專利名稱:水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及核反應(yīng)堆安全設(shè)施和方法，具體涉及一種安全殼冷卻系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
安全殼是核反應(yīng)堆防止放射性產(chǎn)物向環(huán)境釋放的最后一道實體屏障，是事故情況下反應(yīng)堆放射性和衰變熱的最終包容實體，因此，維持安全殼的完整性至關(guān)重要。安全殼冷卻系統(tǒng)在事故情況下投入，排出安全殼內(nèi)的熱量，保持安全殼的溫度和內(nèi)部氣體壓力低于設(shè)計限值，保證安全殼不被破壞，從而維持放射性包容邊界的完整性。
在現(xiàn)有反應(yīng)堆中，安全殼冷卻系統(tǒng)可分為能動與非能動兩種類型。在二代核電廠中大多采用了能動的安全殼冷卻系統(tǒng)(即安全殼噴淋系統(tǒng))，其基本結(jié)構(gòu)如圖I所示，圖中附圖標(biāo)記I標(biāo)示一回路系統(tǒng)；附圖標(biāo)記2標(biāo)示地坑；附圖標(biāo)記3標(biāo)示安全殼；附圖標(biāo)記4標(biāo)示噴淋管線；附圖標(biāo)記5標(biāo)示換熱器；附圖標(biāo)記6標(biāo)示噴淋泵；附圖標(biāo)記7標(biāo)示換料水箱。事故情況下，由啟動信號向安全殼頂部噴灑冷卻水，為安全殼氣空間降溫降壓，限制安全殼內(nèi)的峰值壓力，保證安全殼的完整性；在再循環(huán)模式下，通過地坑水收集、安全殼外強迫循環(huán)冷卻將熱量排出到安全殼外。該系統(tǒng)在運行過程中需要安全級電源和安全級泵提供驅(qū)動動力。
在某些三代核電廠中采用了非能動的安全殼冷卻系統(tǒng)，圖2是某反應(yīng)堆的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖，圖2中，附圖標(biāo)記I標(biāo)示反應(yīng)堆壓力容器；附圖標(biāo)記2標(biāo)示鋼安全殼容器；附圖標(biāo)記3標(biāo)示安全殼頂部冷卻水箱；附圖標(biāo)記4標(biāo)示空氣導(dǎo)流板；附圖標(biāo)記5標(biāo)示排水管；附圖標(biāo)記6標(biāo)示地面。其運行原理如下在事故情況下，由啟動信號打開排水管線閥門，儲水箱內(nèi)的水依靠重力噴灑到鋼安全殼容器外壁，并形成水膜；通過內(nèi)部蒸汽的冷凝、鋼安全殼容器壁的導(dǎo)熱、外部水膜蒸發(fā)和空氣自然循環(huán)，將安全殼內(nèi)的熱量排出到環(huán)境中，并降低安全殼內(nèi)的峰值壓力。該系統(tǒng)運行過程中，不需要外部動力。
基于非能動原理的安全殼冷卻系統(tǒng)相對于能動安全殼冷卻系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和原理更簡單，且在運行過程不需要外部動力，其可靠性更高，有利于提高反應(yīng)堆的安全性。
然而，在現(xiàn)有安全殼冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案中，不管是能動與非能動方案，都需要在接到外部啟動信號和指令，并在打開相關(guān)閥門或泵運轉(zhuǎn)之后，方能投入運行。一旦啟動信號失靈、或閥門和泵未動作，則該系統(tǒng)將不能執(zhí)行其功能。另外，在錯誤信號、或閥門與泵誤動作情況下，也會帶來其他安全隱患。

實用新型內(nèi)容

因此，本實用新型的目的在于提供一種水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)和方法，其完全自啟動、無中間控制環(huán)節(jié)、可靠性高。
為實現(xiàn)所述目的的水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，其特征在于包括冷卻水池和空氣導(dǎo)流罩，冷卻水池可淹沒安全殼，在冷卻水池內(nèi)安全殼外設(shè)置該空氣導(dǎo)流罩，該空氣導(dǎo)流罩具有環(huán)繞安全殼的環(huán)繞部以及位于安全殼頂部上方的通往大氣的導(dǎo)流部，環(huán)繞部和導(dǎo)流部連接成一體，冷卻水池具有空氣入口，從冷卻水池的空氣入口、到空氣導(dǎo)流罩的環(huán)繞部、再至導(dǎo)流部構(gòu)成具有煙囪效應(yīng)的氣流通道。
