專利名稱:一種復(fù)合型的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆事故余熱排出系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本發(fā)明涉及加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆事故余熱排出系統(tǒng)，屬于加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆的安全設(shè)施技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆是目前致力于嬗變放射性核廢物、有效利用核資源及產(chǎn)出核能量的理想裝置。主要由質(zhì)子加速器、散裂靶、次臨界反應(yīng)堆三個(gè)部分組成，是一種鉛鉍冷卻的池式快堆。其基本原理是由加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束流轟擊設(shè)在次臨界堆中的重金屬靶件(鉛鉍合金)，引起散裂反應(yīng)，再通過核內(nèi)級聯(lián)和核外級聯(lián)產(chǎn)生中子，I個(gè)能量為IGeV的質(zhì)子在厚靶上約產(chǎn)生30個(gè)中子，散裂中子靶為次臨界堆提供外源中子。
在核反應(yīng)堆中，冷卻劑在外部驅(qū)動(dòng)力或自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)使下實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)，通過導(dǎo)熱、對流換熱和輻射換熱的方式實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，由一回路和二回路組成的熱量傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)此功能。其中，一回路的功能是由一回路冷卻劑將堆芯中因核裂變產(chǎn)生的熱量傳輸給二回路冷卻劑，從而冷卻堆芯，防止燃料棒燒毀。二回路的功能是由二回路冷卻劑將一回路系統(tǒng)的熱量傳遞給熱阱，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的最終冷卻。
當(dāng)遭遇地震、全廠斷電、蒸汽發(fā)生器損壞、二回路失效、一回路邊界破裂等事故工況時(shí)，堆芯的余熱無法通過一回路、二回路導(dǎo)出。為了能夠順利地釋放出堆芯余熱，避免堆芯裂變?nèi)剂先刍?，必須設(shè)置一個(gè)事故余熱排出系統(tǒng)。
國外設(shè)計(jì)的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆的事故余熱排出系統(tǒng)通常是在反應(yīng)堆安全容器外側(cè)設(shè)置一個(gè)反應(yīng)容器空氣冷卻系統(tǒng)，用于事故時(shí)排出堆芯余熱，如歐盟的XADS、MYRRHA和EA都是采用這種形式。這種形式雖然可以在鉛鉍溫度超過限值時(shí)排出堆芯的余熱，但是由于反應(yīng)容器空氣冷卻系統(tǒng)是由溫差引起的完全非能動(dòng)系統(tǒng)，只有鉛鉍和容器壁溫度較高時(shí)，才能有效的帶走余熱，在反應(yīng)堆剛停堆時(shí)，該系統(tǒng)不能有效啟動(dòng)，不能及時(shí)的導(dǎo)出堆芯熱量。
國內(nèi)已建成的池式鈉冷快堆-中國實(shí)驗(yàn)快堆的事故余熱排出系統(tǒng)是一套獨(dú)立的熱傳輸系統(tǒng)，有獨(dú)立的一回路和二回路，且采用自然循環(huán)的方式進(jìn)行冷卻，在系統(tǒng)的主管道中不設(shè)任何閥門，具有較好的非能動(dòng)安全特性。但是空氣熱交換器的進(jìn)出口風(fēng)門的啟動(dòng)是能動(dòng)的，在一定程度上降低了系統(tǒng)的非能動(dòng)性。
國外已建成的池式鈉冷快堆的事故余熱排出系統(tǒng)通常是在二回路并聯(lián)一個(gè)輔助冷卻系統(tǒng)，用于事故時(shí)排出堆芯余熱。這種設(shè)計(jì)雖然可以在事故時(shí)排出堆芯余熱，但是由于輔助冷卻系統(tǒng)與二回路并聯(lián)，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)共用的部分出現(xiàn)故障時(shí)，可能導(dǎo)致輔助冷卻系統(tǒng)失效，從而無法帶走余熱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題針對現(xiàn)有的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆的事故余熱排出系統(tǒng)非能動(dòng)性差、有效性差的問題，提供一種依靠自然循環(huán)就能將堆芯的余熱有效的排出，具有非能動(dòng)性、安全特性和獨(dú)立性，而且可以提供很大的可靠性的復(fù)合型的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆事故余熱排出系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種復(fù)合型的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆事故余熱排出系統(tǒng)，由反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)和反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)組成，在反應(yīng)堆出現(xiàn)緊急事故，所有能動(dòng)冷卻系統(tǒng)都無法啟動(dòng)時(shí)，一方面可以由堆芯直接冷卻系統(tǒng)從反應(yīng)堆堆芯帶走熱量，防止堆芯熔化；另一方面由安全容器輔助冷卻系統(tǒng)直接從安全容器的表面帶走熱量，防止容器溫度過高而燒毀；所述反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)與主冷卻回路相連，包括安裝在反應(yīng)堆堆芯的鉛鉍池內(nèi)的獨(dú)立熱交換器、反應(yīng)堆堆芯的安全殼外部的空氣熱交換器、第一排氣煙 及連接管道，獨(dú)立熱交換器和空氣熱交換器通過連接管道連接，環(huán)境空氣作為最終熱阱，通過安全殼外部的空氣熱交換器冷卻鉛鉍，由第一排氣煙 排到大氣環(huán)境；所述反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)是在安全容器的外側(cè)直接接觸環(huán)境空氣，包括冷空氣下降管道、熱空氣上升管道、第二排氣煙 ，所述冷空氣下降管道和熱空氣上升管道由一層絕熱壁隔離開；環(huán)境空氣作為最終熱阱，冷空氣直接通過冷空氣下降管道進(jìn)入安全殼內(nèi)部，熱空氣通過熱空氣上升管道從上部出口流出安全殼，由第二排氣煙 排到大氣環(huán)境。
所述反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)和反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)均具有非能動(dòng)特性。目前非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)很多是基于空氣在排氣煙囪中的自然循環(huán)，本發(fā)明充分利用該原理，設(shè)計(jì)了兩套復(fù)合系統(tǒng)最終熱阱都是環(huán)境空氣，可以共用安全殼外部的排氣煙囪，非但沒有增加額外設(shè)施，反而提高了系統(tǒng)的充分利用，同時(shí)可以冷卻反應(yīng)堆堆芯和反應(yīng)堆安全容器，即同時(shí)保證堆芯安全和安全容器的完整。
所述反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，由兩個(gè)相互獨(dú)立、結(jié)構(gòu)相同的環(huán)路組成，每個(gè)環(huán)路均包含一臺(tái)安裝在鉛鉍池內(nèi)的獨(dú)立熱交換器、安全殼外部的空氣熱交換器和第一排氣煙 。獨(dú)立熱交換器屬于非能動(dòng)的鉛鉍-鉛鉍熱交換器，空氣熱交換器屬于非能動(dòng)的鉛鉍-空氣熱交換器?？諝鉄峤粨Q器的風(fēng)門長期打開，不需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)裝置。
所述安全容器與內(nèi)側(cè)的反應(yīng)容器之間有個(gè)狹窄間隙，在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，狹窄間隙呈真空或者充有少量氬氣，真空或氣體的導(dǎo)熱率很小，保證反應(yīng)容器向安全容器的傳熱較少，這樣從安全容器散失的熱量較少，可以更好的利用反應(yīng)堆功率，提高熱效率；在出現(xiàn)緊急事故時(shí)，由于堆芯余熱無法正常排出，使得鉛鉍溫度升高發(fā)生熱膨脹，超過溫度限值時(shí)，溢出進(jìn)入反應(yīng)容器與安全容器之間的狹窄間隙，鉛鉍的導(dǎo)熱率較大，可以在間隙形成良好的導(dǎo)熱層，保證反應(yīng)容器向安全容器的有效傳熱，進(jìn)而帶走堆芯余熱。
所述反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)不需要任何的換熱裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和供電設(shè)施，是由空氣溫差形成的自然循環(huán)，屬于完全非能動(dòng)設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)可靠性更高。
