BR112017011934B1 - PASSIVE INTERNAL HEAT REMOVAL SYSTEM FROM CONFINEMENT - Google Patents

PASSIVE INTERNAL HEAT REMOVAL SYSTEM FROM CONFINEMENT Download PDF

Info

Publication number
BR112017011934B1
BR112017011934B1 BR112017011934-0A BR112017011934A BR112017011934B1 BR 112017011934 B1 BR112017011934 B1 BR 112017011934B1 BR 112017011934 A BR112017011934 A BR 112017011934A BR 112017011934 B1 BR112017011934 B1 BR 112017011934B1
Authority
BR
Brazil
Prior art keywords
heat exchanger
duct
confinement
vapor
water
Prior art date
Application number
BR112017011934-0A
Other languages
Portuguese (pt)
Other versions
BR112017011934A2 (en
Inventor
Vladimir Victorovich Bezlepkin
Igor Mihaylovich Ivkov
Sergey Borisovich Alekseev
Teymuraz Georgievich Vardanidze
Yuriy Yurievich Petrov
Aleksander Sergeevich Solodovnikov
Yuriy Vladimirovich Krylov
Sergey Evgen'evich Semashko
Original Assignee
Joint-Stock Company Scientific Research And Design Institute For Energy Technologies Atomproekt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2014148910/07A external-priority patent/RU2595639C2/en
Application filed by Joint-Stock Company Scientific Research And Design Institute For Energy Technologies Atomproekt filed Critical Joint-Stock Company Scientific Research And Design Institute For Energy Technologies Atomproekt
Publication of BR112017011934A2 publication Critical patent/BR112017011934A2/en
Publication of BR112017011934B1 publication Critical patent/BR112017011934B1/en

Links

Abstract

SISTEMA DE REMOÇÃO PASSIVA DE CALOR INTERNO DE CONFINAMENTO. A presente invenção refere-se, de modo geral, ao campo de energia nuclear e mais particularmente a sistemas de remoção passiva de calor interno de confinamento de reator de água pressurizada (C PHRS), e é projetado para resfriamento de confinamento de reator por circulação natural do líquido de resfriamento (água) no circuito de sistema. O resultado técnico da invenção é o aumento da eficiência de remoção de calor, estabilidade de fluxo no circuito e, consequentemente, a confiabilidade de operação de sistema. O sistema tem pelo menos um circuito de circulação de água de resfriamento que compreende um trocador de calor localizado no interior do confinamento e que inclui um cabeçote superior e um cabeçote inferior interconectados por tubos de troca de calor, um duto ascendente e um duto baixador conectados ao trocador de calor, um tanque de abastecimento de água de resfriamento localizado acima do trocador de calor no exterior do confinamento e conectados ao duto baixador, uma válvula de alívio de vapor conectada ao duto ascendente e localizada no tanque de abastecimento de água e conectada hidraulicamente ao último. O cabeçote superior e o cabeçote inferior do trocador de calor (...).PASSIVE INTERNAL HEAT REMOVAL SYSTEM FROM CONFINEMENT. The present invention relates generally to the field of nuclear energy and more particularly to pressurized water reactor confinement internal heat removal systems (CPHRS), and is designed for circulation reactor confinement cooling. of the cooling liquid (water) in the system circuit. The technical result of the invention is the increase in heat removal efficiency, flow stability in the circuit and, consequently, the reliability of system operation. The system has at least one cooling water circulation circuit comprising a heat exchanger located within the containment and including an upper head and a lower head interconnected by heat exchange tubes, an ascending duct and a lowering duct connected to the heat exchanger, a cooling water supply tank located above the heat exchanger outside the containment and connected to the down duct, a vapor relief valve connected to the up duct and located in the water supply tank and connected hydraulically to the last. The upper head and the lower head of the heat exchanger (...).

Description

RELATÓRIO DESCRITIVODESCRIPTIVE REPORT

[0001] A presente invenção refere-se, de modo geral, ao campo de energia nuclear e, mais particularmente, a sistemas de remoção passiva de calor interno de confinamento de reator de água pressurizada (C PHRS), e é projetado para resfriamento de confinamento de reator por circulação natural do líquido de resfriamento (água) no circuito de sistema.[0001] The present invention relates generally to the field of nuclear energy and, more particularly, to pressurized water reactor confinement internal heat removal systems (C PHRS), and is designed for cooling of Reactor confinement by natural circulation of the cooling liquid (water) in the system circuit.

[0002] De acordo com os antecedentes da invenção, há inúmeros projetos de sistemas de remoção de calor de confinamento de reator com base na circulação de calor sistemas de remoção.[0002] According to the background of the invention, there are numerous designs of reactor confinement heat removal systems based on circulating heat removal systems.

[0003] A Patente no R.U.S. RU2125744, G21C15/18 datada 27/1/1999 revela um sistema para remoção de calor passiva do volume interno de estrutura de confinamento de reator nuclear que inclui o primeiro trocador de calor localizado no exterior da estrutura de confinamento, o segundo trocador de calor no interior da estrutura de confinamento de reator. O primeiro trocador de calor e o segundo trocador de calor são conectados hidraulicamente em um circuito fechado por meio de canos com o refrigerante que passa através da estrutura de confinamento e do cano de escape acima aberto para a atmosfera. O sistema inclui também um tanque preenchido com água ao nível definido que é conectado à estrutura de confinamento e localizado próxima à parede superior da mesma. O primeiro trocador de calor é imerso na água no tanque e estendido verticalmente da placa-base que junta o fundo do tanque à seção superior que divide o tanque em dois volumes conectados hidraulicamente. O tanque é equipado com uma cobertura que conforma o primeiro canal e o segundo canal, sendo que um cobre a área correspondente da mesma formada pelo trocador de calor vertical, e é conectado à área correspondente apenas. Um dentre os canais é conectado à admissão de ar externo, o outro é conectado ao cano de escape, e a água no tanque bloqueia a conexão entre os canais quando o tanque é preenchido até o nível definido.[0003] The Patent in the R.U.S. RU2125744, G21C15/18 dated 27/1/1999 discloses a system for passive heat removal from the internal volume of a nuclear reactor confinement structure which includes the first heat exchanger located on the exterior of the confinement structure, the second heat exchanger on the inside the reactor confinement structure. The first heat exchanger and the second heat exchanger are hydraulically connected in a closed circuit via pipes with the refrigerant passing through the confining structure and the above exhaust pipe open to the atmosphere. The system also includes a tank filled with water at a defined level that is connected to the confinement structure and located close to its upper wall. The first heat exchanger is immersed in the water in the tank and extended vertically from the base plate joining the bottom of the tank to the upper section dividing the tank into two hydraulically connected volumes. The tank is equipped with a cover that forms the first channel and the second channel, one of which covers the corresponding area formed by the vertical heat exchanger, and is connected to the corresponding area only. One of the channels is connected to the external air intake, the other is connected to the exhaust pipe, and the water in the tank blocks the connection between the channels when the tank is filled to the set level.

