CN116525154A - 小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***及其使用方法，属于海洋浮动核电站的安全技术领域，解决了现有非能动余热排出***需配置较多设备、成本高、换热反馈缓慢的问题。本发明在主容器外部设有安全容器，安全容器侧部***设有保温层，保温层与安全容器之间设有上水管道，上水管道下端连接进水管道，进水管道上设有隔离阀门，进水管道的进水端设有竖向管道，竖向管道上端位于海面以下，上水管道上端设有出水管道，出水管道的出水端通向海面。本发明利用海水作为冷却介质，海水可由竖向管道自流进入竖向管道、进水管道，海水在上水管道内与安全容器进行换热后，汽化或经出水管道流入大海，形成自然循环，完全非能动。
Description
技术领域
本发明属于海洋浮动核电站的安全技术领域，具体涉及一种小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***及其使用方法。
背景技术
第４代核能***国际论坛（GIF）指出，铅基快堆在核废料嬗变和燃料增殖方面具有独特优势。同时，铅基冷却剂化学性质不活泼，自然循环能力强，使得***可极大地简化，提高了反应堆的安全性和经济性。作为一种液态重金属冷却反应堆，铅基快堆被GIF列为有望最先实现工业示范的第４代核能***。
小型铅冷海洋反应堆是指以纯液铅为冷却剂的快堆，采用池式堆芯结构，通常在常压高温条件下运行，具有良好自然循环能力和固有安全特性。
非能动余热排出***是先进反应堆专设安全***，可以为反应堆提供固有安全性，其设计优化意义重大。
目前，针对小型液态重金属快堆，常见的非能动余热排出***设计有三种形式。第一种是风冷自然循环方式，冷却空气通过冷空气下降通道进入***，在热空气上升通道内被加热，靠空气本身温度差引起的密度差驱动向上流动，通过烟囱，排入大气，这种非能动余排可以作用于安全容器或堆芯池内。第二种是堆芯池内的独立热交换器方式，通常在堆池内设置除常规热交换器外的独立热交换器，用于在常规热交换器不工作时利用外置冷源的方式带走堆芯衰变余热，常用的外置冷源采用专门设置的安全水箱。第三种是作用于二回路或三回路的设计方式，例如，在三回路冷凝换热器二次侧入口和出口连接大海，入口与出口间设计高度差。利用阀门开关，冷凝换热器与蒸汽发生器构成封闭二回路，通过三个回路的自然循环，排出余热。
对于小型铅冷海洋池式自然循环反应堆，第一种方式对于海洋环境不再适用；第二种方式设计复杂，回路较多，需配置较多设备，成本高且导致***失效概率增加；第三种方式，虽然可以利用海洋环境便利，但换热反馈缓慢，不利于快速响应。因此，有必要提供一种小型海洋液铅固定式反应堆非能动余热排出***。
发明内容
本发明的目的是提供一种小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***，以解决现有非能动余热排出***需配置较多设备、成本高、换热反馈缓慢的问题。
本发明的另一目的是提供一种小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***的使用方法。
本发明的技术方案是：一种小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***，在主容器外部设有安全容器，安全容器侧部***设有保温层，保温层与安全容器之间设有上水管道，上水管道下端连接进水管道，进水管道上设有隔离阀门，进水管道的进水端设有竖向管道，竖向管道上端位于海面以下，上水管道上端设有出水管道，出水管道的出水端通向海面。
作为本发明的进一步改进，进水管道上设有过滤装置。
作为本发明的进一步改进，进水管道上设有放空管，放空管上设有放空阀门和水泵。
作为本发明的进一步改进，出水管道出水端位于海面以上。
作为本发明的进一步改进，进水管道、上水管道和出水管道设有多组。
作为本发明的进一步改进，安全容器内设有电加热装置，电加热装置围绕主容器外壁设置。
一种小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***的使用方法，包括以下步骤：
A、正常生产时，堆芯产生的热量通过小型铅冷海洋池式自然循环反应堆内的热交换器进行换热，后流经冷池重新进入堆芯完成自然循环；
B、全厂断电事故发生后，热交换器失去换热功能；
C、电力驱动常关的隔离阀门由于失去电源开启，海水经竖向管道、进水管道流入冷却通道，海水与安全容器进行换热，受热后膨胀的海水向上流动，经出水管道排入海洋环境或直接汽化排出。
D、事故排除后，供电恢复，隔离阀门得电关闭，利用水泵抽取残留在冷却通道与隔离阀门后端进水管道中的海水，使非能动余热排出***恢复到等待工作状态；热交换器恢复换热功能。
本发明的有益效果是：本发明利用海水作为冷却介质，排出反应堆余热，竖向管道具有一定高度，由于高度差，海水可由竖向管道自流进入竖向管道、进水管道，海水在上水管道内与安全容器进行换热后，汽化或经出水管道流入大海，由此形成自然循环，不依靠任何外部电源，和应急电源，完全非能动。本发明利用海洋环境中的海水，***简单，换热效率高，且直接作用于池式主回路，响应快。本发明用于在全厂断电等事故工况下排出堆芯衰变余热，防止堆芯余热不能及时排出造成堆芯或安全容器严重损坏的结果。该***设备简单，换热效果佳，借助海洋环境，成本低廉。本发明使用方法简单，可靠性高。
附图说明
图1是本发明小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***的结构示意图。
图中：1-堆芯；2-热池；3-冷池；4-主容器；5-安全容器；6-电加热装置；7-进水管道；8-上水管道；9-出水管道；10-保温层；11-隔离阀门；12-热交换器；13-过滤装置；14-水泵；15-平台；16-放空管；17-竖向管道；18-放空阀门。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***，在主容器4外部设有安全容器5，安全容器5包围主容器4的侧部和底部，安全容器5侧部***设有保温层10，保温层10与安全容器5之间设有上水管道8，上水管道8下端连接进水管道7，进水管道7上设有隔离阀门11，进水管道7的进水端设有竖向管道17，竖向管道17上端位于海面以下，上水管道8上端设有出水管道9，出水管道9的出水端通向海面。
进水管道7上设有过滤装置13。
进水管道7上设有放空管16，放空管16位于过滤装置13后端，放空管16上设有放空阀门18和水泵14。
出水管道9出水端位于海面以上。防止平台15被淹时，海水倒灌入出水管道9。
进水管道7、上水管道8和出水管道9设有多组。
安全容器5内设有电加热装置6，电加热装置6围绕主容器4外壁设置。
现有的小型铅冷海洋池式自然循环反应堆是在海洋里设置平台15，平台15内设置主容器4，主容器4内设有热池2、冷池3和热交换器12，热池2内设有堆芯1，热池2下端与冷池3相连通，热池2上端与热交换器12的工质入口相连，热交换器12的工质出口与冷池3连通。
池式反应堆流出堆芯1的冷却剂向上进入热池2，与热交换器12换热后向下流入冷池3后再次流入热池2进入堆芯1，完成自然循环。自然循环相较于强迫循环具有非能动的安全特性，被用于金属反应堆的设计，特别是铅或铅铋等重金属反应堆。堆芯1等部件均置于主容器4中构成密闭回路。电加热装置6用于给主容器4的外壁面加热调温，主要用于反应堆启动或事故工况下的堆内液态金属的温度控制，防止金属凝固。安全容器5侧壁外部布置有保温层10，保温层10与电加热装置6共同起到调节温度的作用。同时，保温层10还起到防止高温热辐射损坏堆坑外侧混凝土壁面的作用。进水管道7上安装有电力驱动常关的隔离阀门11，反应堆正常运行状态时间，隔离阀门11常关，非能动余热排出***不工作。
当事故工况时，隔离阀门11，失电自动开启，海水由于重力高差自流进入竖向管道17和进水管道7，经过滤装置13过滤后，流入冷却通道8，与安全容器5外壁面换热后，由密度差变化引起的自然循环特性，最终汽化或经出水管道流入大海，完成非能动余排的功能。事故排除后，隔离阀门11得电关闭，开启放空阀门18，通过水泵14抽取残留在冷却通道8与隔离阀门11后端进水管道7中的海水，然后关闭水泵14和放空阀门18，使非能动余热排出***恢复到等待工作状态。
实施例1、
以反应堆全厂断电事故为实例，本实施例中，进水管道7、上水管道8和出水管道9设有四组，间隔90度环绕安全容器5外壁布置。
使用方法如下：
A、全厂断电事故发生前，堆芯1产生的热量通过上部的热交换器12与二回路冷却工质换热，后流经冷池3重新进入堆芯1完成自然循环。此时，堆芯1的热量由热交换器12带走。
B、全厂断电事故发生后，二回路强迫循环失去动力，热交换器12失去换热功能；此时，堆芯停堆，此时仍有大量衰变热需要被带走冷却。