所述的水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，其進一步的特點是冷卻水池的儲水空間在安全殼的頂部的有效截面大，冷卻水池的儲水空間在下半部分僅為安全殼與冷卻水池的水池壁之間的環(huán)腔，有效截面小。
所述的水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，其進一步的特點是冷卻水池的水位與地表持平，安全殼位于地表以下的深度。
所述的水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，其進一步的特點是連接環(huán)繞部至導(dǎo)流部的氣流通道的流道面積逐漸變小。
所述的水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，其進一步的特點是環(huán)繞部延伸到冷卻水池的底部。
為實現(xiàn)所述目的的水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻方法，其特點是，在事故情況下，將安全殼內(nèi)高溫蒸汽的熱量自動通過安全殼的壁向淹沒安全殼的冷卻水池傳遞，并逐漸建立起穩(wěn)定的熱傳遞過程，冷卻水池中的水由于受熱蒸發(fā)，蒸汽由于浮升力而自動上升并排放到安全殼外，同時將熱量帶出；隨著傳熱的持續(xù)，冷卻水池內(nèi)的水逐漸蒸發(fā)，水量減少，水位降低，當(dāng)水位低于在冷卻水池內(nèi)安全殼外設(shè)置的空氣導(dǎo)流罩之后，自然形成冷卻水池空氣入口至空氣導(dǎo)流罩底部的氣體下降流道，以及空氣導(dǎo)流罩底部至空氣導(dǎo)流罩空氣出口的上升流道，即傳熱過程自動切換到風(fēng)冷模式，上升流道中的氣體由于受熱而密度低于下降流道中的氣體，在密度差的作用下，冷卻水池外的冷卻空氣持續(xù)從冷卻水池空氣入口進入，經(jīng)過下降流道、再經(jīng)過上升流道并冷卻安全殼外壁，然后從空氣導(dǎo)流罩空氣出口排出。
本實用新型的有益效果如下
I.采用水淹式鋼安全殼容器，實現(xiàn)傳熱過程的自啟動在事故情況下，冷卻劑的質(zhì)能釋放將引起鋼安全殼內(nèi)的溫度和壓力上升，根據(jù)熱量從高溫向低溫傳遞的自然規(guī)律，安全殼內(nèi)高溫蒸汽的熱量自動通過安全殼壁向冷卻水池傳遞，并逐漸建立起穩(wěn)定的熱傳遞過程。冷卻水池中的水由于受熱蒸發(fā)，蒸汽由于浮升力而自動上升并排放到安全殼外，同時將熱量帶出。由此可見，該傳熱過程完全由自然規(guī)律主導(dǎo)，其啟動不需要外部信號、不需要中間控制環(huán)節(jié)、也不需要人為干預(yù)，其運行過程完全非能動，不需要外部動力；
2)設(shè)置空氣導(dǎo)流罩，當(dāng)水位低于導(dǎo)流罩之后，傳熱過程自動切換到風(fēng)冷模式在前述傳熱過程中是以水冷模式運行的，隨著傳熱的持續(xù)，冷卻水池內(nèi)的水逐漸蒸發(fā)，水量減少，水位降低，如果沒有其他補充水源，水池逐步喪失冷卻能力；當(dāng)水位低于導(dǎo)流罩之后，自然形成氣體下降和上升流道，傳熱過程自動切換到風(fēng)冷模式。上升流道中的氣體由于受熱而密度低于下降流道中的氣體，在密度差的作用下，環(huán)境中的冷卻空氣持續(xù)從入口進入，經(jīng)過下降流道、再經(jīng)過上升流道并冷卻鋼安全殼外壁，然后從出口排出；該傳熱過程也是非能動的，并且從水冷到風(fēng)冷的切換是自然切換，不需要外部信號、不需要其他控制環(huán)節(jié)、也不需要人為干預(yù)；
3)冷卻水池在安全殼頂部的儲水截面大，可儲存較多冷卻水使得水冷模式持續(xù)較長時間，并且在該過程中安全殼完全處于淹沒狀態(tài)，因此換熱面積大，有利于傳熱；冷卻水池下半部分的儲水截面小，儲水量小，當(dāng)水池內(nèi)的水位降到安全殼頂部以下后，由蒸發(fā)引起的水位下降速度更快，有利于加快從水冷向風(fēng)冷模式的切換。這樣設(shè)計使得安全殼冷卻系統(tǒng)的排熱能力與衰變熱的衰減規(guī)律相一致，即事故初期衰變熱功率較大需要較強的換熱能力，故采用水冷模式，而事故后期堆芯衰變熱功率較小，采用風(fēng)冷模式可滿足要求；此外，安全殼位于地面以下有利于加強生物屏蔽和降低放射性物質(zhì)向環(huán)境的釋放，并可有效防止外部自然災(zāi)害或人為破壞事件對反應(yīng)堆的影響(如洪水、飛機撞擊、恐怖分子破壞等)。綜合上述因素，本實用新型是基于自然規(guī)律的、原理簡單的、固有安全性好、可靠性高、與衰變熱衰減規(guī)律相適應(yīng)的完全非能動安全殼冷卻系統(tǒng)。


