CN102644996B - 一种应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核电站燃料厂房通风系统的设计，具体涉及一种应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统。其结构包括作为燃料厂房屋顶一部分的金属穹顶，金属穹顶周向上具有若干个通风通道，通风通道上方设有自然通风烟囱，通风通道的入口位于乏燃料水池的上方，通风通道的出口与收水器连接。本发明可通过置于燃料厂房顶部的多条通风通道实现严重事故条件下乏燃料水池所在厂房的自然通风和部分乏燃料衰变热的导出，从而防止燃料厂房过热、超压及氢气聚集。本发明的隔离、触发及主要功能均不依赖于外界的动力输入，因此具有非能动特性和高可靠性。

Description

一种应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统
技术领域
本发明属于核电站燃料厂房通风系统的设计，具体涉及一种应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统。
背景技术
对于第二代（M310）及第三代（AP1000）核电机组，现有乏燃料水池通风系统（核燃料厂房通风系统）的设计主要考虑三个方面：1.确保燃料厂房有关设备安全正常运行及人员进入所需的室内温度；2.限制燃料厂房室内环境空气中水蒸气含量，以减少燃料池壁面上结露的风险；3.在发生燃料装卸事故、铅罐装卸事故及LOCA事故时，降低排除空气中的放射性至可接受水平。可见，现有乏燃料水池通风系统设计只考虑乏燃料水池的正常工况及设计基准事故，在发生诸如地震叠加全厂断电、长时间全厂断电等严重事故时，整个燃料厂房不具有通风能力。事故工况下，乏燃料水池沸腾，而所在厂房无法通风会带了多种不利后果：首先，乏燃料水池沸腾产生的蒸汽会充满整个燃料厂房，继而随厂房压力的升高经各处压力边界发生不可预测的外溢，这些蒸汽最终将在核岛各处冷凝从而造成交叉的辐射污染；其次，这些溢出、冷凝并散布于核岛各处的冷凝水通常无法进行回收再利用；另外，随着事故进程的推进，一旦发生燃料组件熔毁和氢气释放，相对封闭却没有设置消氢设施的燃料厂房极有可能出现氢气聚集，继而发生氢气爆炸。
上述问题的存在与日本福岛事故之前业界对于核电厂事故的认识水平有关，鉴于日本福岛核电厂四号机组事故的严重性，必须对这些问题进行重新评估、针对性分析，并提出有效的解决方案。本发明以此为出发点，为乏燃料水池相关系统应对严重事故提出了切实可行的方案。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，为乏燃料水池相关系统应对严重事故提出了切实可行的方案，实现严重事故条件下乏燃料水池所在厂房的自然通风和部分乏燃料衰变热的导出。
本发明的技术方案如下：一种应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，包括作为燃料厂房屋顶一部分的金属穹顶，金属穹顶周向上具有若干个通风通道，通风通道上方设有自然通风烟囱，通风通道的入口位于乏燃料水池的上方，通风通道的出口与收水器连接。
进一步，如上所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其中，所述的若干个通风通道的入口沿金属穹顶的周向均匀布置，并装有旋流发生器，通风通道的出口位于自然通风烟囱的中轴线；通风通道的截面为圆形，具有向内回转上升的螺旋形结构，并由与金属穹顶相连的通道格架支撑。
更进一步，所述的通风通道的内壁设有冷凝水回流导向槽，使冷凝水排至与通风通道连接的总回水管；通风通道靠近自然通风烟囱底部环形空气入口处的管段外表面设有强化换热的散热片。
更进一步，所述的通风通道的入口处设有通道隔离挡板，通道隔离挡板上装有挡板温度熔断开关，在事故工况下自动实现自然通风系统的接入。
进一步，如上所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其中，在自然通风烟囱出口与收水器排气口之间设有雾化喷淋器，雾化喷淋器与布置于厂房外的喷淋给水管线连接。