C、电力驱动常关的隔离阀门11由于失去电源开启，海水经竖向管道17、进水管道7进入滤装置13，过滤掉大直径颗粒和漂浮物后，流入冷却通道8，海水通过对流换热为主导的换热方式与安全容器5外壁面进行换热，受热后膨胀的海水向上流动，由于自然循环特性流体经出水管道9排入海洋环境或直接汽化排出。
D、事故排除后，供电恢复。隔离阀门11得电关闭，利用水泵14抽取残留在冷却通道8与隔离阀门11后端进水管道7中的海水，使非能动余热排出***恢复到等待工作状态。热交换器12恢复换热功能。
在***设计中，还应设有完备的温度测量仪表。在反应堆主容器4和安全容器5的外壁面上，应设有热电偶测量壁面温度；在进水管道7、冷却通道8、出水管道9内布置热电偶，用于测量流体温度。以上温度测量仪表与电加热装置6配合使用，防止液态金属凝固。
本发明的设计符合国际***（IAEA）给出的非能动***的定义，即：“完全由非能动部件组成的***，或者是利用有限的能动部件启动后续非能动过程的***”。
本发明借助海洋环境的天然冷源和反应堆设计高差产生的自然循环特性，能在全厂断电等事故工况下非能动启动，无需人为干涉，不需要任何其他的换热装置、驱动装置和供电设施。事故发生时的最终热阱是大海，无需设置额外的冷却水箱，整个***简单，额外添加的设备少，且由于海水冷却带来了较好的换热效果。可以在事故工况下实现小型化、高安全性的将反应堆的余热排出的功能。整套***布置在主容器以外，无需在堆本体上贯穿打孔，提高了***的可靠性和安全便利性。
Claims (7)
1.一种小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***，其特征在于：在主容器（4）外部设有安全容器（5），安全容器（5）侧部***设有保温层（10），保温层（10）与安全容器（5）之间设有上水管道（8），上水管道（8）下端连接进水管道（7），进水管道（7）上设有隔离阀门（11），进水管道（7）的进水端设有竖向管道（17），竖向管道（17）上端位于海面以下，上水管道（8）上端设有出水管道（9），出水管道（9）的出水端通向海面。
2.根据权利要求1所述的小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***，其特征在于：所述进水管道（7）上设有过滤装置（13）。
3.根据权利要求1或2所述的小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***，其特征在于：所述进水管道（7）上设有放空管（16），放空管（16）上设有放空阀门（18）和水泵（14）。
4.根据权利要求3所述的小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***，其特征在于：所述出水管道（9）出水端位于海面以上。
5.根据权利要求4所述的小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***，其特征在于：所述进水管道（7）、上水管道（8）和出水管道（9）设有多组。
6.根据权利要求5所述的小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***，其特征在于：所述安全容器（5）内设有电加热装置（6），电加热装置（6）围绕主容器（4）外壁设置。
7.一种小型铅冷海洋池式自然循环反应堆非能动余热排出***的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
A、正常生产时，堆芯（1）产生的热量通过小型铅冷海洋池式自然循环反应堆内的热交换器（12）进行换热，后流经冷池（3）重新进入堆芯（1）完成自然循环；
B、全厂断电事故发生后，热交换器（12）失去换热功能；
C、电力驱动常关的隔离阀门（11）由于失去电源开启，海水经竖向管道（17）、进水管道（7）流入冷却通道（8），海水与安全容器（5）进行换热，受热后膨胀的海水向上流动，经出水管道（9）排入海洋环境或直接汽化排出；
D、事故排除后，供电恢复，隔离阀门（11）得电关闭，利用水泵（14）抽取残留在冷却通道（8）与隔离阀门（11）后端进水管道（7）中的海水，使非能动余热排出***恢复到等待工作状态；热交换器（12）恢复换热功能。
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