圖I是已有的反應(yīng)堆的安全殼噴淋系統(tǒng)示意圖。
圖2是已有的反應(yīng)堆的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)示意圖。
圖3是本實用新型的水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本實用新型的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的水冷模式的示意圖。
圖5是本實用新型的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的風(fēng)冷模式的示意圖。
具體實施方式
如圖3所示，在本實用新型的一實施例中，非能動安全殼冷卻系統(tǒng)包括鋼安全殼容器22、冷卻水池23和空氣導(dǎo)流罩25。鋼安全殼容器(即安全殼)22在正常備用狀態(tài)下完全淹沒在一個外部冷卻水池23中，水池23是安全殼在事故情況下的衰變熱熱阱。在水池23內(nèi)、鋼安全殼容器22外設(shè)置空氣導(dǎo)流罩25，空氣導(dǎo)流罩25具有環(huán)繞安全殼22的環(huán)繞部251以及位于安全殼22頂部上方的具有空氣出口 29的導(dǎo)流部252，環(huán)繞部251和導(dǎo)流部252連接成一體，冷卻水池23具有空氣入口 26，從冷卻水池的空氣入口 26、到空氣導(dǎo)流罩25的環(huán)繞部251的底部、再至導(dǎo)流部252構(gòu)成具有煙囪效應(yīng)的氣流通道。
進一步，冷卻水池23的水位24與地表27持平，鋼安全殼容器22位于地表27以下一定深度，因此，冷卻水池23在鋼安全殼容器22頂部的儲水截面較大，可儲存較多冷卻水使得水冷模式持續(xù)較長時間，并且在該過程中安全殼22完全處于淹沒狀態(tài)，因此換熱面積大，有利于傳熱；冷卻水池23在下半部分僅為鋼安全殼容器22與水池23的壁之間的環(huán)腔，因此，水池23下半部分的有效儲水截面小，儲水量小，當(dāng)水池23內(nèi)的水位降到鋼安全殼容器22頂部以下后，由蒸發(fā)引起的水位下降速度更快，有利于加快從水冷向風(fēng)冷模式的切換。當(dāng)水池23內(nèi)的水由于蒸發(fā)而水位低于導(dǎo)流罩25底部后，自然形成氣體下降和上升流道，傳熱過程自動由水冷模式切換到風(fēng)冷模式。這樣設(shè)計使得安全殼冷卻系統(tǒng)的排熱能力與衰變熱的衰減規(guī)律相一致，即事故初期衰變熱功率較大需要較強的換熱能力，故采用水冷模式，而事故后期堆芯衰變熱功率較小，采用風(fēng)冷模式可滿足要求。
在事故情況下依靠鋼安全殼容器22內(nèi)的蒸汽冷凝、鋼安全殼容器22的壁的導(dǎo)熱、鋼安全殼容器22外的蒸發(fā)或空氣自然循環(huán)，三個非能動過程連續(xù)傳遞將安全殼22內(nèi)的熱量排出到安全殼22外的最終熱阱，從而保持安全殼的完整性。
此外，由于安全殼22位于地面以下，這也有利于加強生物屏蔽和降低放射性物質(zhì)向環(huán)境的釋放，并可有效防止外部自然災(zāi)害或人為破壞事件對反應(yīng)堆的影響(如洪水、飛機撞擊、恐怖分子破壞等)。
圖3所示實施例可作為壓水堆的安全殼冷卻系統(tǒng)，下面以壓水堆核電廠發(fā)生主冷卻劑系統(tǒng)破口事故為例，來闡述該實施例的運轉(zhuǎn)和實施過程。
在壓水堆核電廠發(fā)生主管道破裂事故時，壓力容器21有主冷卻劑系統(tǒng)破口 28，高溫高壓的一回路冷卻劑(蒸汽)釋放到安全殼22內(nèi)，將引起安全殼22內(nèi)氣體的溫度和壓力上升，如果沒有持續(xù)有效的冷卻措施，安全殼22內(nèi)壓力將可能超過設(shè)計限制而遭到破壞。由于采用圖3所示的實施例，能明顯緩解該類事故，在上述事故情況下，該實施例的具體響應(yīng)步驟如下。
I)如圖4所示，由于鋼安全殼22在正常備用狀態(tài)下完全淹沒在一個冷卻水池23中，在事故初始階段，釋放到安全殼22內(nèi)的高溫蒸汽將直接在安全殼22內(nèi)壁冷凝，從而保持安全殼22內(nèi)氣體的峰值壓力低于設(shè)計限制。
2)隨著傳熱的持續(xù)，冷卻水池23中的水溫升高，逐漸蒸發(fā)。由于鋼安全殼22的設(shè)計壓力大于冷卻水池23內(nèi)的大氣壓，因此安全殼22內(nèi)蒸汽的飽和溫度始終高于外部冷卻水的飽和溫度，從而形成穩(wěn)定的傳熱過程，即通過安全殼22內(nèi)部冷凝、鋼安全殼22的導(dǎo)熱、安全殼22外壁的水蒸發(fā)三個非能動過程連續(xù)傳遞將安全殼內(nèi)的熱量排出。