[0004] A Patente no R.U.S. RU2302674, G21C9/00 data 10/7/2007 revela um confinamento sistema de remoção de calor que compreende um trocador de calor instalado sob o confinamento, sendo que a entrada e saída do mesmo passam através do confinamento e são conectadas ao circuito de circulação fechado do refrigerante com baixo ponto de ebulição, incluindo uma turbina com um gerador elétrico, uma unidade força com um gerador de vapor localizada abaixo do confinamento e sistemas de segurança de unidade de força, dentre os quais um tem uma unidade hidráulica e uma turbina de água de vapor. O trocador de calor é instalado sob o domo de confinamento e é projetado como dois tubos circulares empilhados conectados por meio dos tubos com barbatanas com formato em C, sendo que as extremidades dos tubos estão voltadas para a parede de confinamento e confinam a unidade hidráulica para garantir a segurança de unidade de força.[0004] The Patent in the R.U.S. RU2302674, G21C9/00 date 10/7/2007 discloses a containment heat removal system comprising a heat exchanger installed under the containment, the inlet and outlet thereof passing through the containment and being connected to the closed circulation circuit of low boiling point refrigerant, including a turbine with an electrical generator, a power unit with a steam generator located below the containment, and power unit safety systems, one of which has a hydraulic unit and a water turbine of steam. The heat exchanger is installed under the containment dome and is designed as two stacked circular tubes connected by C-shaped finned tubes, with the ends of the tubes facing the containment wall and confining the hydraulic unit to ensure the safety of power unit.

[0005] O análogo mais próximo da invenção reivindicada é o sistema PHRS revelado Patente de Modelo de Utilidade no R.U.S RU85029, G21C15/18 data 20/7/2009 e que compreende um circuito de circulação de refrigerante, incluindo pelo menos um trocador de calor localizado no interior do confinamento e um tanque com abastecimento de refrigerante instalado acima do trocador de calor no exterior do confinamento interconectados pela entrada e pelos dutos de saída. O sistema é equipado também com um receptor de vapor instalado no tanque de abastecimento de refrigerante e conectado hidraulicamente ao último e conectado ao duto de saída.[0005] The closest analogue of the claimed invention is the PHRS system disclosed in Utility Model Patent in the U.S. RU85029, G21C15/18 dated 20/7/2009 and comprising a refrigerant circulation circuit, including at least one heat exchanger located inside the confinement and a tank with refrigerant supply installed above the heat exchanger outside the confinement interconnected by the inlet and outlet ducts. The system is also equipped with a vapor receiver installed in the refrigerant supply tank and hydraulically connected to the latter and connected to the outlet duct.

[0006] A desvantagem dos ditos dispositivos é um martelo d'água potencial no sistema.[0006] The disadvantage of said devices is a potential water hammer in the system.

[0007] O propósito da invenção é fornecer um sistema para remoção de calor eficiente do confinamento de reator.[0007] The purpose of the invention is to provide a system for efficient heat removal from reactor confinement.

[0008] O resultado técnico da invenção é o aumento da eficiência de remoção de calor, estabilidade de fluxo no circuito e (sem martelo d'água), consequentemente, a confiabilidade de operação de sistema.[0008] The technical result of the invention is the increase in heat removal efficiency, flow stability in the circuit and (without water hammer), consequently, the reliability of system operation.

[0009] O dito resultado técnica é alcançado devido ao fato de que o sistema de remoção passiva de calor interno de confinamento de reator de água pressurizada com pelo menos um circuito de circulação de água de resfriamento compreende um trocador de calor localizado no interior do confinamento e que inclui um cabeçote superior e um cabeçote inferior interconectados por tubos de troca de calor, um duto ascendente e um a duto baixador conectados ao trocador de calor, um tanque de abastecimento de água de resfriamento localizado acima do trocador de calor no exterior do confinamento e conectado ao duto baixador, uma válvula de alívio de vapor conectada ao duto ascendente e localizada no tanque de abastecimento de água e conectada hidraulicamente ao último. O cabeçote superior e o cabeçote inferior do trocador de calor são divididos em seções de tubo de troca de calor sob a presunção de que:[0009] Said technical result is achieved due to the fact that the internal passive heat removal system of pressurized water reactor confinement with at least one cooling water circulation circuit comprises a heat exchanger located inside the confinement and which includes an upper head and a lower head interconnected by heat exchange tubes, a rising duct and a down duct connected to the heat exchanger, a cooling water supply tank located above the heat exchanger on the exterior of the containment and connected to the down duct, a vapor relief valve connected to the up duct and located in the water supply tank and hydraulically connected to the latter. The upper head and lower head of the heat exchanger are divided into heat exchange tube sections under the presumption that:

[0010] L/D ≤ 20,[0010] L/D ≤ 20,

[0011] em que L é o comprimento de seção de cabeçote,[0011] where L is the head section length,

