CN102243897B - 基于纳米流体特性的沸水堆事故下非能动余热导出系统 - Google Patents

基于纳米流体特性的沸水堆事故下非能动余热导出系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于核电站设备与安全技术领域的一种基于纳米流体特性的沸水堆非能动排热系统。该系统由阀门控制器，水箱，循环管道及阀门等组成。系统对厂用电源不可用的情况下，利用纳米流体较强的换热特性以及较小的粘性系数，以较强的自然循环能力实现沸水堆内热量的快速导出。达到防止放射性物质排放和保护公众、环境的目的。在发生严重事故时，执行和完成安全保障功能。该系统的后备安全性好，流程简单、性能稳定、可靠性高、实施方便，控制简单。

Description

基于纳米流体特性的沸水堆事故下非能动余热导出系统
技术领域
本发明属于核电站设备安全技术领域，特别涉及一种基于纳米流体特性的沸水堆事故下非能动余热导出系统。具体说，是在沸水堆失去厂外电源堆芯无法得到及时冷却的情况下，利用具有强化换热特性的纳米流体作为冷却剂，通过自然循环回路系统，以实现对沸水堆堆芯的非能动自然排热功能。在发生失去厂外电源时，系统的运行执行冷却堆芯的功能，且采用纳米流体可有效增强冷却效果，防止放射性物质排放，推迟堆芯熔化时机，以达到保护公众和环境的目的。
背景技术
日本福岛核电站反应堆在地震、海啸发生后自动停转，但是地震导致反应堆机组的主泵无法工作，未能为反应堆提供冷却水循环，致使多个反应堆容器内的冷却水温、压力上升，反应堆容器内的水位下降导致堆芯裸露出现核泄漏危险。因而，在沸水堆失去厂外电源堆芯无法得到及时冷却的情况下，寻求一种能够快速直接换热手段实现对堆芯余热的传递，对于防止严重事故的发展及放射性释放等关键要素的控制具有至关重要的意义。
通过扩展表面如微通道及肋片等的传统强化换热设计方式受传热工质传热能力及系统功率的限制。1995年，美国Argonne国家实验室Choi等人提出添加纳米颗粒到换热工质中制备出新型换热工质“纳米流体”。由于固体颗粒的导热系数远大于液体，导致纳米流体的导热系数和对流换热性能大大提高，且已有研究表明纳米流体能够显著增强沸腾换热。加入非常少量的纳米颗粒的流体，其临界热流密度有明显提高，突破了传统强化换热方式传热能力受限所带来的技术瓶颈。另外，纳米粒子的加入不会引起附加的阻力损失，且纳米流体具有减小泵功率，大幅度降低流体输送功耗的优点。因此，基于纳米流体特性设计出沸水堆非能动余热导出系统建立有效快速排除堆芯热量的系统，是缓解严重事故发展和保护环境免遭污染的新型有效手段。在安全方面，这种新技术的应用将提高反应堆的安全性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提出一种基于纳米流体特性的沸水堆事故下非能动余热导出系统，其特征在于，所述的基于纳米流体特性的非能动堆芯冷却系统是在反应堆安全壳15顶部安装水箱5，水箱5通过第二三通阀门4、第一三通阀门3分别与反应堆堆芯6压力容器的进管7及出管8相接，第二三通阀门4、第一三通阀门3通过阀门控制器2连接厂用电源1；其中进管7及出管8还分别通过第二二通阀门13、第一二通阀门12与汽轮发电机14连接；在水箱5顶部设置安全阀10，水箱5的侧面配置散热肋片11和第三二通阀门9。在水箱5中纳米流体将热量释放给温度较低的纳米流体及环境，使得密度减小，降温后的纳米流体沿着进管7通过第二三通阀门4下降，两个管道间纳米流体由于存在密度差，使得形成自然循环回路，带出反应堆堆芯的热量；当回路中的压力超过8MPa时，安全阀10打开，以防止水箱5超压。该系统能够实现沸水堆在失去厂外电源情况下堆芯的及时冷却，保证反应堆安全运行。
所述阀门控制器2是一种智能开关，当厂电源1断电时，阀门控制器2动作，自动开启第一三通阀门3和第二三通阀门4。
所述水箱5中的纳米流体是一种具有导热系数高、换热性好的新型传热工质，其粘性系数小，流体输送功耗小的流体，使自然循环回路具有很好的启动特性，最大程度的带走堆芯内的热量，且沸腾换热中纳米流体的临界热流密度大幅提高。
所述纳米流体由传热基液-水和强化相纳米颗粒-Cu组成，采用在水介质中添加2.0％体积比的Cu纳米颗粒制备的Cu-水纳米流体，其对流换热系数比水增大39％。
本发明与现有技术相比，具有以下突出优点及效果：本发明提出的基于纳米流体特性的沸水堆事故下非能动余热导出系统，是一种利用阀门控制器，水箱，循环管道及阀门等组成的系统，实现在发生厂用电源不可用的情况下，利用纳米流体较强的换热特性以及较小的粘性系数，以较强的自然循环能力实现沸水堆内热量的导出。该系统流程简单、安装便捷、具有非能动性、高效传热、性能可靠的特点。在核电站严重事故下，具有高效排热，保证堆芯有效冷却。
附图说明
图1为基于纳米流体特性的沸水堆非能动余热导出系统示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于纳米流体特性的沸水堆非能动余热导出系统。下面结合附图对本发明的具体结构、工作过程作进一步说明。图1中，冷却系统是在反应堆安全壳15顶部安装水箱5，水箱5通过第二三通阀门4、第一三通阀门3分别与反应堆堆芯6压力容器的进管7及出管8相接，第二三通阀门4、第一三通阀门3通过阀门控制器2连接厂用电源1；其中进管7及出管8还分别通过第二二通阀门13、第一二通阀门12与汽轮发电机14连接；在水箱5顶部设置安全阀10，水箱5的侧面配置散热肋片11和第三二通阀门9。
在厂用电源1失效的情况下，具有智能开关特性的阀门控制器2动作，自动开启第一三通阀门3和第二三通阀门4，水箱5内装有纳米流体，其上部充有压力为7.0MPa的惰性气体，形成闭合回路。由于水箱5内装有与压力容器6内相同压力的惰性气体，回路中压力平衡。在建立起的回路中，纳米流体吸收堆芯内的热量后通过出管8进入水箱5，并在水箱5内通过其外部的肋片11与外界环境进行换热；然后低温的纳米流体依次由进管7进入压力容器6。进管7与出管8内的纳米流体温度不同，存在密度差，由此形成自然循环回路。在发生事故后，纳米流体吸收反应堆堆芯6释放的大量热量，并受热蒸发、膨胀，密度减小，产生的蒸汽通过出管8，经过第一三通阀门3向上进入水箱5，在水箱5中纳米流体将热量释放给温度较低的纳米流体及环境，使得密度减小，降温后的纳米流体沿着进管7通过第二三通阀门4下降，两个管道间纳米流体由于存在密度差，使得形成自然循环回路，带出反应堆堆芯的热量。水箱5外侧带有肋片11与空气进行自然对流换热，将热量传递到大气中。第三二通阀门9给水箱5进行充、放水。当回路中的压力超过8MPa时，安全阀10打开，以防止水箱5超压。该系统能够实现沸水堆在失去厂外电源情况下堆芯的及时冷却，保证反应堆安全运行。该系统采用纳米流体可有效增强冷却效果及增强自然循环能力，实现防止放射性物质排放，以达到保护公众和环境的目的。
所述水箱5中的纳米流体是一种具有导热系数高、换热性好的新型传热工质，其粘性系数小，流体输送功耗小的流体，纳米流体在增强换热方面与传统换热介质相比具有优良的特性，且能够显著的增强沸腾换热，用于非能动自然循环技术中能够提高非能动自然循环能力且对热源温度响应快，使非能动自然循环排热系统启动性能好；另一方面，纳米流体具有减小泵功率，大幅度降低流体输送功耗的优点，同样能够提高回路的自然循环能力。因此自然循环回路中纳米流体的采用可以较大程度的导出堆芯内的热量。
所述基于纳米流体特性的沸水堆非能动余热导出系统的核心是纳米流体，纳米流体由传热基液-水和强化相纳米颗粒-Cu组成，采用在水介质中添加2.0％体积比的Cu纳米颗粒制备的Cu-水纳米流体，其对流换热系数比水增大39％。纳米流体的均匀稳定性能对于其强化换热作用的发挥至关重要，因此采用加入pH调节剂和分散剂的方法来提高Cu-水纳米流体的分散性及稳定性。对于Cu-水纳米流体，在保证换热性能的基础上，采用分析纯盐酸做pH调节剂使Cu-水纳米流体pH＝9.5；十二烷基苯磺酸钠做分散剂，且在Cu-水纳米流体中十二烷基苯磺酸钠浓度为0.07％，由此保证Cu-水纳米流体的分散性及稳定性。

Claims (3)

1.一种基于纳米流体特性的沸水堆事故下非能动余热导出系统，其特征在于，所述的基于纳米流体特性的非能动堆芯冷却系统是在反应堆安全壳（15）顶部安装水箱（5），水箱（5）通过第二三通阀门（4）、第一三通阀门（3）分别与反应堆堆芯（6）压力容器的进管（7）及出管（8）相接，第二三通阀门（4）、第一三通阀门（3）通过阀门控制器（2）连接厂用电源（1）；其中进管（7）及出管（8）还分别通过第二二通阀门（13）、第一二通阀门（12）与汽轮发电机（14）连接；在水箱（5）顶部设置安全阀（10），水箱（5）的侧面配置散热肋片（11）和第三二通阀门（9）；在水箱（5）中纳米流体将热量释放给温度较低的纳米流体及环境，使得密度减小，降温后的纳米流体沿着进管（7）通过第二三通阀门（4）下降，两个管道间纳米流体由于存在密度差，使得形成自然循环回路，带出反应堆堆芯的热量；当回路中的压力超过8MPa时，安全阀（10）打开，以防止水箱（5）超压，该系统能够实现沸水堆在失去厂外电源情况下堆芯的及时冷却，保证反应堆安全运行。
2.根据权利要求1所述基于纳米流体特性的沸水堆非能动余热导出系统，其特征在于，所述阀门控制器（2）是一种智能开关，当厂电源（1）断电时，阀门控制器（2）动作，自动开启第一三通阀门（3）和第二三通阀门（4）。
3.根据权利要求1所述基于纳米流体特性的沸水堆非能动余热导出系统，其特征在于，所述纳米流体由传热基液-水和强化相纳米颗粒-Cu组成，采用在水介质中添加2.0%体积比的Cu纳米颗粒制备的Cu-水纳米流体，其对流换热系数比水增大39%，采用分析纯盐酸做pH调节剂使Cu-水纳米流体pH=9.5，十二烷基苯磺酸钠做分散剂，且在Cu-水纳米流体中十二烷基苯磺酸钠浓度为0.07%，由此保证Cu-水纳米流体的分散性及稳定性。
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