱，其可为多个非能动安全***提供冷却水源，从而有助于简化***布置。快速泄压管线与集成释热阱组成的安全壳快速泄压***可有效抵御破口事故下安全壳内的第一个压力峰值，进而可显著减小安全壳体积并降低核电厂建造成本。
本发明提供一种具有集成释热阱的非能动联合排热***，包括集成释热阱、安全壳快速泄压***、自动泄压***、非能动余热排出***、非能动低压安注***、非能动堆腔注水***、非能动安全壳热量导出***(PCS)以及过滤排放***组成。
所述集成释热阱位于双层混凝的安全壳夹层气空间1的中下部，具体为由不锈钢板或其他耐腐蚀金属板2围成的大尺度环形水池，内部分为上部气空间3和下部水空间4，释热阱的上部气空间3顶部壁面5设置有通往安全壳夹层上部气空间6的联通管线7和单向阀8，安全壳夹层上部气空间6中在内层安全壳壁面9上设置有通往安全壳内部气空间10的联通管线11和单向阀12。位于气空间顶部的联通管线7和单向阀8仅允许气体由集成释热阱气空间3排往安全壳夹层上部气空间6，位于安全壳夹层上部气空间6的联通管线11和单向阀12仅允许气体由安全壳夹层气空间6排往安全壳内部气空间10。
所述安全壳快速泄压***由快速泄压管线13和集成释热阱组成，泄压管线13的入口端位于安全壳内部气空间10，管线穿过内层安全壳壁面，伸入集成释热阱气空间，出口端位于集成释热阱下部水空间4。
所述的自动泄压***由自动泄压管线14、自动泄压阀15和集成释热阱组成，自动泄压管线14的入口端连接于稳压器气腔16、出口端位于集成释热阱下部水空间4。也可以这样描述：泄压管线入口端连接反应堆稳压器顶部并与稳压器内部气腔联通，出口端伸入集成释热阱并浸没于内部水空间，自动泄压阀安装于泄压管线受反应堆事故报警信号控制。
所述的非能动余热排出***优选布置于反应堆主冷却剂回路17，由入口管线18、阀门19，非能动余热排出换热器20，以及出口管线21、阀门22组成，入口管线位于蒸汽发生器前端的主冷却剂回路热管段，出口管线位于蒸汽发生器后端的主冷却剂回路冷管段，非能动余热排出换热器浸没于集成释热阱内部水空间，具体说是：入口管线18连接于一次侧冷却水回路热管段23，出口管线21连接于一次侧冷却水回路冷管段24。所述的非能动余热排出***也可按相似的布置方式应用于蒸汽发生器二次侧。
所述的非能动低压安注***由集成释热阱、非能动低压安注管线25和单向阀26组成，非能动低压安注管线25的入口段位于集成释热阱水空间4，非能动低压安注管线25的出口段连接于反应堆压力容器27壁面，单向阀26仅允许冷却水从集成释热阱水空间4流向反应堆压力容器27内部。
所述的非能动堆腔注水***由集成释热阱、堆腔注水管线28以及单向注水阀29组成，堆腔注水管线28入口端浸没于集成释热阱水空间4，出口端连接于由反应堆压力容器外壁面30和保温层内壁面31形成的夹层流道32内。
所述的非能动安全壳热量导出***包括安全壳外置换热水箱33、冷管段34、安全壳夹层PCS换热器35、安全壳内置PCS换热器36、热管段37、进口隔离阀38、出口隔离阀39。安全壳内置PCS换热器36和安全壳夹层PCS换热器35可与PCS冷管段34、热管段37构成并联运行模式或串联运行模式。安全壳内置PCS换热器36可以与冷热管段34、37形成单回路单独运行，也可以和安全壳夹层换热器35组成双回路联合运行。
所述的过滤排放***由安全壳快速泄压管线13、集成释热阱、过滤排放阀40、过滤排放管线41以及过滤排放装置42组成，其中，过滤排放管线41的入口端伸入安全壳夹层上部气空间6，另一端连接过滤排放装置42，快速泄压管线13与集成释热阱构成一级水洗过滤***，过滤排放阀40、过滤排放管线41以及过滤排放装置42构成二级过滤排放***。
本发明主要用于缓解核电厂运行过程可能发生的主冷却水回路破口事故、主蒸汽管道破口事故、蒸汽发生器二次侧给水事故等。在反应堆发生失水事故尤其是小破口事故条件下，反应堆主冷却剂回路需进行快速降压以便外部冷却水在低压条件下非能动的注入反应堆主冷却剂回路17。该类事故条件下，位于主冷却剂回路稳压器43上部的自动泄压***启动运行。在事故触发信号的作用下，自动泄压阀15开启，稳压器气空间16的高温蒸汽通过泄压管线14通入集成释热阱水空间4完成主冷却剂回路的泄压过程。集成释热阱中大量的冷却水可有效容纳自动泄压过程所释放的能量。当反应堆主冷却剂回路17内压力降低到接近常压时，非能动低压安注***启动运行，集成释热阱水空间4中的冷却水通过低压安注管线25通入反应堆压力容器27，以确保反应堆堆芯处于淹没状态。