[0012] D é o furo de cabeçote,[0012] D is the head hole,

[0013] o projeto de duto ascendente fornece a altura de seção ascendente mínima hrs para satisfazer o seguinte critério:[0013] the rising duct design provides the minimum rising section height hrs to satisfy the following criteria:

[0014] ΔPcres=Δprsghrs + Δphθghhe,[0014] ΔPcres=Δprsghrs + Δphθghhe,

[0015] hrs= (ΔPcres-Δpheghhe) Mp^g,[0015] hrs= (ΔPcres-Δpheghhe) Mp^g,

[0016] em que ΔPcres é a resistência hidráulica total de circuito,[0016] where ΔPcres is the total hydraulic resistance of the circuit,

[0017] hhe é a altura de trocador de calor,[0017] hhe is the heat exchanger height,

[0018] g é o fator de gravidade,[0018] g is the gravity factor,

[0019] ΔprS=pcw-(p'( 1-x)+p ” x), Δphe= pcw-phw,[0019] ΔprS=pcw-(p'( 1-x)+p ” x), Δphe= pcw-phw,

[0020] Em que pcw é a densidade de água de duto baixador,[0020] Where pcw is the lower duct water density,

[0021] phw é a densidade de água de duto ascendente dentro da faixa de altura de trocador de calor,[0021] phw is the rising duct water density within the heat exchanger height range,

[0022] p', p” são a densidade de água e de saturação de vapor,[0022] p', p” are the water and vapor saturation density,

[0023] x é a qualidade de vapor de massa média da mistura de duas fases na seção ascendente.[0023] x is the average mass vapor quality of the two-phase mixture in the rising section.

[0024] O resultado técnico acima é também alcançado em opções específicas da invenção devido ao fato de que:[0024] The above technical result is also achieved in specific options of the invention due to the fact that:

[0025] - o sistema inclui quatro canais, sendo que cada um compreende quatro circuitos de circulação de água de resfriamento,[0025] - the system includes four channels, each comprising four cooling water circulation circuits,

[0026] - pelo menos uma parte do duto ascendente dos cabeçotes superiores das seções de trocador de calor até a válvula de alívio de vapor tem uma inclinação para cima em um ângulo de pelo menos 10° em relação à linha horizontal,[0026] - at least a part of the rising duct from the upper heads of the heat exchanger sections to the vapor relief valve has an upward slope at an angle of at least 10° with respect to the horizontal line,

[0027] - o duto ascendente incluir seções com um ângulo de inclinação menor que 10° em relação à linha horizontal, sendo que o comprimento de tais seções é Lsec1 e o furo é Dsec1 e satisfazem o seguinte critério: Lseci/Dseci - 10,[0027] - the ascending duct includes sections with an angle of inclination less than 10° in relation to the horizontal line, with the length of such sections being Lsec1 and the hole being Dsec1 and satisfying the following criteria: Lseci/Dseci - 10,

[0028] - pelo menos uma parte do duto baixador tem uma inclinação para baixo em um ângulo de pelo menos 10° em relação à linha horizontal,[0028] - at least one part of the lowering duct has a downward slope at an angle of at least 10° with respect to the horizontal line,

[0029] - o duto baixador inclui seções com um ângulo de inclinação menor que 10° em relação à linha horizontal, sendo que o comprimento de tais seções é Lsec2 e o furo é Dsec2 e satisfazem o seguinte critério: Lsec2/Dsec2 < 10,[0029] - the lowering duct includes sections with an angle of inclination less than 10° in relation to the horizontal line, the length of such sections being Lsec2 and the hole being Dsec2 and satisfying the following criterion: Lsec2/Dsec2 < 10,

[0030] - a altura de tubo de troca de calor garante que o critério da convecção turbulenta na superfície exterior de trocador de calor seja satisfeito, a saber:[0030] - the height of the heat exchange tube ensures that the criterion of turbulent convection on the outer surface of the heat exchanger is satisfied, namely:

[0031] Ra>4 1012,[0031] Ra>4 1012,

[0032] em que [0032] in which

[0033] Ra é o critério de Rayleigh,[0033] Ra is the Rayleigh criterion,

[0034] g é o fator de gravidade,[0034] g is the gravity factor,

[0035] l é o tamanho de estrutura típica — altura de tubo de trocador de calor,[0035] l is the typical structure size — heat exchanger tube height,

[0036] v é o coeficiente de viscosidade cinemática vapor-ar,[0036] v is the vapor-air kinematic viscosity coefficient,

[0037] pw é a densidade de meio de vapor-ar na parede exterior da tubulação de trocador de calor,[0037] pw is the density of vapor-air medium in the outer wall of the heat exchanger piping,

[0038] pc é a densidade de meio de vapor-água no confinamento,[0038] pc is the density of vapor-water medium in confinement,

[0039] Scé o número de Schmidt,[0039] SC is the Schmidt number,

[0040] Ddif é o fator de difusão de vapor.[0040] Ddif is the vapor diffusion factor.

[0041] - o trocador de calor está localizado sob o domo de confinamento,[0041] - the heat exchanger is located under the confinement dome,

[0042] - a seção de trocador de calor tem um feixe vertical de fileira única,[0042] - the heat exchanger section has a single-row vertical beam,

[0043] - o espaçamento entre quaisquer tubos adjacentes na seção de trocador de calor satisfaz ao critério de parede de plano equivalente.[0043] - the spacing between any adjacent tubes in the heat exchanger section satisfies the equivalent plane wall criterion.

[0044] Para os propósitos do presente pedido, a seção ascendente significa a porção do duto ascendente em que o refrigerante é uma mistura de vapor-água (duas fases) com a qualidade de vapor de massa média x. Essa seção é denominada de “ascendente” uma vez que faz uma grande contribuição para o desenvolvimento da circulação natural no circuito e determina a intensidade do mesmo.[0044] For the purposes of the present application, the rising section means the portion of the rising duct in which the refrigerant is a vapor-water mixture (two phases) with the quality of vapor of medium mass x. This section is called “ascending” since it makes a great contribution to the development of natural circulation in the circuit and determines its intensity.

[0045] Os experimentos conduzidos mostram que as correlações de parâmetro de sistema acima fornecem a remoção de calor mais eficiente sem perturbação por taxa de fluxo de massa de refrigerante ou por martelamento por água devido à seleção da melhor geometria de sistema: a correlação entre o comprimento e o furo das seções de trocador de calor cabeçote, comprimento da seção ascendente de circuito de circulação, altura dos tubos de troca de calor e disposição otimizada dos trocadores de calor de sistema no confinamento.[0045] The experiments conducted show that the above system parameter correlations provide the most efficient heat removal without disturbance by coolant mass flow rate or water hammering due to the selection of the best system geometry: the correlation between the length and bore of the head heat exchanger sections, length of the circulating circuit rising section, height of the heat exchange tubes and optimized arrangement of the system heat exchangers in the containment.

[0046] A correlação do comprimento de seção e o furo do dos cabeçotes de trocador de calor é selecionada de modo a minimizar a não uniformidade de distribuição de fluxo refrigerante dentre os tubos de trocador de calor, isto é, reduzir o então chamado "efeito de cabeçote". A distribuição uniforme de fluxo na tubulação das condições principais para eficiência de energia e desempenho aprimorados de trocadores de calor. Um dentre os métodos usados para aprimorar a distribuição de refrigerante dentre os canais de trocador de calor de cabeçote é a redução de perda de pressão do fluxo de meio no cabeçote. Isso é alcançado reduzindo-se o comprimento de cabeçote e aumentando-se furo do mesmo dentro das capacidades de processo de fabricação de dispositivo e outros recursos de projeto. Para cabeçotes que satisfaz ao critério L/D < 20, a perda de pressão ao longo do comprimento de cabeçote é mínima, e a distribuição de fluxos de refrigerante dentre os tubos de trocador de calor é a mais uniforme. Quando o dito critério é excedido, a uniformidade da distribuição de meio dentre os canais de trocador de calor é degrada, o que resulta na instabilidade e perturbação por fluxo de massa de refrigerante e, subsequentemente, em emissão de calor reduzida do trocador de calor.[0046] The correlation of the section length and the bore of the heat exchanger heads is selected in order to minimize the non-uniformity of refrigerant flow distribution among the heat exchanger tubes, that is, to reduce the so-called "effect header". Uniform distribution of flow in piping is the key conditions for improved energy efficiency and performance of heat exchangers. One of the methods used to improve refrigerant distribution within the head heat exchanger channels is to reduce the pressure loss of the medium flow in the head. This is achieved by reducing the head length and increasing the head bore within the capabilities of the device manufacturing process and other design features. For heads that satisfy the L/D < 20 criterion, the pressure loss along the length of the head is minimal, and the distribution of refrigerant flows among the heat exchanger tubes is the most uniform. When said criterion is exceeded, the uniformity of media distribution among the heat exchanger channels is degraded, which results in instability and disturbance by refrigerant mass flow and, subsequently, in reduced heat emission from the heat exchanger.

[0047] O projeto da invenção é ilustrado pelos desenhos em que:[0047] The design of the invention is illustrated by the drawings in which:

[0048] A Figura 1 mostra o projeto de circuito de circulação de água de resfriamento,[0048] Figure 1 shows the cooling water circulation circuit design,

[0049] A Figura 2 mostra a dependência experimental da emissão de circuitos de resfriamento C PHRS na pressão do fluido de vapor-gás no tanque,[0049] Figure 2 shows the experimental dependence of the emission of C PHRS cooling circuits on the pressure of the vapor-gas fluid in the tank,

[0050] A Figura 3 mostra a dependência calculada de pressão e de temperatura no tempo no curso de um acidente.[0050] Figure 3 shows the calculated dependence of pressure and temperature on time over the course of an accident.

[0051] O sistema reivindicado é uma combinação de circuitos de circulação de água de resfriamento. Na modalidade preferencial da invenção, o sistema reivindicado consiste em quatro canais completamente independentes, sendo que cada um compreende quatro circuitos de circulação.[0051] The claimed system is a combination of cooling water circulation circuits. In the preferred embodiment of the invention, the claimed system consists of four completely independent channels, each comprising four circulation circuits.

[0052] O circuito de circulação (Figura 1) compreende um trocador de calor (1) localizado no interior do confinamento (sob o dome) e que inclui um cabeçote superior (2) e um cabeçote inferior (3) interconectado pelos tubos de troca de calor (4) que formam um feixe de troca de calor vertical de fileira única. Um duto ascendente (5) e um duto baixador (6) são conectados ao trocador de calor (1). Um tanque de abastecimento de água de resfriamento (tanque de remoção de calor emergencial (EHRT)) (7) conectados ao duto baixador (6) está localizado acima do trocador de calor no exterior do confinamento. Uma válvula de alívio de vapor (8) conectada ao duto ascendente (5) está localizada no tanque de abastecimento de água de resfriamento (7) e conectada ao mesmo hidraulicamente. A válvula de alívio de vapor (8) é projetada para a eliminação de martelo d'água induzido por condensado e nível aumentado de vibração no sistema duto ascendente (5). O cano ascendente da válvula de alívio de vapor (8) tem um orifício de conexão que possibilita que a mesma realize essas funções.[0052] The circulation circuit (Figure 1) comprises a heat exchanger (1) located inside the confinement (under the dome) and which includes an upper head (2) and a lower head (3) interconnected by exchange tubes heat exchangers (4) that form a single-row vertical heat exchange beam. An up duct (5) and a down duct (6) are connected to the heat exchanger (1). A cooling water supply tank (emergency heat removal tank (EHRT)) (7) connected to the downduct (6) is located above the heat exchanger on the exterior of the containment. A vapor relief valve (8) connected to the rising duct (5) is located in the cooling water supply tank (7) and connected thereto hydraulically. The vapor relief valve (8) is designed to eliminate condensate-induced water hammer and increased level of vibration in the rising duct system (5). The rising pipe of the steam relief valve (8) has a connection hole that allows it to perform these functions.