进一步，如上所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其中，所述的收水器具有若干个分别与不同的通风通道出口相连接的蒸汽入口，收水器顶部具有一个向上的蒸汽出口，蒸汽出口上方设有一个防止雨水倒灌的收水器端帽；收水器通过收水器回水支管与总回水管连接。
进一步，如上所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其中，所述的金属穹顶边缘上设有用于喷淋水收集的环形围水堰结构，围水堰结构的底部通过喷淋水回收支管与总回水管连接；所述的环形围水堰结构上还设有用于排出系统积水的围水堰排水管道，围水堰排水管道上设有围水堰排水管道截止阀，正常状态下，围水堰排水管道截止阀保持开启，事故状态下，围水堰排水管道截止阀关闭。
进一步，如上所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其中，所述的自然通风烟囱的底部圆周上设有起支撑作用的环形金属格架，环形金属格架的缝隙同时作为烟囱实现自然通风的空气入口。
进一步，如上所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其中，在乏燃料操作区域墙壁上设有用于控制乏燃料水池沸腾蒸汽流向的释放面板，释放面板由面板温度熔断开关控制，在事故工况下自动释放面板。
进一步，如上所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其中，所述的总回水管的出口位于乏燃料水池的上方，总回水管设有总回水管上段截止阀和总回水管下段截止阀；正常状态下，总回水管上段截止阀和总回水管下段截止阀关闭，事故状态下，总回水管上段截止阀和总回水管下段截止阀开启，以实现乏燃料水池蒸发水的冷凝回流。
本发明的有益效果如下：（1）为乏燃料水池所在燃料厂房提供了严重事故通风模式，可防止燃料厂房过热、超压及氢气聚集；（2）自然通风烟囱和上升螺旋形通风通道构成了大气热阱，可在事故工况下实现乏燃料衰变热的非能动导出；（3）通风通道内壁导流槽、收水器及回水管线的设计可实现乏燃料水池冷却水的非能动再循环，从而延长事故工况下乏燃料淹没时间；（4）本系统的隔离、触发及主要功能均不依赖于外界的动力输入，因此具非能动特性和高可靠性。
附图说明
图1为乏燃料水池通风及水回收系统的结构示意图；
图2为通风通道入口旋流发生器结构示意图；
图3为通风通道外壁面散热片结构示意图；
图4为通风通道内壁面冷凝水回流导向槽结构示意图。
图中，1.金属穹顶、2.通风通道、3.总回水管、4.喷淋水回收支管、5.金属穹顶贯穿件、6.围水堰结构、7.旋流发生器、8.自然通风烟囱、9.收水器、10.通道格架、11.环形金属格架、12.冷凝水回流导向槽、13.散热片、14.收水器回水支管、15.雾化喷淋器、16.喷淋给水管线、17.通道隔离挡板、18.挡板温度熔断开关、19.总回水管上段截止阀、20.释放面板、21.面板温度熔断开关、22.收水器端帽、23.总回水管下段截止阀、24.围水堰排水管道、25.围水堰排水管道截止阀、26.乏燃料组件
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统包括作为燃料厂房屋顶一部分的金属穹顶1，金属穹顶1周向上具有多个用于严重事故下乏燃料水池自然通风的通风通道2，多个通风通道2的整体上方设有自然通风烟囱8，通风通道2的入口位于储存乏燃料组件26的乏燃料水池的上方，通风通道2的出口与收水器9连接，在自然通风烟囱8的出口与收水器9的排气口之间设有雾化喷淋器15，雾化喷淋器15与布置于厂房外的喷淋给水管线16连接，喷淋水回流的喷淋水回收支管4与用于蒸汽冷凝水回流的总回水管3连接。