在发生熔堆事故条件下，非能动堆腔注水***启动运行，单向阀29自动开启，集成释热阱水空间4中的冷却水通过堆腔注水管线29流入由压力容器外壁面30和保温层内壁面31形成的夹层流道32内，以冷却压力容器27防止其熔穿。
当蒸汽发生器44发生主蒸汽管破口事故或给水***工作异常时，蒸汽发生器二次侧将失去排热能力。为在该类事故条件下确保反应堆主冷却水回路17热量的有效导出，本发明设置的非能动余热排出***启动运行。非能动余热排出***隔离阀19、22在事故信号的触发下自动开启，反应堆主冷却水回路热管段23的冷却剂通过入口管线18进入非能动余热排出***换热器20，冷却后通过出口管线21返回主冷却剂回路17。其中，非能动余热排出***换热器20浸没于集成释热阱的水空间4，集成释热阱中充足的水装量可为非能动余热排出***的运行提供长期热阱。
当反应堆发生大破口失水事故时，将有大量高温蒸汽喷放进入安全壳气空间10，导致安全壳内压力的升高。根据事故发展的进程，安全壳内部气空间将形成2个压力峰值，一是破口喷放初期的几十秒内在安全壳内形成的幅值较高的第一个压力峰值，二是堆芯再淹没后进行长期冷却过程中所形成的第二个压力峰值。
本发明通过由快速泄压管线13和集成释热阱组成的快速泄压***来缓解第一个压力峰值。在大破口失水事故条件下，安全壳内10的高压蒸汽-空气混合气体将通过快速泄压管线13进入集成释热阱水空间4，冷却水通过凝结混合气体中的蒸汽以有效缓解安全壳第一个压力峰值。为在事故长期发展过程中平衡集成释热阱与其它气体区域间的压力，释热阱气空间3顶部壁面5设置有通往安全壳夹层上部气空间6的联通管线7和单向阀8，安全壳夹层上部气空间5的内层安全壳壁面9上设置有通往安全壳内部气空间10的联通管线11和单向阀12。
针对第二个压力峰值，本发明设置了由安全壳外置换热水箱33、冷管段34、安全壳夹层PCS换热器35、安全壳内置PCS换热器36、热管段37、进口隔离阀38、出口隔离阀39组成的非能动安全壳热量导出***。其中，安全壳内置换热器36布置于安全壳内部气空间10，安全壳夹层PCS换热器35布置于内层安全壳9与外层安全壳45的夹层气空间6，安全壳内置PCS换热器36和安全壳夹层PCS换热器35可与PCS冷热管段34、37构成并联运行模式(如图1)或串联运行模式(如图2)。安全壳内置PCS换热器36可以与冷热管段34、37形成单回路单独运行(如图3)，也可以和安全壳夹层换热器35组成双回路联合运行(如图1)。
事故长期发展过程中，在安全壳气空间10的增压阶段，安全壳内置PCS换热器36通过凝结安全壳内气空间10中的蒸汽以缓解安全壳内压力的升高。在安全壳气空间10较高压力的作用下，气体通过快速泄压管线13进入集成释热阱水空间4。当集成释热阱气空间3与安全壳夹层气空间6形成一定的压差后，气空间混合气体通过释热阱气空间3顶部壁面的联通管线7和单向阀8进入安全壳夹层气空间6，所携带的热量通过安全壳夹层PCS换热器35导出。
在安全壳气空间10的降压阶段，安全壳夹层气空间6的压力较高。当安全壳夹层气空间6与安全壳内部气空间10形成一定的压差时，安全壳夹层内的气体通过安全壳夹层上部气空间6的联通管线11和单向阀12排往安全壳内部气空间10。同理，在一定压差的作用下，集成释热阱气空间3中的气体通过位于集成释热阱气空间3顶部壁面的联通管线7和单向阀8进入安全壳夹层气空间6，最终实现安全壳夹层气空间6和安全壳内部气空间10的压力平衡。
在非预期的事故条件下导致安全壳气空间10内部的压力过高时，在安全壳高压信号的出发下过滤排放阀40开启，安全壳过滤排放***启动运行。安全壳气空间10内部带有放射性物质的高温高压气体首先进入由快速泄压管线13与集成释热阱构成一级水洗过滤***，这一过程使大多数可溶于水的放射性物质居留在集成释热阱的水空间4。经一级水洗过滤后，混合气体由位于集成释热阱气空间3顶部壁面5的联通管线7和单向阀8进入安全壳夹层气空间6，之后通过过滤排放管线41进入过滤排放装置42，完成放射性过滤的气体最终排放至外界环境。