[0053] O cabeçote superior (2) e o cabeçote inferior do trocador de calor (3) são divididos em seções de tubo de troca de calor sob a presunção de que:[0053] The upper head (2) and the lower head of the heat exchanger (3) are divided into heat exchange tube sections under the presumption that:

[0054] L/D ≤ 20,[0054] L/D ≤ 20,

[0055] em que L é o comprimento de seção de cabeçote,[0055] where L is the head section length,

[0056] D é o furo de cabeçote,[0056] D is the head hole,

[0057] o projeto de duto ascendente fornece a altura de seção ascendente mínima hrs para satisfazer o seguinte critério:[0057] the rising duct design provides the minimum rising section height hrs to satisfy the following criteria:

[0058] ΔP res Δprsghrs + Δpheghhe,[0058] ΔP res Δprsghrs + Δpheghhe,

[0059] hrs= (ΔPcres-Δpheghhe) /Δprsg,[0059] hrs= (ΔPcres-Δpheghhe) /Δprsg,

[0060] em que ΔPcres é a resistência hidráulica total de circuito,[0060] where ΔPcres is the total hydraulic resistance of the circuit,

[0061] hhe é a altura de trocador de calor,[0061] hhe is the heat exchanger height,

[0062] g é o fator de gravidade,[0062] g is the gravity factor,

[0063] ∆ρrs=ρcw-(ρ´(1-x)+ρ”x),[0063] ∆ρrs=ρcw-(ρ´(1-x)+ρ”x),

[0064] ∆ρhe= ρcw-ρhw,[0064] ∆ρhe= ρcw-ρhw,

[0065] ρcw é a densidade de água de duto baixador,[0065] ρcw is the lower duct water density,

[0066] phw é a densidade de água de duto ascendente dentro da faixa de altura de trocador de ca lor,[0066] phw is the rising duct water density within the heat exchanger height range,

[0067] p , p” são a densidade de água e de saturação de vapor[0067] p, p” are the water and vapor saturation density

[0068]x é a qualidade de vapor de massa média da mistura de duas fases na seção ascendente.[0068]x is the average mass vapor quality of the two-phase mixture in the rising section.

[0069] A seção de trocador de calor tem um feixe vertical de fileira única. É preferencial que o espaçamento entre quaisquer tubos de seção adjacentes satisfaça ao critério de parede de plano equivalente.[0069] The heat exchanger section has a single-row vertical beam. It is preferred that the spacing between any adjacent section tubes meets the wall of equivalent plane criterion.

[0070] Na modalidade preferencial da invenção, a altura de tubo de troca de calor garante que o critério da convecção turbulenta na superfície exterior de trocador de calor é satisfeito, a saber:[0070] In the preferred embodiment of the invention, the height of the heat exchange tube ensures that the criterion of turbulent convection on the outer surface of the heat exchanger is satisfied, namely:

[0071] Ra>4 -1012,[0071] Ra>4 -1012,

[0072] em que [0072] in which

[0073] Ra é o critério de Rayleigh,[0073] Ra is the Rayleigh criterion,

[0074] g é o fator de gravidade,[0074] g is the gravity factor,

[0075] l é o tamanho de estrutura típica — altura de tubo de trocador de calor,[0075] l is the typical structure size — heat exchanger tube height,

[0076] v é o coeficiente de viscosidade cinemática vapor-ar,[0076] v is the vapor-air kinematic viscosity coefficient,

[0077] pw é a densidade de meio de vapor-ar na parede exterior da tubulação de trocador de calor,[0077] pw is the density of vapor-air medium in the outer wall of the heat exchanger piping,

[0078] pc é a densidade de meio de vapor-água no confinamento, v[0078] pc is the density of the vapor-water medium in confinement, v

[0079] Sc é o número de Schmidt,[0079] SC is the Schmidt number,

[0080] Ddif é o fator de difusão de vapor.[0080] Ddif is the vapor diffusion factor.

[0081] O duto ascendente dos cabeçotes superiores de seção de trocador de calor até a válvula de alívio de vapor tem uma inclinação para cima para o ângulo de pelo menos 10° em relação à linha horizontal, exceto para determinadas seções com uma inclinação menor que 10°, que tem o comprimento Lsec1 e o furo Dsec1, o que satisfaz ao seguinte critério: Lsec1/Dsec1≤10.[0081] The rising duct from the heat exchanger section upper heads to the vapor relief valve has an upward slope to the angle of at least 10° with respect to the horizontal line, except for certain sections with a slope less than 10°, which has the length Lsec1 and the hole Dsec1, which satisfies the following criterion: Lsec1/Dsec1≤10.

[0082] O duto baixador tem uma inclinação para baixo até o ângulo de pelo menos 10° em relação à linha horizontal, com exceção de determinadas seções com uma inclinação menor que 10°, comprimento Lsec2 e furo Dsec2, o que satisfaz o seguinte critério: Lsec2/Dsec2 ≤ 10.[0082] The lowering duct has an inclination downwards to an angle of at least 10° with respect to the horizontal line, with the exception of certain sections with an inclination of less than 10°, length Lsec2 and hole Dsec2, which satisfies the following criterion : Lsec2/Dsec2 ≤ 10.

[0083] Na modalidade específica da invenção para a usina de reator Leningrad-2 NPP, os trocadores de calor (1) dos circuitos são localizados ao longo do perímetro na parede interna de confinamento acima da elevação de 49,3 m. Cada trocador de calor tem uma área de troca de calor de 75 m2. A altura de feixe de troca de calor é 5 m e é formada por tubos verticais 38x3 mm. A área de troca de calor total de cada canal equivale a 300 m2. O comprimento (L) das seções superior e inferior dos cabeçotes de trocador de calor é igual a 2,755 mm. O diâmetro externo/interno (D) do cabeçote superior é 219/195 mm, o um dentre os cabeçotes inferiores é 194/174 mm.[0083] In the specific embodiment of the invention for the Leningrad-2 NPP reactor plant, the heat exchangers (1) of the circuits are located along the perimeter on the inner confining wall above the elevation of 49.3 m. Each heat exchanger has a heat exchange area of 75 m2. The heat exchange beam height is 5 m and is formed by 38x3 mm vertical tubes. The total heat exchange area of each channel is equivalent to 300 m2. The length (L) of the upper and lower sections of the heat exchanger heads is equal to 2.755 mm. The outer/inner diameter (D) of the upper head is 219/195 mm, the one among the lower heads is 194/174 mm.

[0084] A emissão de calor de sistema é selecionada de modo a reduzir e manter a pressão no confinamento na pressão interna dentro dos limites de projeto durante acidentes com base além de projeto de reatores, incluindo os que envolvem graves danos ao núcleo.[0084] System heat emission is selected to reduce and maintain confinement pressure at internal pressure within design limits during accidents based on reactor design, including those involving serious damage to the core.

[0085] As válvulas isolamento (9) e (10) projetadas para isolamento do trocador de calor (1) caso ocorra vazamento do mesmo são montadas no duto ascendente (5) e no duto baixador (6). A fim de impedir pressurização excessiva dos circuitos de C PHRS no caso de um fechamento emergencial das válvulas isolamento, as válvulas de segurança (não mostradas) são instaladas para descarregar fluxo de fluido abaixo do nível de tanque (7).[0085] The isolation valves (9) and (10) designed to isolate the heat exchanger (1) in the event of a leak, are mounted on the rising duct (5) and the lowering duct (6). In order to prevent excessive pressurization of the C PHRS circuits in the event of an emergency closure of the isolation valves, safety valves (not shown) are installed to discharge fluid flow below the tank level (7).

[0086] As válvulas de isolamento e de segurança são localizadas nos compartimentos anulares de envelope de construção de reator na elevação +54,45 m.[0086] Isolation and safety valves are located in the annular reactor building envelope compartments at elevation +54.45 m.

[0087] A operação do sistema reivindicado se baseia na circulação natural de refrigerante e não exige ações de partida. A energia de calor é removida do confinamento por condensação de vapor da mistura de vaporar na superfície externa do trocador de calor (1) de onde é transferida ao tanque de abastecimento de água (7) por meio de circulação natural. O calor é removido, por fim, do tanque de abastecimento de água até o dissipador final de calor pela evaporação da água no tanque. O tanque de abastecimento de água de resfriamento (7) é abastecido com refrigerante da válvula de alívio de vapor (8), seguido pelo retorno de refrigerante (água) resfriado ao trocador de calor (1) através do duto baixador (6). Desse modo, a energia de calor é transferida do volume interno de confinamento ao dissipador de calor final, o ambiente, por meio de evaporação da água no tanque (7) com o uso do circuito de circulação.[0087] The operation of the claimed system is based on natural refrigerant circulation and does not require starting actions. Heat energy is removed from confinement by condensation of vapor from the vapor mixture on the outer surface of the heat exchanger (1) from where it is transferred to the water supply tank (7) through natural circulation. Heat is ultimately removed from the water supply tank to the final heat sink by evaporation of the water in the tank. The cooling water supply tank (7) is supplied with refrigerant from the vapor relief valve (8), followed by the return of cooled refrigerant (water) to the heat exchanger (1) through the step-down duct (6). In this way, heat energy is transferred from the internal confinement volume to the final heat sink, the environment, through evaporation of the water in the tank (7) using the circulation circuit.

[0088] Para justificação experimental da eficiência de projeto de sistema proposto, uma quantidade significativa de trabalho experimental foi realizada em diversas configurações.[0088] For experimental justification of the proposed system design efficiency, a significant amount of experimental work was carried out in various configurations.

[0089] A pesquisa foi realizada em um modelo de escala completa do circuito de resfriamento de C PHRS instalado no estante de teste JSC “Afrikantov OKBM”. O modelo de circuito de C PHRS incluiu um modelo de condensador-trocador de calor, dutos operacionais localizados no tanque de modelo de confinamento, e uma válvula de alívio de vapor operacional localizada no tanque de abastecimento de água.[0089] The research was carried out on a full-scale model of the C PHRS cooling circuit installed on the JSC “Afrikantov OKBM” test stand. The PHRS model C circuit included a model condenser-heat exchanger, operating ducts located in the confinement model tank, and an operating vapor relief valve located in the water supply tank.

[0090] A capacidade de remoção de calor do circuito de resfriamento testado e os parâmetros do meio de vapor-gás no tanque são aproximados às condições de acidente de reator real do sistema operacional até o ponto máximo. Portanto, com a geometria e os parâmetros do circuito de resfriamento de C PHRS comparáveis praticamente ao projeto de circuito de resfriamento em escala completa, os resultados de pesquisa obtidos para o modelo de circuito de resfriamento de C PHRS são representativos e podem ser aplicados ao circuito de resfriamento de C PHRS operacional.[0090] The heat removal capacity of the tested cooling circuit and the parameters of the vapor-gas medium in the tank are approximated to the actual reactor accident conditions of the operating system to the maximum point. Therefore, with the geometry and parameters of the C PHRS cooling circuit practically comparable to the full-scale cooling circuit design, the research results obtained for the C PHRS cooling circuit model are representative and can be applied to the circuit C PHRS cooling system operational.

[0091] Os testes realizados no ciclo de circuito de resfriamento de C PHRS em escala completa mostram que na temperatura máxima de água de resfriamento de 100 °C no tanque de água de resfriamento e na capacidade de projeto especificada por ciclo de circuito de resfriamento, a pressão no tanque não irá exceder a pressão de limite de projeto de 500 kPa.[0091] Tests performed on the full-scale C PHRS cooling loop cycle show that at the maximum cooling water temperature of 100°C in the cooling water tank and the specified design capacity per cooling loop cycle, the pressure in the tank will not exceed the design limit pressure of 500 kPa.