所述反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)的觸發(fā)信號是溫度，一方面是鉛鉍的溫度引發(fā)熱膨脹，另一方面是安全容器的溫度引發(fā)熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，從而加快空氣的流動(dòng)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明具有三個(gè)特點(diǎn)第一，非能動(dòng)性包含兩套非能動(dòng)的冷卻系統(tǒng)，均依靠自然循環(huán)進(jìn)行冷卻，不需要借助交流電源，最大限度的提高系統(tǒng)的非能動(dòng)安全特性，與國內(nèi)鈉冷池式快堆相比，反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)的空氣熱交換器3的風(fēng)門長期打開，不需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)裝置；第二，獨(dú)立性包含的兩套裝置，冷卻方式不同，物理原理不同，系統(tǒng)之間互相獨(dú)立，均可以獨(dú)立地有效地帶走堆芯余熱，而且不依靠主熱傳輸系統(tǒng)就能將堆芯余熱排出；第三，高可靠性，本發(fā)明考慮了同時(shí)冷卻堆芯和安全容器，降低了池內(nèi)冷卻劑和安全容器的最大可能溫度(具體參見表1、2、3)，也考慮了每套系統(tǒng)設(shè)計(jì)冗余的獨(dú)立環(huán)路，使得在各種事故工況下，都能提供足夠的余熱冷卻能力。綜上，本發(fā)明具有非能動(dòng)性、獨(dú)立性和高可靠性的特點(diǎn)，能滿足加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆的安全設(shè)計(jì)要求。


圖I為本發(fā)明系統(tǒng)原理圖。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，本發(fā)明由兩套非能動(dòng)的、獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)組成，每套系統(tǒng)都依靠自然循環(huán)進(jìn)行冷卻，不需要借助交流電源，包括反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)和反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)。
反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)由兩個(gè)相互獨(dú)立、結(jié)構(gòu)相同的環(huán)路組成，所述兩個(gè)相互獨(dú)立、結(jié)構(gòu)相同的環(huán)路，屬于同一個(gè)系統(tǒng)，只是運(yùn)行時(shí)相互之間是獨(dú)立的，具有冗余性的特點(diǎn)，為了提高系統(tǒng)的可靠性和有效性。每個(gè)環(huán)路均包含一臺(tái)安裝在鉛鉍池內(nèi)的獨(dú)立熱交換器2、安全殼外部的空氣熱交換器3、第一排氣煙 4及測量、控制儀表12。其中，測量、控制儀表12屬于反應(yīng)堆測控系統(tǒng)的一部分，在反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)運(yùn)行期間一直工作，目的是為了更好的監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，以便及時(shí)得到反應(yīng)堆堆芯的冷卻狀態(tài)，為系統(tǒng)的運(yùn)行控制提供參數(shù)。
在反應(yīng)堆堆芯I的鉛鉍池11內(nèi)安裝有獨(dú)立熱交換器2，反應(yīng)堆堆芯I的安全殼8外部有空氣熱交換器3，獨(dú)立熱交換器2和空氣熱交換器3通過連接管道連接，環(huán)境空氣作為最終熱阱，通過安全殼8外部的空氣熱交換器3冷卻鉛鉍，由第一排氣煙囪4排到大氣環(huán)境。
加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆為池式結(jié)構(gòu)，作為一回路邊界的反應(yīng)堆容器為雙層結(jié)構(gòu)，類似于保溫瓶膽形狀，內(nèi)層為反應(yīng)容器9，外層為安全容器5。反應(yīng)容器9包容一回路冷卻劑和覆蓋氣體，支撐堆頂蓋和堆內(nèi)所有結(jié)構(gòu)，將核反應(yīng)限制在金屬容器包裹的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，是防止放射性物質(zhì)外泄的重要屏障；安全容器5主要是在反應(yīng)容器9發(fā)生泄漏時(shí)，包容一回路冷卻劑和其循環(huán)。
反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)，是一個(gè)獨(dú)立的輔助冷卻系統(tǒng)，觸發(fā)信號是溫度，包括冷空氣下降管道6、熱空氣上升管道7、第二排氣煙囪4’、狹窄間隙10。不需要任何的換熱裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和供電設(shè)施等，冷空氣直接通過冷空氣下降管道6進(jìn)入安全殼8內(nèi)部，熱空氣通過熱空氣上升管道7從上部出口流出安全殼，由第二排氣煙 4’排到大氣環(huán)境。本發(fā)明的反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)是由空氣溫差形成的自然循環(huán)，屬于完全非能動(dòng)設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)可靠性更高?；阢U鉍的熱膨脹和空氣的對流等自然機(jī)理，完全不依賴于能動(dòng)設(shè)施和操作員的操作。