综上，本发明的目的在于提供一种具有集成释热阱的非能动联合排热***，其主要由集成释热阱、安全壳快速泄压***、自动泄压***、非能动余热排出***、非能动低压安注***、非能动堆腔注水***、非能动安全壳热量导出***(PCS)以及过滤排放***组成。集成释热阱作为多种反应堆事故下的关键冷源，布置于双层混凝土安全壳环形夹层中下部，四周采用不锈钢板围成大尺度环形水池，内部分为下部水空间和上部气空间。在反应堆发生失水事故和蒸汽发生器二次侧失效条件下，集成释热阱可为自动泄压***和非能动余热排出***换热器提供排热热阱，并为非能动低压安注***和非能动堆腔注水***提供充足的冷却水源。在大破口失水事故引发的严重事故条件下，集成释热阱结合安全壳快速泄压管线可有效抵御安全壳内第一个压力峰值，与PCS***和过滤排放装置联合作用可有效缓解安全壳内第二个压力峰值并实现放射性的居留。集成释热阱的设计充分利用了双层混凝土安全壳的夹层空间，可为各类非能动安全***提供充足冷源，将有助于大幅缩减安全壳气空间体积、减小PCS外置换热水箱体积与水装量，进而为提高先进核动力电厂的经济性和非能动安全性提供可行方案。

Claims (8)

1.一种具有集成释热阱的非能动联合排热***，其特征在于：在双层混凝的安全壳夹层气空间的中下部设置有集成释热阱，集成释热阱是由耐腐蚀金属板围成的环形水池，集成释热阱的顶部壁面设置有至少一组的连通集成释热阱与安全壳内部气空间的管路和单向阀，所述集成释热阱连接有安全壳快速泄压***、自动泄压***、非能动余热排出***、非能动低压安注***、非能动堆腔注水***、过滤排放***，安全壳快速泄压***、自动泄压***、非能动余热排出***、非能动低压安注***、非能动堆腔注水***、过滤排放***的个数和连通集成释热阱与安全壳内部气空间的管路和单向阀组数相同；还包括非能动安全壳热量导出***，非能动安全壳热量导出***包括安全壳外置换热水箱、冷管段、安全壳夹层PCS换热器、安全壳内置PCS换热器、热管段、进口隔离阀、出口隔离阀；当反应堆发生大破口失水事故时，将有大量高温蒸汽喷放进入安全壳气空间，导致安全壳内压力的升高，根据事故发展的进程，安全壳内部气空间将形成2个压力峰值，集成释热阱结合安全壳快速泄压管线可有效抵御安全壳内第一个压力峰值，集成释热阱与非能动安全壳热量导出***和过滤排放***联合作用可有效缓解安全壳内第二个压力峰值并实现放射性的居留。
2.根据权利要求1所述的一种具有集成释热阱的非能动联合排热***，其特征在于：非能动安全壳热量导出***的数量和连通集成释热阱与安全壳内部气空间的管路和单向阀的组数相同，每个PCS换热器入口端连接有进口隔离阀和冷管段、出口端连接有出口隔离阀和热管段，每个冷管段的端部和热管段的端部均与安全壳外置换热水箱连通。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有集成释热阱的非能动联合排热***，其特征在于：安全壳快速泄压***包括设置在集成释热阱的下部水空间中的快速泄压管线，快速泄压管线的入口端穿过双层壳体的内壳伸入至安全壳内部气空间中。
4.根据权利要求3所述的一种具有集成释热阱的非能动联合排热***，其特征在于：自动泄压***包括自动泄压管线、设置在自动泄压管线上的自动泄压阀，自动泄压管线的入口端与位于主冷却剂回路上的稳压器的气腔连通、出口端伸入至集成释热阱的下部水空间中。
5.根据权利要求1或4所述的一种具有集成释热阱的非能动联合排热***，其特征在于：非能动余热排出***布置于反应堆主冷却剂回路上，包括依次连接的入口管线、非能动余热排出换热器、出口管线，入口管线和出口管线上均设置有阀门，入口管线连接蒸汽发生器前端的主冷却剂回路热管段，出口管线连接蒸汽发生器后端的主冷却剂回路冷管段，非能动余热排出换热器浸没于集成释热阱的下部水空间。
6.根据权利要求5所述的一种具有集成释热阱的非能动联合排热***，其特征在于：非能动低压安注***包括非能动低压安注管线和单向阀，非能动低压安注管线的入口段位于集成释热阱的下部水空间中、出口段连接于反应堆压力容器的壁面，单向阀仅允许冷却水从集成释热阱下部水空间流向反应堆压力容器内部。
7.根据权利要求1或6所述的一种具有集成释热阱的非能动联合排热***，其特征在于：非能动堆腔注水***包括堆腔注水管线、单向注水阀，堆腔注水管线的入口端浸没于集成释热阱下部水空间、出口端连接于由反应堆压力容器外壁面和保温层内壁面形成的夹层流道内。
8.根据权利要求7所述的一种具有集成释热阱的非能动联合排热***，其特征在于：过滤排放***包括一级水洗过滤***和二级过滤排放***，一级水洗过滤***包括快速泄压管线、集成释热阱，二级过滤排放***包括过滤排放阀、过滤排放管线、过滤排放装置，过滤排放管线的以端伸入安全壳夹层上部气空间中、另一端连接过滤排放装置。
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