CN113178271A - 一种非能动乏燃料水池冷却*** - Google Patents

Abstract

本发明属于乏燃料贮存及冷却***技术，具体涉及一种非能动乏燃料水池冷却***。其结构包括设置在乏燃料水池内的加热序列，以及设置在冷却塔厂房内的空冷系列、水冷系列、真空度维持系列；所述空冷系列、水冷系列并联设置，并分别与所述加热序列通过管线相连构成分离式热管换热器。分离式热管换热器的真空可通过***单相与两相工况的衔接，通过真空度维持系列运行实现。本发明所提供的乏燃料水池冷却***在正常工况下具有更好的经济性，在事故工况下具有更高的可用度和安全性。

Description

一种非能动乏燃料水池冷却***

技术领域

本发明属于乏燃料贮存及冷却***技术，具体涉及一种非能动乏燃料水池冷却***。

背景技术

乏燃料贮存是核燃料循环的重要阶段，核电厂在整个寿期内需不断更换新的核燃料并卸出已使用过的乏燃料。乏燃料具有持续放出衰变热，有放射性，在特定情况下可能重返临界等特点，因此，对于任何形式的核电厂，乏燃料的贮存安全都是无法回避的问题。2011年日本3·11大地震后，福岛核电厂3号和4号机组燃料厂房先后发生***，构筑物坍塌，所贮存的两千余件乏燃料受到严重威胁，此后业界开始关注乏燃料贮存安全问题，乏燃料水池的非能动冷却研究由此开始。

我国针对乏燃料水池非能动冷却技术的研究起步于福岛311核事故之后，中核集团、广核集团及国家核电技术公司等企业开展了相关研究。国家核电技术公司下属的上海核工程研究设计院在发明专利“一种湿式乏燃料贮存***”(CN201210127017.4)中提出了利用集束直热管对乏燃料水池进行冷却的方案，该方案与西屋公司2011年提出的浮筒式集束热管方案类似，缺点在于大量的集束热管严重影响正常工况下的燃料组件操作，使该方案只适用于应急，实用性较低；上海核工程研究设计院的另外两项发明专利，“一种液体淹没式乏燃料贮存***”(CN201210127019.3)和“一种基于热管的乏燃料池非能动余热导出***”(CN201210127359.6)提出了利用分体式热管技术对乏燃料水池实施冷却，但这两项专利均未采取具体措施解决分离式热管的长期有效性问题，因此实用性有限；国家核电技术公司围绕分离式热管换热器的应用还有若干发明专利申请，如：“一种核电站事故后堆外熔融物滞留装置”(CN201210127012.1)、“一种以安全壳内水箱为热源的分离式空气冷却热阱”(CN201210127335.0)、“一种带有分离式空气冷却热阱的下沉式安全壳”(CN201210127378.9)等，这些专利的共同特点是对于分离式热管换热器内工质分解、气体析出或与管材发生缓慢反应放出气体的问题欠缺可行的解决方案。由于分离式热管冷端换热器和热端换热器分离，中间由绝热管路相连，构成空间尺度较大的设备，其真空度维持较为困难。中广核集团及中科华核电技术研究院有限公司在乏燃料水池非能动冷却方面也有相关研究，包括：“乏燃料水池非能动补水及热量导出装置”(CN201320629756.3)、“闪蒸驱动的乏燃料水池非能动热量导出装置”(CN201320629713.5)，“一种非能动乏燃料水池冷却***”(CN201320023045.1)、“一种压水核电站乏燃料水池的热管冷却装置”(CN201220512478.9)等，这些技术方案大多过于粗糙，实用性较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供一种基于分离式热管换热器技术的非能动乏燃料水池冷却***，使乏燃料水池冷却***在正常工况下具有更好的经济性，并且在事故工况下具有更高的可用度和安全性。

本发明的技术方案如下：一种非能动乏燃料水池冷却***，包括设置在乏燃料水池内的加热序列，以及设置在冷却塔厂房内的空冷系列、水冷系列、真空度维持系列；所述空冷系列、水冷系列并联设置，并分别与所述加热序列通过管线相连构成分离式热管换热器。

进一步，如上所述的非能动乏燃料水池冷却***，其中，所述空冷系列与加热序列联通时，所述分离式热管换热器处于两相运行状态，即换热器的热管内装入部分水并抽真空；所述水冷系列与加热序列联通时，分离式热管换热器处于单相运行状态，即换热器热管内装满水。

进一步，如上所述的非能动乏燃料水池冷却***，其中，所述加热序列包括多路并联的热端换热器。

进一步，如上所述的非能动乏燃料水池冷却***，其中，所述水冷系列的换热器浸泡在位于冷却塔厂房内的热阱水箱内；所述热阱水箱设置有保温层，并由外部冷却循环维持水体低温。