金属穹顶1的边缘有用于喷淋水收集的环形围水堰结构6，其周向上具有多个用于通风通道2、总回水管3及喷淋水回收支管4通过的贯穿件5。金属穹顶1的围水堰结构6的底部通过喷淋水回收支管4与总回水管3连接；围水堰结构6上具有用于排出系统积水的围水堰排水管道24，围水堰排水管道24入口标高低于喷淋水回收支管4入口标高，主要考虑非事故状态下的金属穹顶结构排水，防止喷淋管线积水；围水堰排水管道24具有围水堰排水管道截止阀25，平时围水堰排水管道截止阀25保持开启，以排出因降雨或露水冷凝产生的系统积水；事故状态下，围水堰排水管道截止阀25可由操作人员手动关闭或由主控室远程控制关闭，以实现蒸发水向乏燃料水池的冷凝回流。
上述多个通风通道2的入口沿金属穹顶1的周向均匀布置，每条通风通道2入口装有旋流发生器7，旋流发生器7的结构为现有技术，如图2所示，内部具有螺旋板结构。通风通道2的出口位于自然通风烟囱8的中轴线，并汇聚流入收水器9。通风通道2可选用普通的风道结构，作为优选的实施例，可将通风通道2的截面设计为圆形，并具有向内回转上升的螺旋形结构，由与金属穹顶1相连的通道格架10支撑。所述的收水器9用于收集空气夹带水滴，并对未及冷凝的蒸汽进行再冷凝，收水器9的收水将依靠重力沿收水器回水支管14流至总回水管3。收水器9为可采购到的现有设备，外形为圆柱体，收水器9的中轴线与自然通风烟囱8的中轴线重合；收水器9具有一个以上的蒸汽入口，分别与不同的通风通道出口相连；收水器9顶部具有一个向上的蒸汽出口，出口上方具有一个防止雨水倒灌的收水器端帽22。通风通道2内壁装有冷凝水回流导向槽12（见图4），可使冷凝水排至总回水管3；通风通道2靠近烟囱底部环形空气入口处的管段外表面装有强化换热的散热片13（见图3）。通风通道2的入口处装有通道隔离挡板17以实现正常工况下自然通风系统的隔离；通道隔离挡板17为可采购到的现有设备，通道隔离挡板上装有挡板温度熔断开关18，可在事故工况下自动实现自然通风系统的接入。
用于增强自然通风的自然通风烟囱8的整体形状类似电厂冷却塔，具有上小下大的双曲线结构；烟囱依靠底部圆周上的环形金属格架11支撑，环形金属格架缝隙同时作为烟囱实现自然通风的空气入口。
雾化喷淋器15设在自然通风烟囱8的出口与收水器9的排气口之间，雾化喷淋器15的喷淋给水管线16全部布置于厂房外，可用于严重事故工况的移动应急喷淋。雾化的喷淋水可促进收水器9排出蒸汽的冷凝，抑制蒸汽外溢，喷淋及冷凝水最终汇聚于金属穹顶1边缘的围水堰结构6底部，并由喷淋水回收支管4排至总回水管3。
总回水管3的出口位于乏燃料水池的上方，总回水管3设有总回水管上段截止阀19和总回水管下段截止阀23。正常状态下，总回水管上段截止阀19和总回水管下段截止阀23关闭，以防止系统积水误排入乏燃料水池；事故状态下，总回水管上段截止阀19和总回水管下段截止阀23可由操作人员手动开启或由主控室远程控制开启，以实现乏燃料水池蒸发水的冷凝回流。
另外，本系统还包括两块位于乏燃料操作区域墙壁上的释放面板20，释放面板20由面板温度熔断开关21控制，可在事故工况下自动释放面板，实现对乏燃料水池沸腾蒸汽流向的控制。
一旦核电厂发生地震叠加全厂断电事故、长时间全厂断电事故或其他严重事故，乏燃料水池将因为冷却循环丧失而升温并开始沸腾，此时应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统将被触发（或由操作手动启动），乏燃料水池所在厂房（燃料厂房）将进入严重事故通风模式。此模式下，乏燃料水池沸腾产生的蒸汽可通过上升的螺旋通风通道排放至大气。此过程中，蒸汽首先流过通道入口处的旋流发生器，增加旋动；而后逐渐在通道内壁面实现冷凝，冷凝水则流经内壁导流槽和回水管线回排至乏燃料水池；最终，夹带水滴的空气和未及冷凝的蒸汽流过通道末端的收水器后排至自然通风烟囱；自然通风烟囱整体形状类似电厂冷却塔，中截面具有上小下大的双曲线结构，烟囱依靠底部圆周上的环形金属格架支撑，格架缝隙同时作为烟囱实现自然通风的空气入口，烟囱出口段布置有雾化喷淋管线，以抑制蒸汽外溢，并可实现对乏燃料水池的补水。本系统的隔离，触发及主要功能均不依赖于外界的动力输入，因此具有非能动特性和高可靠性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其特征在于：包括作为燃料厂房屋顶一部分的金属穹顶(1)，金属穹顶(1)周向上具有若干个通风通道(2)，通风通道(2)上方设有自然通风烟囱(8)，通风通道(2)的入口位于乏燃料水池的上方，通风通道(2)的出口与收水器(9)连接。
