CN101720488B - 在应急系统的闭合回路中使用纳米颗粒的核电设备及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了具有改进的冷却系统的核电设备，所述冷却系统使用固体或流体形式的纳米颗粒以改进热传导并减少腐蚀。将纳米颗粒输送到闭合的冷却回路，例如CCWS(300)。本申请还公开了供给纳米颗粒的方法。

Description

在应急系统的闭合回路中使用纳米颗粒的核电设备及相关方法
背景技术
本发明总体涉及核电设备，更特别是这种电力设备的应急系统。
核电设备一般具有核反应堆和可以从反应堆带走热量并发电的反应堆冷却剂系统(RCS)。最常见的两种反应堆类型：沸水反应堆(BWR)和压水反应堆(PWR)都是基于水的。在PWR中，来自反应堆的热水被送至具有二次冷却剂流的发电机，所述二次冷却剂流使冷却剂沸腾从而驱动涡轮机。在BWR中，发电机具有直接靠反应堆冷却剂驱动的涡轮机。在发电机下游、反应堆上游的RCS部分一般被称为冷段，而反应堆下游、发电机上游部分一般被称为热段。
如果RCS中发生故障，在一般被称为冷却剂丧失事故(LOCA)的故障中，核堆芯(nuclear core)未正常冷却，反应堆内的温度开始升高。堆芯中燃料元件的温度升高，如果不检查，可能造成融化并可能使反应堆中出现空泡，同时释放熔融物进入安全壳(containment)建筑物中。PWR和BWRS的LOCA事故都可能包括主蒸汽管道断裂(MSLB)。
在LOCA期间，安全壳内的压力和温度的标准演变包括在5-18小时内压力增加到几巴，最高温度在150℃左右，在几天内降到大气压和常温。核电设备设计能够以相当的安全裕度承受这样的转变。冷却过程基于水和空气在那些温度下的物理性质。
在PWR的LOCA期间，应急堆芯冷却系统(ECCS)可被激活，以提供额外的水到RCS用于冷却反应堆。因而，ECCS一般包括高压泵，例如出口到RCS的离心式上充泵/高压注射泵(CCP/HPIP泵)。这可以将水从换料用水贮存箱(RWST)(例如安全壳内RWST(IRWST)或者安全壳地坑)泵入到RCS的冷段。通过热交换器从RCS冷段接收水的容控箱，也可以向CCP/HPIP泵供水。类似的ECCS一般存在于BWR中，其中存在很多备用水，一旦LOCA事故发生，将主动或被动地通过堆芯。
ECCS一般还具有低压泵，如余热排出或安全注射系统泵(RHR/SIS泵)，可以将水从RWST或安全壳地坑供给到PWR或BWR的反应堆容器，以及将水供应至安全壳喷淋系统。在RHR/SIS泵之后一般设置热交换器，来自反应堆的热水通过该热交换器，将热量传递到安全注射闭合冷却水系统(CCWS)。CCWS将ECCS收集的热量传递到最终热阱(ultimate heat sink)，例如河流、冷却塔、或者在LOCA后或MSLB后长期冷却条件下传递到海洋。
题为“In-Vessel Retention Enhancement through the Use of Nanofluids”的文章中，描述了在事故情形下使用纳米流体增强压力容器内滞留。概念中的纳米流体注射系统包括两个小的浓缩纳米流体箱，每个箱能够提供足够的纳米流体，以提供如计算模型所预计的增强作用。人们认为在手动启动连接至注射管线的阀门时发生注射。要求在严重事故程序中放置开动这些阀门的指示。据称注射由重力或者与所述箱相连的贮气箱(accumulator)提供的超压驱动。注射管线是这样的：它们可终止于反应堆腔、再循环管线或者IRWST中，这取决于安全壳内的物理空间限制。
美国专利6724854描述了将催化的纳米颗粒用于高温水系统以减少压力腐蚀破裂。
发明内容
本发明的目的之一是在事故情况下以有效的方式增加来自核反应堆的热传导，并排空安全壳建筑物中的热量。
本发明公开了核电设备，其包括反应堆、反应堆冷却剂系统和独立于反应堆冷却剂系统的闭合冷却回路，所述闭合冷却回路包括在闭合冷却回路的冷却剂中的纳米颗粒或者包括纳米颗粒供应器入口(nanoparticle supplyinlet)。
本发明还公开了一种方法，其用于提高核电设备事故热量排出能力，所述方法包括：
向独立于主反应堆冷却剂的闭合冷却回路提供纳米颗粒或者可输送纳米颗粒的纳米颗粒供应器(nanoparticle supply)。
本发明还公开了一种方法，其用于改善核电设备的水相闭合冷却系统的腐蚀，所述方法包括：