更进一步，所述的外部冷却循环以核电厂冷冻水***(提供10℃以下冷水)或设备冷却水***(提供20℃以下冷水)作为冷源。

进一步，如上所述的非能动乏燃料水池冷却***，其中，所述的空冷系列包括空冷换热器以及风扇，在空冷系列与加热序列连接的管线上设有真空隔断阀。

进一步，如上所述的非能动乏燃料水池冷却***，其中，所述的真空度维持系列包括真空泵和汽水分离器，真空度维持系列与所述的空冷系列、水冷系列并联设置，并通过常闭的隔离阀与分离式热管换热器相隔离。

进一步，如上所述的非能动乏燃料水池冷却***，其中，所述水冷系列的管线上设有排水管，在排水管上设置有排水隔离阀。

本发明的有益效果如下：本发明所提供的基于分离式热管换热器技术的非能动乏燃料水池冷却***，具有空冷系列、水冷系列、真空度维持系列，其空冷系列和水冷系列可分别与加热序列相连，水冷系列与加热序列连通时，分离式热管换热器处于单相运行状态，即换热器热管内装满水，热管***内不需要维持真空，在事故情况下可切换至两相运行(需维持真空)，由于该***可实现单相或两相运行，这从根本上解决了分体式热管的真空维持问题。本发明的优点在于：(1)分离式热管换热器的真空可通过***单相与两相工况的衔接，通过真空度维持系列运行实现；(2)***在正常工况具有更好的经济性；(3)而在事故工况具有更高的可用度和安全性。

附图说明

图1为具体实施方式中非能动乏燃料水池冷却***的结构示意图。

图中，1.乏燃料水池；2.乏燃料组件；3.冷却塔厂房；4.热阱水箱；5.保温层；001VD至006VD，热端换热器检修隔离阀；007VD、008VD，空冷系列真空隔断阀；009VD、010VD，水冷系列隔离阀；011VD、012VD，空冷换热器检修隔离阀；013VD、014VD，真空度维持系列检修隔离阀；01HX至03HX，热端换热器；01WHX、02WHX，水冷系列换热器；01AHX、02AHX，空冷系列换热器；001PA，真空泵；001SS，汽水分离器；001FN、002FN，空冷系列换热器风扇；015VD，排水隔离阀。

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。

发明提供了一种基于分离式热管换热器技术的非能动乏燃料水池冷却***，包括设置在乏燃料水池内的加热序列，以及设置在冷却塔厂房内的空冷系列、水冷系列、真空度维持系列，其空冷系列和水冷系列可分别与加热序列相连，构成分离式热管换热器。作为具体的实施方式，如果水冷系列可以正常运行，空冷系列的作用相比较小，可不考虑同时运行。空冷系列主要是在事故工况下，水冷系列不可用时运行。

空冷系列与加热序列联通时，所述分离式热管换热器处于两相运行状态；水冷系列与加热序列联通时，分离式热管换热器处于单相运行状态。

单相运行模式中，热管***内充满水不需要维持真空。

两相运行模式时，***热导出能力大增，比单相运行时高一个数量级，但长期运行时，两相状态会由于热管***漏气，逐渐失效。因次单相运行更为稳定，可用于日常状态；事故情况下可切换至两相运行。

本发明的加热序列可以包括多路并联的热端换热器，热端换热器置于乏燃料水池内的水面以下，并通过管线分别连接空冷系列的空冷换热器以及水冷系列的水冷换热器。

空冷系列的空冷换热器通过风扇进行强制换热，并且在空冷系列与加热序列连接的管线上设有真空隔断阀。水冷系列的换热器浸泡在位于冷却塔厂房内的热阱水箱内；所述热阱水箱设置有保温层，并由外部冷却循环维持水体低温。外部冷却循环可以以核电厂冷冻水***(提供10℃以下冷水)或设备冷却水***(提供20℃以下冷水)作为冷源。水冷系列的管线上设有排水管，在排水管上设置有排水隔离阀。

真空度维持系列包括真空泵和汽水分离器，真空度维持系列与所述的空冷系列、水冷系列并联设置，并通过常闭的隔离阀与分离式热管换热器相隔离。水冷系列与加热序列联通时，分离式热管换热器处于单相运行状态，此时空冷系列真空隔断阀关闭，热管内充满水，不需要维持真空。在空冷系列与加热序列联通的两相运行状态时，空冷系列真空隔断阀打开，热管内水并未充满，真空度维持系列通过真空泵对热管抽真空以维持***热管内的真空度。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种基于分离式热管换热器技术的非能动乏燃料水池冷却***，具有空冷系列(N07至N08)、水冷系列(N03至N04)、真空度维持系列(N05至N06)；空冷系列(N07至N08)和水冷系列(N03至N04)可分别与加热序列(N01至N2)相连构成分离式热管换热器。在本实施例中，加热序列呈多路并联的形式，包括置于乏燃料水池1内的水面以下的多个并联的热端换热器01HX、02HX、03HX，在热端换热器01HX的两端设置热端换热器检修隔离阀001VD、002VD，在热端换热器02HX的两端设置热端换热器检修隔离阀003VD、004VD，在热端换热器03HX的两端设置热端换热器检修隔离阀005VD、006VD。热端换热器一般可以设置在乏燃料组件2的上方。