本發(fā)明中的鉛鉍池11內(nèi)的獨(dú)立熱交換器2是一種非能動(dòng)的浸入式的鉛鉍-鉛鉍熱交換器，安全殼8外部的空氣熱交換器3是一種非能動(dòng)的鉛鉍-空氣熱交換器，均是逆流熱交換裝置?？諝鉄峤粨Q器3長期啟動(dòng)，不需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)裝置。
安全容器5與反應(yīng)容器9之間的狹窄間隙10，在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)呈真空狀態(tài)或者充有少量氬氣，作為一個(gè)獨(dú)立的隔 熱層(保溫層)；在出現(xiàn)緊急事故時(shí)，鉛鉍溫度升高發(fā)生熱膨脹，當(dāng)其溫度超過限值時(shí)，就會(huì)溢出反應(yīng)容器9，進(jìn)入狹窄間隙10，鉛鉍充滿間隙時(shí)，在反應(yīng)容器9和安全容器5中間建立了一個(gè)良好的熱傳導(dǎo)，熱量可以很好的傳遞給外側(cè)空氣。
下面以某加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆所設(shè)計(jì)的事故余熱排出系統(tǒng)為例，提供幾種典型事故工況下的系統(tǒng)運(yùn)行策略，以闡述系統(tǒng)的具體工作方式和所提供的技術(shù)方案。
當(dāng)反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，本發(fā)明處于備用工況狀態(tài)；當(dāng)反應(yīng)堆遭遇地震、全廠斷電、蒸汽發(fā)生器損壞、二回路失效、一回路邊界破裂等事故工況時(shí)，本系統(tǒng)處于工作工況(冷卻工況)狀態(tài)；且反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)立即啟動(dòng)冷卻堆芯，反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)隨后進(jìn)入工作狀態(tài)。經(jīng)過初步設(shè)計(jì)計(jì)算，在反應(yīng)堆事故停堆之后，反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)立即啟動(dòng)，可以帶走額定運(yùn)行功率2%的熱量，對堆芯進(jìn)行長期冷卻；當(dāng)停堆之后24小時(shí)或鉛鉍溫度達(dá)到500°C時(shí)，反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)可以有效的帶走堆芯余熱。
(I)本發(fā)明處于備用工況時(shí)，反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)中的中間二回路的液態(tài)鉛鉍和空氣熱交換器3中的空氣溫升均受一回路鉛鉍溫升自動(dòng)控制，保持三回路空氣有一定強(qiáng)度的自然對流。即中間二回路的液態(tài)鉛鉍維持在一定溫度，且與一回路鉛鉍溫度接近，這時(shí)反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡。反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)的狹窄間隙10，呈真空狀態(tài)或者充有少量氬氣，作為一個(gè)獨(dú)立的隔熱層，空氣流速同樣很小，冷卻能力很差。備用工況時(shí)反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)的主要技術(shù)特性和參數(shù)見表I。
表I備用工況時(shí)反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)的主要技術(shù)特性和參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合型的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆事故余熱排出系統(tǒng)，其特征在于由反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)和反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)組成，在反應(yīng)堆出現(xiàn)緊急事故，所有能動(dòng)冷卻系統(tǒng)都無法啟動(dòng)時(shí)，一方面可以由堆芯直接冷卻系統(tǒng)從反應(yīng)堆堆芯(I)帶走熱量，防止堆芯熔化；另一方面由安全容器輔助冷卻系統(tǒng)從安全容器(5)的表面帶走熱量，防止容器溫度過高而燒毀；所述反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)與主冷卻回路直接相連，包括安裝在反應(yīng)堆堆芯(I)的鉛鉍池(11)內(nèi)的獨(dú)立熱交換器(2)、反應(yīng)堆堆芯(I)的安全殼(8)外部的空氣熱交換器(3)、第一排氣煙 (4)及連接管道，獨(dú)立熱交換器(2)和空氣熱交換器(3)通過連接管道連接，環(huán)境空氣作為最終熱阱，通過安全殼(8)外部的空氣熱交換器(3)冷卻鉛鉍，由第一排氣煙囪(4)排到大氣環(huán)境；所述反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)是在安全容器(5)的外側(cè)直接接觸環(huán)境空氣，包括冷空氣下降管道￠)、熱空氣上升管道(7)、第二排氣煙囪(4’)，所述冷空氣下降管道(6)和熱空氣上升管道(7)由一層絕熱壁隔離開；環(huán)境空氣作為最終熱阱，冷空氣通過冷空氣下降管道(6)進(jìn)入安全殼(8)內(nèi)部，熱空氣通過上升管道(7)從上部出口流出安全殼(8)，由第二排氣煙囪(4’ )排到大氣環(huán)境。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的復(fù)合型的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆事故余熱排出系統(tǒng)，其特征在于所述反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)和反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)可以共用安全殼(8)外部的排氣煙囪，即第一排氣煙囪(4)和第二排氣煙囪(4’ )合二為一。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的復(fù)合型的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆事故余熱排出系統(tǒng)，其特征在于所述的堆芯直接冷卻系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，由兩個(gè)相互獨(dú)立、結(jié)構(gòu)相同的環(huán)路組成，每個(gè)環(huán)路均包含一臺(tái)安裝在鉛鉍池(11)內(nèi)的獨(dú)立熱交換器(2)、安全殼(8)外部的空氣熱交換器⑶和第一排氣煙囪⑷；獨(dú)立熱交換器⑵屬于非能動(dòng)的鉛鉍-鉛鉍熱交換器，空氣熱交換器(3)屬于非能動(dòng)的鉛鉍-空氣熱交換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的復(fù)合型的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆事故余熱排出系統(tǒng)，其特征在于所述的反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)不需要任何的換熱裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和供電設(shè)施，是由空氣溫差形成的自然循環(huán)，屬于完全非能動(dòng)設(shè)計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的復(fù)合型的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆事故余熱排出系統(tǒng)，其特征在于所述反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)的觸發(fā)信號是溫度。
專利摘要
一種復(fù)合型的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆事故余熱排出系統(tǒng)，它由反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)和反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)組成。反應(yīng)堆堆芯直接冷卻系統(tǒng)與主回路相連，由獨(dú)立熱交換器、空氣熱交換器、排氣煙囪和連接管道組成。另外，反應(yīng)堆安全容器輔助冷卻系統(tǒng)是通過安全容器外側(cè)的環(huán)境空氣實(shí)現(xiàn)自然冷卻，冷空氣通過下降管道到達(dá)容器底部，熱空氣通過上升管道流出安全殼，該過程具有非能動(dòng)特點(diǎn)。本發(fā)明具有高效性，非能動(dòng)性、獨(dú)立性和高可靠性，符合加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆的安全設(shè)計(jì)要求。
文檔編號G21C15/18GKCN102623072SQ201210089223
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月30日
發(fā)明者柏云清, 汪衛(wèi)華, 盛美玲, 金鳴 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan