CN102693764A - 反应堆坑置式核电站 - Google Patents

Abstract

本发明试图通过改进核电站布局设计，将核电站的原子能反应堆从核电站平面布局中划出，独立设置于一个专用的低于地平面坑中。而包括热交换器，汽轮机，发电机组等核电站的其他部分仍然保留现有的平面布局。当核电站在核反应堆发生严重事故，向反应堆堆坑注水，即可有效地冷却反应堆，并迅速扑灭可能已经发生的与反应堆相关的火灾，有效实现核辐射隔离，降低放射性物质在大气中的扩散，从而大幅度提高核电站在应用过程中的事实上的安全性。反应堆坑中的反应堆压力壳与安全壳设有可以快速打开的水流进口与出口，以增加水的循环，实现反应堆堆芯的有效冷却。反应堆坑四周设有防渗漏层，以阻止反应堆坑中的水向地下渗透。

Description

反应堆坑置式核电站

本发明涉及一种在严重核事故情况下低泄漏、低放射性物质扩散危害的核电站。

自20世纪60年代以来，由于铀资源比较丰富，运行消耗小，经济性好，核能发电在世界范围内逐步得到了广泛应用。

核电站通常包括核反应堆、冷却一回路、冷却二回路，蒸汽轮机与发电机组。核反应堆与冷却一回路通常称为核岛。反应堆的核心部分称为堆芯，又称活性区。堆芯主要包括核燃料元件、慢化剂冷却剂等部分。在堆芯周围设有中子反射层，以减少中子的损失。反射层以外是壳体与屏蔽层。核裂变材料元件主要由裂变材料芯片(或芯体)和包壳两部分组成。元件包壳起支撑结构作用，同时也用来防止裂变产物外逸污染冷却剂回路，并防止冷却剂同裂变材料直接接触发生腐蚀等不利的化学反应。核电站用反应堆一般用锆合金做包壳。

为了冷却反应堆并应用反应堆中产生的热能，通常用液体(例如水)作为冷却剂流经反应堆，带出热量。流经反应堆的冷却剂不但流量大，而且与核燃料(铀元素)密切接触，具有放射性，因此需要在加热另一个回路(二回路)中水(蒸气)后被冷却后回收，在泵的作用下作封闭循环使用。上述与核燃料接触的冷却回路被称为一回路。二回路中的水蒸气推动蒸汽轮机转动并拖动发电机发电。

核安全是核能发电中最重要的因素之一。为了保证核安全，人们目前为核反应堆设置了三道屏障。第一道屏障是燃料元件的芯片和包壳，堆内的放射性绝大多数来自核燃料裂变碎片核及其衰变产物，这些裂变产物98％以上停留在元件芯片中，逸出芯片的放射性物质通常被包壳挡住。第二道屏障是反应堆的一回路，它是包括厚达数百毫米不锈钢制压力壳在内的密封系统，避免放射性核素漏到外面来。第三道屏障是由预应力钢筋混凝土或钢制成的安全壳，它将堆本体和整个一回路密封出来，万一前两道屏障失灵，它仍能保证周围居民的辐射剂量安全。

然而，事实表明，上述三道屏障其实不能确保核能使用安全。尤其在重大核事故发生时，上述三道屏障呈完全失效状态。

1986年4月26日，位于前苏联乌克兰切尔诺贝利核电站4号核反应堆发生爆炸，包壳、压力壳与安全壳全部失效，屋顶被炸飞，墙壁坍塌，反应堆中的1700吨石墨材料燃烧起熊熊大火，裹挟着放射性物质四处飘散。前苏联倾其国力进行救援，在数十天的时间内用直升飞机向4号反应堆投放了5000吨降温与吸收放射性的材料，才初步控制了放射性物质的扩散。又用了数年时间通过遥控机械为反应堆修建了厚度达几米的钢筋混凝土隔离罩。然而，该隔离罩仍然不能长期有效地屏蔽放射性材料的外泄，目前人们试图在隔离罩之外修建第二层隔离罩，以求更有效地封闭爆炸的切尔诺贝利核电站的4号核反应堆。

最近发生在日本福岛的核安全事故由地震与海啸引起。2011年3月11日下午，日本东海发生了9级地震。地震导致日本福岛核电站全部核反应堆进入停堆(核裂变控制停止)状态，并且启动柴油机组发电，拖动反应堆的冷却系统，以保证反应堆在核裂变控制停止之后仍不可关断的放射性核材料发热的持续冷却。然而，随后发生的海啸破坏了柴油发电系统。这样，核反应堆堆芯就进入了因放射性而被持续加热而无冷却的失控状态，高温引起堆芯中各种物质化学反应，最终引起多个反应堆先后发生爆炸，导致大量放射性物质进入大气与海洋，形成了比地震与海啸更为引人关注的核灾难。在此期间，日本有关方面多次尝试用直升飞机洒水、高压水枪注水，水泵注水，以求冷却核反应堆，但是均未能有效地阻止反应堆的爆炸事态的发生，也未能在第一时间内有效控制反应堆放射性物质扩散灾难的发生与蔓延。

日本的核事故引起了全世界的广泛关注。我国人民与政府也对日本福岛发生的核事故也给予了高度关注。2011年3月16日，总理温家宝主持国务院常务会议，提出要充分认识核安全的重要性与紧迫性，核电发展要把安全放在第一位。会议提出抓紧编制核安全规划，调整与完善核电发展中长期规划。核安全规划批准前，暂停审批核电项目。

经过认真分析探讨，我们认为，核安全不但需要提高核电站的运行安全性，如通过对核电站进行全面细致的安全评估、排查安全隐患等途径全面提高核事故的预防能力，在最大程度上降低核事故发生的可能性，还要大幅度提高在核事故发生以后的应急处理能力。上述核事故发生后的应急处理能力不但包括政府与社会在事发时的应急反应与处理态度与措施，而且还应当提高核电站在设计中预留的应急处理功能。通过这些设计中预留的应急处理功能，控制核事故等级，降低甚至避免放射性物质在大气中的扩散。基于上述设想，本发明试图通过改进核电站布局设计，使核电站在核反应堆在严重事故状态下获得及时冷却与核辐射隔离，从而大幅度提高核电站在应用过程中的事实上的安全性。

本发明的基本思路是：将核电站的原子能反应堆A1从核电站平面布局中划出，独立设置于一个专用的坑A中，而包括热交换器B1，汽轮机B21，发电机组B23等核电站的其他部分B仍然保留现有的平面布局。

在核电站正常工作状态下，位于反应堆坑A中的反应堆A1工作状态与在地面工作的反应堆没有实质差别，在水泵B13作用下，经过一回路中的管道A11吸热、管道B11送出热能，通过位于地面的换热器B1加热二回路中的管道B12中水产生蒸汽推动汽轮机B21并拖动发电机组B23发电。做功以后的蒸汽经过冷凝器B22与冷却池C冷却后，通过水泵B14抽运返回二回路加热，循环使用。

当反应堆A1出现严重事故时，首先应当进入关断链式反应与停堆。然后打开储水池C的阀门C1通过管道C2向反应堆坑A中注水，直至水位A4达到淹没反应堆安全壳A14数米的位置。当反应堆坑A的水位A4之后，水不但可以冷却反应堆A13，而且可以减弱从A13发出的辐射。储水池C中的水应当是特制的与常备的。

为了有效地冷却反应堆堆芯A12，反应堆压力壳应当设有可以快速打开的水流进口，该水流进口包括可重复启闭的A132，以及一次性水流进口A135以及水流出口A133。A132或A135以及A133打开以后，水流即可流到并与外部水形成循环流动。基于同样的原因，安全壳A14也应当设置类似的可打开的水流进口A142与A145以及出口A143。

反应堆坑A注水之后，由于与反应堆堆芯直接接触，因此注入反应堆坑A中的水具有放射性。所以反应堆坑A应具有良好的防渗透性能。为此，在反应堆坑A的混凝土层A2之外还应当专门设有防渗漏层A3。

为了保证在经历了一般性核事故、反应堆坑注水以后，反应堆坑中的设施可以恢复使用，压力壳A13与安全壳A14等设施的表面应当设有防渗透涂层。当反应堆A1的故障得到控制以后，反应堆坑A中的水可以排干，更换A13与A14表面的涂层，即可减弱或消除压力壳A13与安全壳A14表面的放射性，恢复反应堆坑中A1各设施使用。

反应堆坑A周围应当设置阶梯、安全梯以及电梯(货梯)与起重机等机构与结构，以便于操作人员在平时、紧急状态时调动人员与物资进出反应堆坑A。

反应堆坑A应当设有性能良好的注水与排水系统。由于将反应堆A1建立在反应堆坑A中，所以核电站具有更高的防洪要求。反应堆A1不但需要可靠的防洪堤坝A21，而且应当有在遭遇特大暴雨与洪水的情况下具有足够的排水能力。

此外，安全壳A14应当具有必要的密封性。在反应堆A1正常状态情况下，即使有洪水涌入反应堆坑A，在关闭安全壳A14各通道之后，还应当能够维持反应堆A13的正常工作条件，并能够像核潜艇的动力系统那样维持核电站的正常运转。

与排水能力相比，对反应堆坑A注水的性能可靠性更为重要，应当具有可靠的水源C，并且独立设置数条独立管道C3与渠道对反应堆坑A注水，以确保反应堆A1的应急之需。

我们有理由认为，反应堆坑A以及其注水机构可以构成核电站安全的第四道安全屏障，一种预置的紧急状态发生之后的事后屏障。值得说明的是，反应堆坑A的屏障的存在，大幅度地降低了核电安全对于安全壳A14的依赖性。

一般说来，在事故初期即应对反应堆坑A的注水、并控制压力壳A13安全壳A14打开水流进出口A132，A133，A142，A143的操作将有效地防止堆芯A12的融毁事态的发生，使反应堆的堆芯在严重事故中得以保全。由于水具有良好的流动性，在故障排除之后，可以排空反应堆坑A中的水，恢复反应堆A1的使用状态。即使发生了像切尔诺贝利那样的堆芯融毁、压力壳爆炸起火、反应堆不可恢复使用的严重事故，向反应堆坑A注水有利于迅速(例如在数十分钟内到数小时之内)扑灭反应堆堆芯的火灾，大幅度减少放射性物质在大气中扩散。

初步估算表明，为核电站设置反应堆坑A有可能使核电站的建设费用上升2％-10％。但是，反应堆坑A的存在，将大幅度地提高核电站在发生事故之后应急处置选择余地，并有效地降低事故等级，使核电站总体上显得更为安全。所以，即使因为反应堆坑A的存在而使核电站的造价有所上升，也是应当而且能够推行的。

值得指出的是，与以往具有三道防护屏障的反应堆称为“核岛”相对应，核电站的坑置反应堆应当称为“核坑”。

图1为反应堆坑置式核电站的正常工作示意图；

图2为坑置反应堆压力壳与安全壳局部示意图；

图3为反应堆坑置式核电站的注水之后的示意图；

我们设想，反应堆坑A的注水储水池C与二回路冷却池合用。当出现紧急情况时，首先应停堆，关断链式反应。同时停止蒸汽轮机的运转，因此二回路也停止工作，无需继续使用冷却水。打开阀门C2，将二回路的冷却水从储水池C通过管道C3引入反应堆坑A.当水位超过安全壳A14的顶部时，首先启动可重复启闭的水流门A132，A133与A142与A143。如果可启闭水流门A132与A142启动失效，则启动一次性使用的开启机构A135与145打开水流门。一次性开启装置A135与145可以选用爆炸螺栓。

Claims (4)

1.一种在反应堆发生事故时反应堆能够及时获得水冷却与隔离的核电站，其特征为将核电站的原子能反应堆独立设置于一个专用的低于地平的反应堆坑中，当反应堆发生严重事故时，向核反应堆坑注水直至其被淹没，使其及时获得冷却，并隔离放射性材料扩散。

2.根据权利要求1所述的核电站，反应堆坑附近设有可以向其注水的储水池，储水池中的水应当是特制的与常备的。

3.根据权利要求1所述的核电站，反应堆坑中的反应堆压力壳与安全壳设有可以快速打开的水流进口与出口，以增加水的循环，实现反应堆堆芯的有效冷却。

4.根据权利要求1所述的核电站，反应堆坑四周设有防渗漏层，压力壳与安全壳表面设有防渗、可更换的透覆盖层。

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