向独立于主反应堆冷却剂的闭合冷却回路提供纳米颗粒或者能输送纳米颗粒的纳米颗粒供应器。
附图说明
下面参照附图描述本发明的一个优选实施方案，附图中：
图1示意性地显示了根据本发明的具有应急冷却系统的PWR核电设备；
图2更加详细地显示了图1中CCWS的细节。
具体实施方式
图1显示了PWR核电设备，其具有反应堆10、反应堆冷却剂系统20和发电机30。在所示PWR实施方案中，发电机30包括二次冷却剂流和涡轮机。反应堆冷却剂系统20包括介于发电机30和反应堆10之间的冷段22，以及反应堆10和发电机30之间的热段24，以及冷段22上的冷却剂泵26。所示PWR实施方案的反应堆冷却剂系统20还可以包含一个或多个加压器70。在BWR实施方案中，一般不存在加压器70，发电机30包括没有二次冷却剂流的涡轮机，并且RCS 20包括冷凝器。
在正常运行时RCS 20使水循环，在优选实施方案中，正常运行时不特意向RCS中加入纳米颗粒，因为这样会导致发电机和其他组件的问题。
所述核电设备还包括应急堆芯冷却系统，其整体表示为50，包括一个或多个贮气箱或堆芯溢流箱(core flooding tank)60、换料用水贮存箱80、安全壳地坑90、高压泵100和低压泵110。
RWST 80通过管线120连接至泵100，所述泵100可以是离心式上充泵/高压注射泵。泵100还可连接至容控箱124，所述容控箱可通过下泄热交换器126从冷段22接收水。在LOCA事故期间，泵100可从RWST 80或安全壳地坑90将水供给至RCS 20。因此，在严重事故期间(例如在RWST80空掉后)，安全壳地坑90提供收集在安全壳中的水。
低压泵110从RWST 80或安全壳地坑90将水提供至热交换器112以及热段24、冷段22和安全壳喷淋系统，所述低压泵可以是余热排出/安全注射系统泵。CCWS 300使冷却剂(例如水)在热交换器112和热交换器140间通过，CCWS 300可连接至重要厂用水系统(essential service watersystem)，例如河流、冷却箱或海洋。
本实施方案提供了纳米颗粒供应器200，其向CCWS 300中提供浓缩纳米流体或纳米颗粒。这样的应用例如在LOCA事故后以及正常运行期间增大了CCWS 300中的冷却能力。纳米颗粒还可用于减轻腐蚀。
图2更详细地显示了可用在PWR或BWR中的CCWS 300以及纳米颗粒供应器200。称为注入阀的马达启动阀202具有进入管线142的出口。泵130可使冷却剂在CCWS回路中循环，所述CCWS回路包括位于热交换器112和140间的管线142和第二管线144。
浓缩形式的纳米流体由一个或一系列箱提供，并通过阀202的入口到达管线142。
马达驱动阀202可通过纳米颗粒供应器入口203将浓缩纳米流体释放至CCWS回路中的较大的流体容积中。在一个实施方案中，稀释的纳米流体可在所述回路中长期停留。纳米流体的性质和稳定性可根据厂应急系统测试程序进行检查，如果必要的话，可根据需要启动马达阀202以使箱中有较高浓度的浓缩纳米流体或纳米颗粒，从而在CCWS回路中维持所需的浓度。注入源可向所述箱或CCWS 300供水，例如为了在所述回路中纳米颗粒浓度变得过大时增加水的浓度。这种作用可首先伴随着通过CCWS中的排水阀排放掉一些水/纳米颗粒溶液。
在另一实施方案中，源纳米材料可保留在所述箱中，并只在事故情况发生后才通过纳米颗粒供应器入口203应用到CCWS 300的水中。
纳米流体材料箱可包括多个箱，这些箱的总容积及操纵性根据闭合回路的容积和特性得到。这些箱可以是注射纳米粉末至出口的干纳米粉末仓或者注射液体至出口的浓缩纳米流体箱的组合。浓缩纳米流体箱可具有供给与排放系统，该系统使得可以将纳米流体或纳米材料以给定间隔添加到箱中，从而保持纳米流体悬浮液的质量。传感器68可感应纳米颗粒的水平，而控制器310可启动排出阀和注入阀(或任何其他阀)，以提供供应器200中所需的浓度。如果已知供应器200中所需浓度和CCSW 300中流体体积，则可以控制CCSW 300中纳米颗粒的浓度。代替传感器，操作员可输入测定的纳米颗粒浓度和所需浓度，控制器可基于箱内已知的容量数值来校正浓度。此外，箱内的纳米流体的整体质量可人工维护。贯穿整个事故事件(比如严重事故)过程以及正常运行期间，控制器(例如从控制室)可用于控制阀门及纳米颗粒的输送。