3)隨著冷卻水池23內(nèi)水的逐漸蒸發(fā)，水量減少，水位降低，水池逐步喪失冷卻能力。當(dāng)水位低于空氣導(dǎo)流罩25底部之后，空氣流道自動形成，傳熱過程自動切換到風(fēng)冷模式，并自動建立起新的穩(wěn)定傳熱過程。如圖5所示，氣流按照箭頭所示的方向流動，形成上升流道32和下降流道31 (即從冷卻水池23的空氣入口 26、到空氣導(dǎo)流罩25的環(huán)繞部251、再至導(dǎo)流部252的空氣出口 29構(gòu)成具有煙囪效應(yīng)的氣流通道)，上升流道32中的氣體由于受熱而密度低于下降流道31中的氣體，在密度差的作用下(即煙囪效應(yīng))，環(huán)境中的冷卻空氣持續(xù)從冷卻水池23的空氣入口 26進入，經(jīng)過下降流道31、再經(jīng)過上升流道32并冷卻鋼安全殼22外壁，然后從空氣導(dǎo)流罩25的空氣出口排出。該傳熱過程也是非能動的，并且從水冷到風(fēng)冷的切換是自然切換，不需要外部信號、不需要其他控制環(huán)節(jié)、也不需要人為干預(yù)。在風(fēng)冷模式下，安全殼內(nèi)的熱量通過安全殼22內(nèi)壁的蒸汽冷凝、鋼安全殼22的導(dǎo)熱、安全殼22外壁的空氣自然循環(huán)三個非能動過程連續(xù)傳遞帶出。
4)由于此時衰變熱功率已經(jīng)降低到足夠小，依靠空氣自然循環(huán)可維持安全殼的冷卻。風(fēng)冷模式可以無限期持續(xù)運行，不需要外部動力，也不需要人為干預(yù)。
權(quán)利要求
1.水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，其特征在于包括冷卻水池和空氣導(dǎo)流罩，冷卻水池可淹沒安全殼，在冷卻水池內(nèi)安全殼外設(shè)置該空氣導(dǎo)流罩，該空氣導(dǎo)流罩具有環(huán)繞安全殼的環(huán)繞部以及位于安全殼頂部上方的通往大氣的導(dǎo)流部，環(huán)繞部和導(dǎo)流部連接成一體，冷卻水池具有空氣入口，從冷卻水池的空氣入口、到空氣導(dǎo)流罩的環(huán)繞部的底部、再至導(dǎo)流部構(gòu)成具有煙 效應(yīng)的氣流通道。
2.如權(quán)利要求
I所述的水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，其特征在于冷卻水池的儲水空間在安全殼的頂部的有效截面大，冷卻水池的儲水空間在下半部分的有效截面小。
3.如權(quán)利要求
I所述的水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，其特征在于冷卻水池的水位與地表持平，安全殼位于地表以下的深度。
4.權(quán)利要求
I所述的水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，其特征在于連接環(huán) 繞部至導(dǎo)流部的氣流通道的流道面積逐漸變小。
5.如權(quán)利要求
I所述的水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，其特征在于環(huán)繞部延伸到冷卻水池的底部。
專利摘要
本實用新型的目的在于提供一種水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，其完全自啟動、無中間控制環(huán)節(jié)、可靠性高。為實現(xiàn)所述目的的水淹和風(fēng)冷相結(jié)合的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，其特征在于包括冷卻水池和空氣導(dǎo)流罩，冷卻水池可淹沒安全殼，在冷卻水池內(nèi)安全殼外設(shè)置該空氣導(dǎo)流罩，該空氣導(dǎo)流罩具有環(huán)繞安全殼的環(huán)繞部以及位于安全殼頂部上方的通往大氣的導(dǎo)流部，環(huán)繞部和導(dǎo)流部連接成一體，冷卻水池具有空氣入口，從冷卻水池的空氣入口、到空氣導(dǎo)流罩的環(huán)繞部、再至導(dǎo)流部構(gòu)成具有煙囪效應(yīng)的氣流通道。
文檔編號G21C15/14GKCN202549316SQ201220072601
公開日2012年11月21日 申請日期2012年2月29日
發(fā)明者司勝義, 廖亮, 林千, 申屠軍 申請人:上海核工程研究設(shè)計院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan