本發(fā)明屬于核電站反應(yīng)堆的安全系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種小型模塊化反應(yīng)堆的非能動自充壓堆芯補水系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
壓水堆的專設(shè)安全系統(tǒng)，從二代電站的能動系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)向三代電站的非能動系統(tǒng)。能動的安全系統(tǒng)是有源系統(tǒng)，其運行需要電源和泵提供動力；非能動安全系統(tǒng)的運行依靠自然循環(huán)或重力驅(qū)動等措施，不需要外部動力。典型的非能動安全系統(tǒng)，比如AP1000核電廠，包括非能動余熱排出系統(tǒng)、非能動安注系統(tǒng)、非能動安全殼冷卻系統(tǒng)。其中非能動安注系統(tǒng)由高壓安注、中壓安注和低壓安注組成。高壓安注是兩個與冷卻劑回路連通的高壓補水箱，事故初期通過重力將冷卻水注入堆芯；中壓安注是兩個氮氣預(yù)充壓的安注箱，當(dāng)冷卻劑壓力低于5MPa時，通過氮氣膨脹壓力將冷卻水注入堆芯；低壓安注指當(dāng)冷卻劑壓力降至接近安全殼內(nèi)壓力時，換料水箱中的冷卻水通過重力注入堆芯，實現(xiàn)長期冷卻。AP1000的堆芯安注系統(tǒng)需要自動降壓系統(tǒng)配合，實現(xiàn)預(yù)設(shè)地快速地堆芯降壓功能，從而在高壓安注和中壓安注的冷卻水耗盡之前，低壓安注能夠及時啟動，保證堆芯冷卻的長效性。小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）將蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、甚至控制棒驅(qū)動機構(gòu)等設(shè)備置于壓力容器內(nèi)，形成一體化的反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)。SMR在安全特性上，一方面去除了冷卻劑系統(tǒng)管道，消除了由于大管道雙端斷裂造成的大破口失水事故；另一方面壓力容器內(nèi)水裝量相對較多，因此即使發(fā)生破口事故，也能在前期保證堆芯淹沒。所以小型模塊化反應(yīng)堆的專設(shè)安全系統(tǒng)與大型堆有一定的 區(qū)別。西屋公司早期提出的IRIS反應(yīng)堆，緩解小破口失水事故的措施如下：事故早期利用非能動緊急排熱系統(tǒng)（EHRS）將堆芯產(chǎn)生的蒸汽冷卻成水，在迅速降低一次側(cè)壓力的同時減少了冷卻劑喪失；當(dāng)冷卻劑裝量下降到一定程度時，利用自動卸壓系統(tǒng)為壓力容器降壓；當(dāng)冷卻劑壓力與小型安全殼內(nèi)壓力接近平衡時，利用安全殼內(nèi)的抑壓水箱通過重力注射為堆芯提供長期冷卻水源。韓國KAERI提出的SMART反應(yīng)堆，其專設(shè)安全系統(tǒng)混合采用能動系統(tǒng)和非能動系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生小破口失水事故時，非能動余熱排出系統(tǒng)（PRHRS）通過自然循環(huán)帶走部分堆芯熱量，能動的安全注入系統(tǒng)汲取換料水箱中的水，為堆芯提供長期冷卻水源。巴威公司開發(fā)的mPower反應(yīng)堆，緩解小破口失水事故的措施與IRIS相似，即既利用非能動的應(yīng)急冷凝換熱器排出堆芯衰變熱，又利用自動卸壓系統(tǒng)為壓力容器卸壓。最后小型安全殼內(nèi)的水箱通過重力注射為堆芯提供長期冷卻水源。西屋公司近期開發(fā)的W-SMR反應(yīng)堆，其緩解小破口失水事故的措施如下：事故早期，一方面由二次側(cè)蒸汽旁排帶出衰變熱，另一方面與冷卻劑連通的堆芯補水箱（CMT）通過重力向堆芯補水。當(dāng)冷卻劑壓力下降到一定程度時，自動卸壓系統(tǒng)啟動，為壓力容器卸壓。最后壓力容器內(nèi)外壓力平衡后，小型安全殼內(nèi)的水箱通過重力注射為堆芯提供長期冷卻水源。專利（專利號：201210050421.6，核反應(yīng)堆的非能動安全注射系統(tǒng)）提供了一種以高壓安全殼和低壓安注為主要特征的堆芯補水系統(tǒng)。具體地說，當(dāng)發(fā)生小破口事故時，事故前期通過其它手段或者僅依靠壓力容器內(nèi)水裝量來保證堆芯淹沒；當(dāng)冷卻劑液位降到一定程度時，開啟自動降壓系統(tǒng)；當(dāng)壓力容器內(nèi)外壓力平衡后，安全殼內(nèi)水池通過重力注射為堆芯提供長期冷卻水源。以上介紹粗略地闡述了目前小型模塊化反應(yīng)堆所采用的堆芯補水概念或方案。上述方案各有利弊，具體地說：1.IRIS、mPower和專利（專利號：201210050421.6）所提出的補水方案中，真正向堆芯注入冷卻水是在冷卻劑壓力和安全殼內(nèi)壓力達(dá)到平衡之后。在此之前為保證堆芯冷卻，必須提供其它的冷卻手段，一般利用換熱器帶走冷卻劑熱量。2.專利（專利號：201210050421.6）所提出的補水方案中要求安全殼承受一定程度的壓力，這對安全殼設(shè)計和用材提出了較高要求。3.W-SMR設(shè)置了堆芯補水箱CMT，以實現(xiàn)事故初期向堆芯補水。堆芯補水箱由于與冷卻劑連通，因此是承高壓設(shè)備，且占據(jù)安全殼內(nèi)空間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明根據(jù)小型模塊化反應(yīng)堆的安全特性，設(shè)計了一種自充壓堆芯補水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可降低對其它堆芯冷卻手段的要求，減少承高壓設(shè)備的數(shù)目，有效利用安全殼內(nèi)空間，以簡單的原理、小型的設(shè)備、較低的承壓要求有效緩解小破口失水事故。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：一種自充壓堆芯補水系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括安全殼和設(shè)置于其中的反應(yīng)堆壓力容器、電磁閥、降壓/充壓管線、安全閥、自充壓補水箱、噴灑器、換料水箱、換料水箱止回閥、補水箱止回閥、共用安注管線；所述換料水箱與安全殼大氣連通；所述反應(yīng)堆壓力容器頂部空間通過降壓/充壓管線與噴灑器連接，在降壓/充壓管線上設(shè)置有電磁閥，噴灑器位于自充壓補水箱下部水中，自充壓補水箱上部充有氮氣；自充壓補水箱設(shè)置有安全閥；自充壓補水箱位于換料水箱中，換 料水箱中充有水；自充壓補水箱的底部通過共用安注管線與反應(yīng)堆壓力容器下部連接，該段管路上設(shè)置有補水箱止回閥；換料水箱的底部通過共用安注管線與反應(yīng)堆壓力容器下部連接，該段管路上設(shè)置有換料水箱止回閥。所述自充壓補水箱是一個處于常溫常壓的密閉容器，里面大部分裝滿冷卻水，上部空間充有氮氣。所述電磁閥在事故發(fā)生后反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)冷卻劑壓力達(dá)到整定值時打開，通過降壓/充壓管線將反應(yīng)堆壓力容器和自充壓補水箱連通。所述自充壓補水箱開始充壓和向反應(yīng)堆壓力容器注射時，利用換料水箱內(nèi)的水給自充壓補水箱通過壁面進行冷卻。所述換料水箱與安全殼大氣連通，當(dāng)反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)壓力和安全殼內(nèi)大氣壓力接近平衡時，換料水箱中的水利用重力壓差向反應(yīng)堆壓力容器注水。所述自充壓補水箱和換料水箱共用一根安注管線。本發(fā)明所取得的有益效果為：本發(fā)明所述一種自充壓堆芯補水系統(tǒng)，能夠有效緩解小型模塊化反應(yīng)堆的小破口失水事故，去除了大型非能動電站的高壓安注和中壓安注系統(tǒng)，在事故緩解過程中不需要其它衰變熱排出手段介入，系統(tǒng)簡單，設(shè)備體積小、承壓低、安全殼峰值壓力低，占據(jù)安全殼空間少，且沒有額外增加其它事故發(fā)生的概率；本發(fā)明所述一種自充壓堆芯補水系統(tǒng)主要包含一個自充壓的補水箱，在破口事故發(fā)生后，自充壓補水箱與反應(yīng)堆壓力容器連通，在反應(yīng)堆壓力容器降壓的同時，自充壓補水箱充壓，兩者平衡后，自充壓補水箱利用重力壓差向堆芯注射冷卻水。該堆芯補水系統(tǒng)具有以下特點：（1）系統(tǒng)空閑時，自充壓補水箱及其管道處于常溫常壓狀態(tài)；（2）反應(yīng)堆壓力容器與自充壓補水箱之間的壓力平衡在事故發(fā)生后建立；（3）電磁閥給反應(yīng)堆壓力容器卸壓的同時，給自充壓補水箱充壓；（4）自充壓補水箱承壓低（小于4MPa），容積?。ㄐ∮?0m3）；（5）自充壓補水箱置于換料水箱內(nèi)，共用安注管線，既減少了管線數(shù)量，也降低了安注管線發(fā)生破口的概率；（6）不需要大型非能動核電站的高壓安注和預(yù)充壓的中壓安注；（7）安全殼承受的峰值壓力屬于低壓（小于0.5MPa）。附圖說明圖1為本發(fā)明所述一種自充壓堆芯補水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖中：1、反應(yīng)堆壓力容器；2、電磁閥；3、降壓/充壓管線；4、安全閥；5、自充壓補水箱；6、噴灑器；7、換料水箱；8、換料水箱止回閥；9、補水箱止回閥；10、共用安注管線；11、安全殼。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明所述一種自充壓堆芯補水系統(tǒng)包括安全殼11和設(shè)置于其中的反應(yīng)堆壓力容器1、電磁閥2、降壓/充壓管線3、安全閥4、自充壓補水箱5、噴灑器6、換料水箱7、換料水箱止回閥8、補水箱止回閥9、共用安注管線10；所述換料水箱7與安全殼11大氣連通；所述反應(yīng)堆壓力容器1頂部空間通過降壓/充壓管線3與噴灑器6連接，在降壓/充壓管線3上設(shè)置有電磁閥2，噴灑器6位于自充壓補水箱5下部水中，自充壓補水箱5上部充有氮氣；自充壓補水箱5設(shè)置有安全閥4；自充壓補水箱5位于換料水箱7中，換料水箱7中充有水；自充壓補水箱5的底部通過共用安注管線10與反應(yīng)堆壓力容器1下部連接，該段管路上設(shè)置有補水箱止回閥9；換料水箱7的底部通過共用安注管線10與反應(yīng)堆壓力容器1下部連接，該段管 路上設(shè)置有換料水箱止回閥8；所述自充壓補水箱5是一個處于常溫常壓的密閉容器，里面大部分裝滿冷卻水，上部空間充有氮氣。充氮氣是為了緩解冷卻水熱脹冷縮造成的壓力波動，同時保證冷卻水水質(zhì)。自充壓補水箱5設(shè)置安全閥4的目的是避免升壓過程中壓力過高造成對箱體的破壞；所述電磁閥2在事故發(fā)生后反應(yīng)堆壓力容器1內(nèi)冷卻劑壓力達(dá)到整定值時打開，通過降壓/充壓管線3將反應(yīng)堆壓力容器1和自充壓補水箱5連通。這樣一方面反應(yīng)堆壓力容器1內(nèi)冷卻劑流出，實現(xiàn)降壓；另一方面來自反應(yīng)堆壓力容器1的高溫水汽進入自充壓補水箱5，使箱體升壓；所述降壓/充壓管線3末端的噴灑器6伸入自充壓補水箱5的水空間，這樣緩沖了自充壓補水箱5的升壓過程，使降壓/升壓過程較為平緩地進行；所述自充壓補水箱5置于換料水箱7內(nèi)，一方面節(jié)省了安全殼11內(nèi)空間，另一方面當(dāng)自充壓補水箱5開始充壓和向反應(yīng)堆壓力容器1注射時，可利用換料水箱7內(nèi)的水給自充壓補水箱5通過壁面進行冷卻；所述換料水箱7是一個與安全殼11大氣連通的容器，當(dāng)反應(yīng)堆壓力容器1內(nèi)壓力和安全殼11內(nèi)大氣壓力接近平衡時，換料水箱7中的水利用重力壓差向反應(yīng)堆壓力容器1注水；所述自充壓補水箱5和換料水箱7共用一根共用安注管線10，既減少了管線數(shù)量，也降低了安注管線發(fā)生破口的概率；當(dāng)反應(yīng)堆發(fā)生小破口失水事故后，反應(yīng)堆壓力容器1內(nèi)的冷卻劑通過破口噴放至安全殼11內(nèi)部，反應(yīng)堆壓力容器1內(nèi)的液位降低、壓力降低，安全殼11內(nèi)的壓力升高；當(dāng)反應(yīng)堆壓力容器1的壓力降到一定程度時（如4MPa），觸發(fā)電磁閥2的 開啟信號；電磁閥2的開啟不依賴于外部電源；汽態(tài)（可能有部分液態(tài)）的冷卻劑通過降壓/充壓管線3由噴灑器6噴灑至自充壓補水箱5的水空間內(nèi)；反應(yīng)堆壓力容器1進一步降壓；自充壓補水箱5內(nèi)由于高溫汽水注入快速升壓。將反應(yīng)堆壓力容器1內(nèi)壓力和自充壓補水箱5內(nèi)壓力達(dá)到基本平衡時（如3MPa），自充壓補水箱5中的冷卻水利用重力壓差通過共用安注管線10注入到反應(yīng)堆壓力容器1內(nèi)，為堆芯提供一定時間（比如2000秒）的冷卻水，保證堆芯淹沒。隨著破口噴放和自充壓補水箱5注水的繼續(xù)進行，安全殼11內(nèi)大氣壓力逐漸升高。在自充壓補水箱5冷卻水耗盡之前，反應(yīng)堆壓力容器1和安全殼11實現(xiàn)壓力平衡（比如0.4MPa）。此時，換料水箱7中的冷卻水利用重力壓差通過安注管線10注入到反應(yīng)堆壓力容器1內(nèi)，為堆芯提供較長時間的冷卻水。堆芯的長期冷卻依靠安全殼11外部冷卻設(shè)施和冷凝水收集設(shè)施來實現(xiàn)。這部分非本發(fā)明的內(nèi)容，而是反應(yīng)堆專設(shè)安全系統(tǒng)的一般性設(shè)施。綜上，當(dāng)破口發(fā)生時，前期注水系統(tǒng)不動作；當(dāng)冷卻劑壓力降到一定程度時，使反應(yīng)堆壓力容器1與自充壓補水箱5連通，自充壓補水箱5給堆芯補水；自充壓補水箱5的補水過程一直延續(xù)到換料水箱7開始注水為止。