如果在正常运行期间浓缩纳米流体不在CCWS 300内，事故情况发生后将开始向CCWS 300注射。
在由具有气压的长颈瓶提供的惰性气流的帮助下，纳米颗粒供应器200可以提供待注射的固体纳米粉末，而不是纳米流体。在流体束中含有颗粒的气体被排放至CCWS 300中。
所述纳米颗粒具有亚微米级尺寸，优选为10至300nm的尺寸。所述纳米颗粒优选在考虑辐射场、温度和压力的严重事故情况下是非研磨性的、非反应性的和稳定的。所述纳米材料可包括但不限于ZrO2、C(金刚石)、Al2O3、SiO2、Fe3O4、Cu和CuO。
纳米颗粒的输送可设计成保持CCWS回路冷却剂中单位体积低于.5％的浓度。设定点浓度可通过进行定期检测获得，或者通过上述传感器和控制器获得。例如CCWS水的浓度可保持在约.001％(或在释放前注入以获得此浓度)。结果，可显著提高CCWS 300的热传递性能。与在高温下输送的纳米颗粒相反，与高温下传输的纳米颗粒相比，通过提供更均匀的涂层，本发明的纳米颗粒可以是稳定的、非催化性的和耐腐蚀的。输送温度有利地可低于100℃。
本发明的闭合冷却回路可以包括闭合冷却回路的冷却剂中的纳米颗粒。这可以在例如闭合冷却回路建造时或之后通过加入纳米颗粒来实现。可选地或附加地，所述闭合冷却回路可具有纳米颗粒供应器入口。如果存在这样的纳米颗粒供应器入口，那么在正常运行期间可以向所述闭合冷却回路供给纳米颗粒，比如为了保持需要的浓度，或仅在应急情况期间当需要时供给。

Claims (16)

1.核电设备，其包括：
反应堆；
反应堆冷却剂系统，其从所述反应堆带走热量；
包括具有纳米颗粒的冷却剂的闭合冷却回路，所述闭合冷却回路通过热交换器冷却所述反应堆冷却剂系统，和
泵，所述泵将水供给至所述热交换器和所述反应堆冷却剂系统。
2.权利要求1所述的核电设备，其还包括应急冷却系统，所述闭合冷却回路是所述应急冷却系统的一部分。
3.权利要求1所述的核电设备，其中所述闭合冷却回路是闭合冷却水系统。
4.权利要求2所述的核电设备，其中所述闭合冷却回路具有至少两个热交换器，一个在所述闭合冷却回路的热侧，一个在所述闭合回路的冷侧；以及与所述热交换器相连的泵。
5.权利要求4所述的核电设备，其还包括重要厂用水系统，所述热交换器能够将热量从所述闭合冷却系统传递至所述重要厂用水系统。
6.权利要求1所述的核电设备，其还包括纳米颗粒供应器入口与所述纳米颗粒供应器入口相连的纳米颗粒供应器。
7.权利要求6所述的核电设备，其还包括控制所述纳米颗粒供应器的控制器，以在所述闭合冷却回路的冷却剂中提供设定点浓度的纳米颗粒。
8.提高核电设备事故热量排出能力的方法，其包括：
向独立于反应堆冷却剂系统中的主反应堆冷却剂的闭合冷却回路提供纳米颗粒，或可输送纳米颗粒的纳米颗粒供应器；和
通过泵将水供给至所述闭合冷却回路中的热交换器和所述反应堆冷却剂系统。
9.权利要求8所述的方法，其还包括监测所述闭合冷却回路中的纳米颗粒浓度。
10.改进核电设备的水相闭合冷却系统的腐蚀的方法，其包括：
向独立于反应堆冷却剂系统中的主反应堆冷却剂的闭合冷却回路提供纳米颗粒，或可输送纳米颗粒的纳米颗粒供应器；和
通过泵将水供给至所述闭合冷却回路中的热交换器和所述反应堆冷却剂系统。
11.权利要求1所述的核电设备，其中所述闭合冷却回路包括具有纳米颗粒的冷却剂。
12.权利要求1所述的核电设备，其还包括用于向冷却剂提供纳米颗粒的纳米颗粒供应器入口。
13.权利要求12所述的核电设备，其还包括纳米颗粒供应器，所述纳米颗粒供应器具有与所述纳米颗粒供应器入口相连的注入阀。
14.核电设备，其包括：
反应堆；
反应堆冷却剂系统；
独立于所述反应堆冷却剂系统的闭合冷却回路，所述闭合冷却回路包括泵，所述泵循环包括纳米颗粒的冷却剂；
具有纳米颗粒的冷却剂；和
用于向所述冷却剂提供纳米颗粒的纳米颗粒供应器入口。
15.核电设备，其包括：
反应堆；
反应堆冷却剂系统；和
包括闭合冷却回路的应急冷却系统，所述闭合冷却回路包括具有纳米颗粒的冷却剂，所述闭合冷却回路通过与所述反应堆冷却剂系统独立的闭合回路中的热交换器循环所述具有纳米颗粒的冷却剂。
16.权利要求1所述的核电设备，其中所述闭合冷却回路在反应堆正常运行期间增大冷却能力。
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