[0092] A Figura 2 mostra a dependência experimental da emissão de circuitos de resfriamento C PHRS na pressão do fluido de vapor-gás no tanque.[0092] Figure 2 shows the experimental dependence of the emission of C PHRS cooling circuits on the pressure of the vapor-gas fluid in the tank.

[0093] A Figura 3 mostra como o funcionamento do C PHRS influencia os parâmetros no interior do confinamento no caso de um acidente com base além do projeto que envolve despressurização do circuito primário de usina de reator (pico alto) e falha de sistema de segurança (linha I mostra os parâmetros sem operação de PHRS, e a linha II mostra parâmetros com operação de PHRS).[0093] Figure 3 shows how the operation of the C PHRS influences the parameters inside the confinement in the event of an accident based on the project that involves depressurization of the reactor plant primary circuit (high peak) and safety system failure (line I shows parameters without PHRS operation, and line II shows parameters with PHRS operation).

[0094] Os testes modelo de circuito de resfriamento de C PHRS realizados mostram que os parâmetros de projeto de circuito são satisfeitos em termos tanto de eficiência de remoção de calor quanto de estabilidade de fluxo de circuito. Dentro de toda a faixa de operação de circuito de resfriamento (operação de potência do estado inicial à ebulição da água), não foram observados martelamento por água no tanque ou vibração dos elementos e estruturas do circuito testado que pudessem afetar a operabilidade do mesmo.[0094] The C PHRS cooling circuit model tests performed show that the circuit design parameters are satisfied in terms of both heat removal efficiency and circuit flow stability. Within the entire cooling circuit operating range (power operation from the initial state to water boiling), no hammering by water in the tank or vibration of the elements and structures of the tested circuit that could affect its operability were observed.

[0095] Portanto, o sistema reivindicado permite manter a pressão sob o confinamento abaixo do nível do projeto sem intervenção do operador por um longo período de tempo e dentro de toda a faixa de acidentes com base além do projeto que envolvem liberação de massa e energia sob o confinamento.[0095] Therefore, the claimed system allows maintaining pressure under confinement below the design level without operator intervention for a long period of time and within the entire range of beyond-design based accidents involving mass and energy release. under confinement.

Claims (9)

1. Sistema de remoção passiva de calor interno de confinamento de reator de água pressurizada com pelo menos um circuito de circulação de água de resfriamento compreendendo: - um trocador de calor (1) localizado no interior do confinamento e que compreende um cabeçote superior (2) e um cabeçote inferior (3) interconectados por tubos de troca de calor (4), - um duto ascendente (5) e um duto descendente (6) conectados ao trocador de calor (1), - um tanque de abastecimento de água de resfriamento (7) localizado acima do trocador de calor (1) no exterior do confinamento e conectado ao duto descendente (6), - uma válvula de alívio de vapor (8) conectada ao duto ascendente (5), localizada no tanque de abastecimento de água (7) e conectada hidraulicamente ao mesmo, caracterizado por os cabeçotes superior (2) e inferior (3) serem divididos em seções de tubo de troca de calor (4) sobre a presunção de que: L/D ≤ 20, em que L é o comprimento de seção de cabeçote (2, 3), D é o diametro interno do cabeçote (2, 3), o projeto de duto ascendente (5) fornece a altura de seção ascendente mínima hrs para satisfazer o seguinte critério: ΔP cres =Δprsgh rs +Δpheghhe, hrs=(ΔPcres — Δpheghhe) /Δprsg, em que ΔPcres é a resistência hidráulica total do circuito, hhe é a altura de trocador de calor, g é o fator de aceleração da gravidade, Δprs=pcw- (p'(1-x)+p ” x), Δphe= pcw—phw, pcw é a densidade de água de duto descendente (6), phw é a densidade de água de duto ascendente (5) dentro da faixa de altura de trocador de calor (1), p ', p” são a densidade de água e de saturação de vapor, x é a qualidade de vapor de massa média da mistura de duas fases na seção ascendente, e os tubos de troca de calor (4) terem altura que permite satisfazer aos critérios de convecção turbulenta na superfície exterior de trocador de calor (1), quando: Ra >4-1012, em Ra é o número de Rayleigh, g é o fator de aceleração da gravidade, l é o tamanho de estrutura típica — altura do tubos (4) de trocador de calor (1), v é a viscosidade cinemática do meio vapor-ar, pw é a densidade do meio vapor-ar na parede externa da tubulação de trocador de calor (1), pcont é a densidade do meio de vapor-água no confinamento, v Sc = é o número de Schmidt, Ddif é o fator de difusão de vapor.1. Internal passive heat removal system of pressurized water reactor confinement with at least one cooling water circulation circuit comprising: - a heat exchanger (1) located inside the confinement and comprising an upper head (2 ) and a lower head (3) interconnected by heat exchange tubes (4), - an ascending duct (5) and a descending duct (6) connected to the heat exchanger (1), - a water supply tank cooling unit (7) located above the heat exchanger (1) outside the containment and connected to the descending duct (6), - a vapor relief valve (8) connected to the ascending duct (5), located in the steam supply tank water (7) and hydraulically connected to it, characterized in that the upper (2) and lower heads (3) are divided into heat exchange tube sections (4) under the presumption that: L/D ≤ 20, in which L is the head section length (2, 3), D is the head internal diameter (2, 3), the rising duct design (5) provides the minimum rising section height hrs to satisfy the following criteria: ΔP cres =Δprsgh rs +Δpheghhe, hrs=(ΔPcres — Δpheghhe) /Δprsg, where ΔPcres is the total hydraulic resistance of the circuit, hhe is the heat exchanger height, g is the gravity acceleration factor, Δprs=pcw- (p'(1-x)+p ” x), Δphe= pcw—phw, pcw is the down duct water density (6), phw is the up duct water density (5) within the height range of heat exchanger (1), p', p” are the water density and vapor saturation, x is the average mass vapor quality of the two-phase mixture in the rising section, and the heat exchange tubes ( 4) have a height that allows satisfying the turbulent convection criteria on the outer surface of the heat exchanger (1), when: Ra >4-1012, in Ra is the Rayleigh number, g is the gravity acceleration factor, l is the typical structure size — height of heat exchanger tubes (4) (1), v is the kinematic viscosity of the vapor-air medium, pw is the density of the vapor-air medium in the outer wall of the heat exchanger piping (1), pcont is the density of the vapor-water medium in the confinement, v Sc = is the Schmidt number, Ddif is the vapor diffusion factor. 2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender quatro canais, sendo que cada canal tem quatro circuitos de circulação de água de resfriamento.2. System, according to claim 1, characterized by comprising four channels, each channel having four cooling water circulation circuits. 3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por pelo menos uma parte do duto ascendente (5) dos cabeçotes superiores (2) das seções de trocador de calor (1) para o dispositivo de descarga de vapor (8) ser inclinado para cima em um ângulo de pelo menos 10° em relação à linha horizontal.3. System according to claim 1, characterized in that at least a part of the rising duct (5) of the upper heads (2) of the heat exchanger sections (1) for the steam discharge device (8) is inclined upwards at an angle of at least 10° to the horizontal line. 4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o duto ascendente (5) compreender porções feitas com inclinação inferior a 10° em relação à linha horizontal, enquanto que as referidas porções têm comprimento Lsec1 e diâmetro é Dsec1 que satisfazem a relação Lsecl/Dsecl ≤ 10.4. System, according to claim 3, characterized in that the ascending duct (5) comprises portions made with an inclination of less than 10° in relation to the horizontal line, while said portions have length Lsec1 and diameter is Dsec1 that satisfy the relation Lsecl/Dsecl ≤ 10. 5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por pelo menos uma parte do duto descendente (6) ter uma inclinação para baixo em pelo menos 10° em relação à linha horizontal.5. System, according to claim 1, characterized in that at least a part of the descending duct (6) has a downward inclination of at least 10° in relation to the horizontal line. 6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o duto descendente (6) incluir porções feitas com inclinação inferior a 10° em relação à linha horizontal, enquanto que as referidas porções têm comprimento Lsec2 e diâmetro Dsec2 que satisfazem à relação Lsec2/Dsec2 ≤ 10.6. System, according to claim 5, characterized in that the descending duct (6) includes portions made with an inclination of less than 10° in relation to the horizontal line, while said portions have a length Lsec2 and diameter Dsec2 that satisfy the relation Lsec2 /Dsec2 ≤ 10. 7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o trocador de calor (1) estar localizado sob a cúpula de confinamento.7. System, according to claim 1, characterized in that the heat exchanger (1) is located under the confinement dome. 8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a seção de trocador de calor (1) ter um feixe vertical de fileira única.8. System according to claim 1, characterized in that the heat exchanger section (1) has a single-row vertical beam. 9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o espaçamento entre quaisquer tubos adjacentes (4) na seção de trocador de calor (1) satisfazer ao critério de parede de plano equivalente.9. System according to claim 1, characterized in that the spacing between any adjacent tubes (4) in the heat exchanger section (1) meets the equivalent plane wall criterion.
BR112017011934-0A 2014-12-04 2015-11-16 PASSIVE INTERNAL HEAT REMOVAL SYSTEM FROM CONFINEMENT BR112017011934B1 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014148910/07A RU2595639C2 (en) 2014-12-04 2014-12-04 System for passive heat removal from internal volume of protective shell
RU2014148910 2014-12-04
PCT/RU2015/000784 WO2016089250A1 (en) 2014-12-04 2015-11-16 System for passively removing heat from inside a containment shell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
BR112017011934A2 BR112017011934A2 (en) 2017-12-26
BR112017011934B1 true BR112017011934B1 (en) 2023-08-29