2.如权利要求1所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其特征在于：所述的若干个通风通道(2)的入口沿金属穹顶(1)的周向均匀布置，并装有旋流发生器(7)，通风通道(2)的出口位于自然通风烟囱(8)的中轴线；通风通道(2)的截面为圆形，具有向内回转上升的螺旋形结构，并由与金属穹顶(1)相连的通道格架(10)支撑。
3.如权利要求1或2所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其特征在于：所述的通风通道(2)的内壁设有冷凝水回流导向槽(12)，使冷凝水排至与通风通道(2)连接的总回水管(3)；通风通道(2)靠近自然通风烟囱(8)底部环形空气入口处的管段外表面设有强化换热的散热片(13)。
4.如权利要求1或2所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其特征在于：所述的通风通道(2)的入口处设有通道隔离挡板(17)，通道隔离挡板(17)上装有挡板温度熔断开关(18)，在事故工况下自动实现自然通风系统的接入。
5.如权利要求1所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其特征在于：在自然通风烟囱(8)的出口与收水器(9)的排气口之间设有雾化喷淋器(15)，雾化喷淋器(15)与布置于厂房外的喷淋给水管线(16)连接。
6.如权利要求1或5所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其特征在于：所述的收水器(9)具有若干个分别与不同的通风通道出口相连接的蒸汽入口，收水器顶部具有一个向上的蒸汽出口，蒸汽出口上方设有一个防止雨水倒灌的收水器端帽(22)；收水器(9)通过收水器回水支管(14)与总回水管(3)连接。
7.如权利要求1所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其特征在于：所述的金属穹顶(1)边缘上设有用于喷淋水收集的环形围水堰结构(6)，围水堰结构(6)的底部通过喷淋水回收支管(4)与总回水管(3)连接；所述的环形围水堰结构(6)上还设有用于排出系统积水的围水堰排水管道(24)，围水堰排水管道(24)上设有围水堰排水管道截止阀(25)，正常状态下，围水堰排水管道截止阀(25)保持开启，事故状态下，围水堰排水管道截止阀(25)关闭。
8.如权利要求1所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其特征在于：所述的自然通风烟囱(8)的底部圆周上设有起支撑作用的环形金属格架(11)，环形金属格架(11)的缝隙同时作为烟囱实现自然通风的空气入口。
9.如权利要求1所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其特征在于：在乏燃料操作区域墙壁上设有用于控制乏燃料水池沸腾蒸汽流向的释放面板(20)，释放面板(20)由面板温度熔断开关(21)控制，在事故工况下自动释放面板。
10.如权利要求3所述的应对严重事故的乏燃料水池自然通风及水回收系统，其特征在于：所述的总回水管(3)的出口位于乏燃料水池的上方，总回水管(3)设有总回水管上段截止阀(19)和总回水管下段截止阀(23)；正常状态下，总回水管上段截止阀(19)和总回水管下段截止阀(23)关闭，事故状态下，总回水管上段截止阀(19)和总回水管下段截止阀(23)开启，以实现乏燃料水池蒸发水的冷凝回流。
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