CN102637465B - 一种非能动安全壳冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种非能动安全壳冷却系统，包括水池、内部蒸发器管束、汽水分离器、外部空气冷却器，水池位于内层混凝土安全壳和外层混凝土安全壳组成的环形腔内，外部空气冷却器位于内层混凝土安全壳和外层混凝土安全壳穹顶之间，内部蒸发器和汽水分离器均位于内层混凝土安全壳里，内部蒸发器的两端分别通过两根管连接汽水分离器，汽水分离器通过第一根伸出内层混凝土安全壳的管连接外部空气冷却器，内部蒸发器管束通过第二根伸出内层混凝土安全壳的管连通水池。本发明在发生LOCA、MSLB等事故时，能够长期安全可靠地导出安全壳内的热量，保证安全壳内温度、压力不超过设计限值，从而保持安全壳的完整性。

Description

一种非能动安全壳冷却系统
技术领域
本发明涉及的是一种冷却系统，具体地说是核安全和热工水力技术领域的冷却系统。
背景技术
安全壳是核电站发生事故时，防止放射性物质泄漏的最后一道安全屏障。在发生LOCA、MSLB等严重事故时，安全壳冷却系统必须保证安全壳内温度、压力不超过设计许用范围，从而保持安全壳的完整性。
目前压水堆核电站采用的双层安全壳设计包括钢-混凝土安全壳和混凝土-混凝土安全壳两种。针对钢-混凝土安全壳提出的非能动冷却系统都是以钢安全壳作为事故隔离边界和热量导出界面，其换热性能直接关系到整个核电站的安全。如AP1000的非能动冷却系统能在所有DBA情况下，有效控制安全壳内温度、压力，保证安全壳的完整性。虽然其对安全壳喷淋冷却的实现不用外源维持，但是其启动是需要外部供电或供汽的。一旦这些外部动力供应中断，则该系统就可能无法启动，难以发挥其设计功能。另外，由于制造成本、热处理和腐蚀方面的问题，钢-混凝土安全壳这种组合形式不适宜在大型核电站中使用。对于双层混凝土安全壳来说，虽然不存在上述问题，但由于混凝土的导热系数很低，不能作为热量导出的界面，因此在安全壳内部设置换热器是一种可行的方案(C S Byun，D W Jerng，N E Todreas，et al.Conceptual design andanalysis of a semi-passive containment cooling system for a largeconcrete containment.Nuclear Engineering and Design，2000，199：227-242；S J Cho，B S Kim，M G Kang，et al.The development of passive design featuresfor the Korean Next Generation Reactor.Nuclear Engineering and Design，2000，201：259-271；S W Lee，W P Baek，S H Chang.Assessment of passivecontainment cooling concepts for advanced pressurized water reactors.Ann.Nucl.Energy，1997，24(6)：467-475)。
然而，上述包括AP1000在内的安全壳冷却系统的设计都包含有冷却水池，并且冷却水池中的水只能得到一次利用，因此，为了获得尽量长的喷淋和冷却时间，水池的设计容积都很庞大。另外，为了建立自然循环，水池主要放置在安全壳顶部或露天修建在安全壳外部较高的位置。这样就会带来与地震相关的问题以及寒冷气候条件下冷却水的冻结问题。为了保证安全壳冷却系统的正常工作，则必须在水池内部设置加热器，这就需要提供一部分外部能源。
发明内容
本发明的目的在于提供可以在事故工况下提供安全壳内的长期、有效冷却，从而保证事故工况下反应堆安全壳内的温度和压力在允许的限值以下的一种非能动安全壳冷却系统。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种非能动安全壳冷却系统，包括内层混凝土安全壳、外层混凝土安全壳，其特征是：还包括水池、内部蒸发器管束、汽水分离器、外部空气冷却器，水池位于内层混凝土安全壳和外层混凝土安全壳组成的环形腔内，外部空气冷却器位于内层混凝土安全壳和外层混凝土安全壳穹顶之间，内部蒸发器和汽水分离器均位于内层混凝土安全壳里，内部蒸发器的两端分别通过两根管连接汽水分离器，汽水分离器通过第一根伸出内层混凝土安全壳的管连接外部空气冷却器，内部蒸发器管束通过第二根伸出内层混凝土安全壳的管连通水池。
本发明还可以包括：
1、内部蒸发器管束两端分别安装内部蒸发器上封头和内部蒸发器下封头，内部蒸发器管束采用水平向上倾斜布置的方式、与水平面的夹角为0°～45°。
2、还包括蒸汽导流板，所述的蒸汽导流板设置在内层混凝土安全壳里。
3、所述的外部空气冷却器采用水平向下倾斜布置的方式，外部空气冷却器的低位端安装排放管，排放管位于水池的上方。
4、外层混凝土安全壳上开有空气入口和空气出口。
本发明的优势在于：在发生LOCA、MSLB等事故时，能够长期安全可靠地导出安全壳内的热量，保证安全壳内温度、压力不超过设计限值，从而保持安全壳的完整性。该装置可实现：(1)在事故工况下，整个系统可以直接通过单相水和汽水混合物之间的密度差启动自然循环，不需要人为干预；(2)冷却水池修建在双层混凝土安全壳之间，有效解决了寒冷气候条件下外置水池的冻结问题；(3)汽水分离器下部与内部蒸发器下封头连接，实现了安全壳内部冷却水的再循环，不仅可以提高冷却效率，而且大幅减小了安全壳上贯穿管路的直径，提高了安全壳的强度，降低了密封要求；(4)外部空气冷却器的设置可以有效回收部分冷却水，提高了冷却水的利用率，这样不但可以减小环形水池的容积，而且能够大幅延长对内部安全壳的冷却时间；(5)蒸汽导流板的设置不仅可以保护内部蒸发器及其相关管路，而且可以有效引导内层混凝土安全壳内部气体的流动方向，建立内部循环，从而使安全壳内的气体充分混合，防止因局部氢气浓度过高而引起氢爆。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，该系统主要包括环形水池1、隔离阀2、7、内部蒸发器管束4、汽水分离器6和外部空气冷却器8。其中，内部蒸发器管束4和汽水分离器6位于内层混凝土安全壳10内靠近侧壁的上部空间；环形水池1位于内层混凝土安全壳10和外层混凝土安全壳11侧壁间的环形腔内；外部空气冷却器8位于内层混凝土安全壳10和外层混凝土安全壳11穹顶间靠近外层侧壁的位置。所述的环形水池1下部通过管线依次连接隔离阀2、内部蒸发器下封头3、内部蒸发器管束4、内部蒸发器上封头5、汽水分离器6、隔离阀7和外部空气冷却器8；所述的汽水分离器6下部，通过管线连接内部蒸发器下封头3；所述的外部空气冷却器8采用水平向下倾斜布置的方式，以利于冷却水的排出，排放管位于环形水池上方。内部蒸发器管束4和外部空气冷却器8均使用高效强化传热管，如外翅片管、整体针翅管等，以提高传热效率，从而减小换热器体积。内部蒸发器管束4采用水平向上倾斜布置的方式，与水平面的夹角在0°～45°之间。在贯穿内层混凝土安全壳10的管路上设有内部和外部隔离阀组2、7，防止冷却系统因管路破损带来的放射性物质外泄。在内层混凝土安全壳10内部设有蒸汽导流板12，该导流板位于内部蒸发器内侧，靠近内层混凝土安全壳中部，起到引导内部气体流动方向和保护设备、管道的作用。在外层混凝土安全壳11侧壁靠近穹顶的上方设有空气入口9，在外层混凝土安全壳11穹顶中部的上方设有空气出口13，起到引导双层安全壳间空气流动的作用，为外部空气冷却器8提供足够的空气流量。该系统在安全壳内采用多组布置及冗余布置的方案，以提高系统的固有安全性。
本发明的工作原理如下：当反应堆主蒸汽管道发生破口或断裂时，大量蒸汽由反应堆释放进入安全壳，并与安全壳内的空气混合，使安全壳内的温度和压力升高。当安全壳内的压力达到某一阈值时，安全壳内的压力传感器会将高压信号发送至电站总监控室，启动安全壳冷却系统。由于安全壳中心部分气体的流速较高，混合气体由中部上冲至安全壳顶部后，会向周围分散，因此，混合气体由蒸汽导流板12的上边缘引入，由内部蒸发器管束4冷却后，蒸汽凝结成水，空气由于密度较大而下沉，由此建立起安全壳内的气体循环，使安全壳内的气体由于流动而充分混合，避免局部氢气浓度过高而产生氢爆。内部蒸发器管束4的冷却水由环形水池1提供，当冷却水被混合气体加热而汽化后，经内部蒸发器上封头5进入汽水分离器6。未汽化的冷却水被分离后经管路回到内部蒸发器下封头3继续参与循环，而蒸汽则进入外部空气冷却器8，由空气进行冷却后，大部分蒸汽凝结成水，回到环形水池1中，而未被凝结的蒸汽则由两层安全壳间的流动空气带走。由于外部空气冷却器8的存在，使得事故初期大部分的冷却水得以回收，而在事故后期，环形水池1中剩余的冷却水可以提供长期的热量导出，从而大大提高了安全壳的固有安全性。

Claims (9)

1.一种非能动安全壳冷却系统，包括内层混凝土安全壳、外层混凝土安全壳，其特征是：还包括水池、内部蒸发器管束、汽水分离器、外部空气冷却器，水池位于内层混凝土安全壳和外层混凝土安全壳组成的环形腔内，外部空气冷却器位于内层混凝土安全壳和外层混凝土安全壳穹顶之间，内部蒸发器和汽水分离器均位于内层混凝土安全壳里，内部蒸发器的两端分别通过两根管连接汽水分离器，汽水分离器通过第一根伸出内层混凝土安全壳的管连接外部空气冷却器，内部蒸发器管束通过第二根伸出内层混凝土安全壳的管连通水池。
2.根据权利要求1所述的一种非能动安全壳冷却系统，其特征是：内部蒸发器管束两端分别安装内部蒸发器上封头和内部蒸发器下封头，内部蒸发器管束采用水平向上倾斜布置的方式，与水平面的夹角为0°～45°。
3.根据权利要求1或2所述的一种非能动安全壳冷却系统，其特征是：还包括蒸汽导流板，所述的蒸汽导流板设置在内层混凝土安全壳里。
4.根据权利要求1或2所述的一种非能动安全壳冷却系统，其特征是：所述的外部空气冷却器采用水平向下倾斜布置的方式，外部空气冷却器的低位端安装排放管，排放管位于水池的上方。
5.根据权利要求3所述的一种非能动安全壳冷却系统，其特征是：所述的外部空气冷却器采用水平向下倾斜布置的方式，外部空气冷却器的低位端安装排放管，排放管位于水池的上方。
6.根据权利要求1或2所述的一种非能动安全壳冷却系统，其特征是：外层混凝土安全壳上开有空气入口和空气出口。
7.根据权利要求3所述的一种非能动安全壳冷却系统，其特征是：外层混凝土安全壳上开有空气入口和空气出口。
8.根据权利要求4所述的一种非能动安全壳冷却系统，其特征是：外层混凝土安全壳上开有空气入口和空气出口。
9.根据权利要求5所述的一种非能动安全壳冷却系统，其特征是：外层混凝土安全壳上开有空气入口和空气出口。 
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