非能动乏燃料水池冷却***的空冷系列(N07至N08)和水冷系列(N03至N04)位于冷却塔厂房3内，水冷系列热交换器01WHX、02WHX浸泡于热阱水箱4中。热阱水箱4设置有保温层5，尽量降低其与外界的换热，并可由外部冷却循环(出口为N09，入口为N10)维持水体低温。外部冷却循环可以以核电厂冷冻水***(提供10℃以下冷水)或设备冷却水***(提供20℃以下冷水)作为冷源。

基于分离式热管换热器技术的非能动乏燃料水池冷却***具有两种运行状态，空冷系列(N07至N08)与加热序列(N01至N2，多路并联)联通时，分离式热管换热器处于两相运行状态；水冷系列(N03至N04)与加热序列(N01至N2，多路并联)联通时，分离式热管换热器处于单相运行状态。

非能动乏燃料水池冷却***的空冷系列(N07至N08)与加热序列(N01至N2，多路并联)的连接管线(N07→N05→N03)上设置有真空隔断阀007VD、008VD。空冷系列换热器01AHX、02AHX由风扇001FN、002FN进行强制换热，在空冷系列换热器01AHX、02AHX的两端设置空冷换热器检修隔离阀011VD、012VD。

非能动乏燃料水池冷却***的水冷系列(N03至N04)的管线最低点设置有水冷系列排水管线(N11至N12)，水冷系列排水管线(N11至N12)上设置有排水隔离阀015VD。在水冷系列换热器01WHX、02WHX的两端设置水冷系列隔离阀009VD、010VD。

非能动乏燃料水池冷却***的真空度维持系列(N05至N06)设置有真空泵001PA和汽水分离器011SS，藉由常闭的隔离阀013VD、014VD与分离式热管换热器隔离。

正常状态下水冷系列运行，真空隔断阀007VD、008VD关闭，热管***内充满水，处于单相运行状态，不需要维持真空。空冷系列主要是在事故工况下，水冷系列不可用时运行，此时真空隔断阀007VD、008VD，热管内水并未充满，处于两相运行状态，需要维持真空。

对于本领域技术人员而言，显然本发明方法不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明方法。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明方法的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明方法内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种非能动乏燃料水池冷却***，其特征在于：包括设置在乏燃料水池内的加热序列，以及设置在冷却塔厂房内的空冷系列、水冷系列、真空度维持系列；所述空冷系列、水冷系列并联设置，并分别与所述加热序列通过管线相连构成分离式热管换热器。

2.如权利要求1所述的非能动乏燃料水池冷却***，其特征在于：所述空冷系列与加热序列联通时，所述分离式热管换热器处于两相运行状态；所述水冷系列与加热序列联通时，分离式热管换热器处于单相运行状态。

3.如权利要求1或2所述的非能动乏燃料水池冷却***，其特征在于：所述加热序列包括多路并联的热端换热器。

4.如权利要求1或2所述的非能动乏燃料水池冷却***，其特征在于：所述水冷系列的换热器浸泡在位于冷却塔厂房内的热阱水箱内。

5.如权利要求4所述的非能动乏燃料水池冷却***，其特征在于：所述热阱水箱设置有保温层，并由外部冷却循环维持水体低温。

6.如权利要求5所述的非能动乏燃料水池冷却***，其特征在于：所述的外部冷却循环以核电厂冷冻水***或设备冷却水***作为冷源。

7.如权利要求1或2所述的非能动乏燃料水池冷却***，其特征在于：所述的空冷系列包括空冷换热器以及风扇，在空冷系列与加热序列连接的管线上设有真空隔断阀。

8.如权利要求1或2所述的非能动乏燃料水池冷却***，其特征在于：所述的真空度维持系列包括真空泵和汽水分离器，真空度维持系列与所述的空冷系列、水冷系列并联设置，并通过常闭的隔离阀与分离式热管换热器相隔离。

9.如权利要求1或2所述的非能动乏燃料水池冷却***，其特征在于：所述水冷系列的管线上设有排水管，在排水管上设置有排水隔离阀。

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