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10720250B2 (en) Containment internal passive heat removal system
KR100906717B1 (en) Air/Water hybrid passive reactor cavity cooling apparatus and method for core decay heat removal of a High Temperature Gas-Cooled Reactor
US20140374068A1 (en) Method and apparatus for dissipating heat from a liquid-immersed transformer
JP2009150860A (en) Passive safety grade residual heat removal system of eliminated sodium solidification possibility in intermediate sodium loop for removing remaining heat in sodium cooled fast reactor
KR101743910B1 (en) Passive reactor cooling system
JP6487290B2 (en) Condenser and cooling system and method of operation
JP5463196B2 (en) Nuclear power plant with reactor containment cooling equipment
KR101646731B1 (en) experiment apparatus for design of a condensation heat exchanger with vertical tube bundles
JP2015502531A (en) Pressurized water reactor with an upper plenum including a cross-flow blocking weir
KR20150014508A (en) Passive reactor containment protection system
BR112017011924B1 (en) System for passive heat removal from the pressurized water reactor through the steam generator
Sun et al. Conceptual design and analysis of a passive residual heat removal system for a 10 MW molten salt reactor experiment
KR101557317B1 (en) Condensation Heat Transfer test equipment
KR101456170B1 (en) Passive containment air cooling device and system with isolated pressure boundary
US11482345B2 (en) Methods of constructing nuclear power plants with geothermal passive cooling
CN104867526A (en) Passive containment cooling system provided with heat pipe liquid guide devices
KR101498587B1 (en) Passive cooling device of reactor cavity
BR112017011934B1 (en) PASSIVE INTERNAL HEAT REMOVAL SYSTEM FROM CONFINEMENT
Jeon et al. Thermal-hydraulic evaluation of passive containment cooling system of improved APR+ during LOCAs
KR20150045491A (en) Component cooling water system for nuclear power plant
CN109712726B (en) Ocean nuclear power platform reactor waste heat discharge system
JP2016003961A (en) Nuclear power plant cooling system and nuclear power plant cooling method
US11387008B2 (en) Passive containment cooling system for boiling water reactor and method of installation
KR100568762B1 (en) Direct vessel injection nozzle for minimum ECC bypass
Kumar et al. Scaling philosophy and system description of AHWR thermal-hydraulic test facility (ATTF)