CN102903402A - 一种先进的二次侧堆芯热量导出装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于反应堆设计技术，具体涉及一种先进的二次侧堆芯热量导出装置。其结构包括非能动子系统和能动子系统，非能动子系统包括若干个非能动余热排出系列，每个非能动余热排出系列包括一台置于事故冷却水箱内的非能动余热排出冷却器，其上游蒸汽管线连接蒸汽发生器的主蒸汽管道，其下游凝水管线与蒸汽发生器的主给水管道连接，在非能动余热排出冷却器的上游蒸汽管线和下游凝水管线之间还设有非能动补水箱；能动子系统包括两个冗余的供水系列，每个供水系列的一端连接非能子系统的事故冷却水箱，另一端与蒸汽发生器的主给水管道相连接。本发明能够保证在事故情况下堆芯热量的长期导出，缓解严重事故后果。

Description

一种先进的二次侧堆芯热量导出装置

技术领域

本发明属于反应堆设计技术，具体涉及一种先进的二次侧堆芯热量导出装置。

背景技术

反应堆停堆后，由于堆芯的剩余裂变以及裂变产物衰变产生的热量在很长一段时间内仍需要排出，否则会导致冷却剂沸腾甚至堆芯熔化的严重事故。在传统压水堆核电厂设计中，通常采用能动的方式给蒸汽发生器补水。即能动型二次侧余热排出系统，能动二次侧余热排出系统是在电源供给有保障的情况下，通过辅助给水泵驱动蒸汽发生器二次侧给水进行强迫循环，将堆芯余热导出，并送至最终热阱。能动二次侧余热排出系统换热效率高，但在发生全厂断电时，正常电源和可靠电源供电同时丧失，系统就丧失排出堆芯余热的功能。所以能动二次侧余热排出系统受电源可靠性影响较大，安全性差。

传统能动型二次侧余热排出系统采用汽动泵与电动泵相结合的方案，随着技术的不断进步，汽动泵逐渐显现出它的缺点和不足。单从设备材料价格分析，汽动给水泵投资费用就高出电动给水泵投资费用7%，如果再考虑汽动给水泵及其相关系统占地面积大约是电动给水泵的2倍，占用空间高度至少是电动泵的3倍，汽动给水泵投资费用比电动给水泵投资费用高出1倍以上；另外电动给水泵的维修费用仅为汽动给水泵的25%。

非能动技术是20世纪80年代发展起来的新技术，其特点是经济、简单且可靠性高，使反应堆的固有安全性大大提高，通常应用于第三代核电站。典型代表堆型是AP1000、APR-1400。我国引进的第三代核电站AP1000设置了非能动余热排出系统，该系统是通过冷却一回路冷却剂，将堆芯的热量导出，如图1所示，图中，1为蒸汽发生器，2为反应堆压力容器，3为安全壳内置换料水箱，4为非能动余热排出热交换器，5为稳压器。在非LOCA事件时，非能动余热排出热交换器4将应急排出堆芯余热。该热交换器由一组连接在管板上的C型管束和布置在上部（入口）和底部（出口的）封头组成。热交换器的入口管线与反应堆冷却剂系统热管段相连接，出口管线与蒸汽发生器1的下封头冷腔室相连接，它们与反应堆冷却剂系统热管段和冷管段组成了一个非能动余热排出的自然循环回路。

发明内容

本发明的目的是为了提高核电站的安全水平，提供一种先进的二次侧堆芯热量导出装置，将能动与非能动的技术手段相结合，保证在事故情况下堆芯热量的长期导出，缓解严重事故后果。

本发明的技术方案如下：一种先进的二次侧堆芯热量导出装置，包括非能动子系统和能动子系统，其中，所述的非能动子系统包括若干个非能动余热排出系列，每个非能动余热排出系列与一个反应堆环路的蒸汽发生器相对应，包括一台非能动余热排出冷却器，非能动余热排出冷却器的上游蒸汽管线连接蒸汽发生器的主蒸汽管道，其下游凝水管线与蒸汽发生器的主给水管道连接，非能动余热排出冷却器置于事故冷却水箱内，在非能动余热排出冷却器的上游蒸汽管线和下游凝水管线之间还设有非能动补水箱；所述的能动子系统包括两个冗余的供水系列，每个供水系列的一端连接非能动子系统的事故冷却水箱，另一端与蒸汽发生器的主给水管道相连接。

进一步，如上所述的先进的二次侧堆芯热量导出装置，其中，所述的能动子系统的两个供水系列中，一个供水系列包括两台并联的50%容量的电动泵，另一个供水系列包括两台并联的50%容量的汽动泵；两台电动泵由应急电源供电，两台汽动泵由蒸汽发生器主蒸汽隔离阀上游的主蒸汽管线供汽；两台电动泵和两台汽动泵的排出管合并成一条母管后，分别与各蒸汽发生器的主给水管道连接。

进一步，如上所述的先进的二次侧堆芯热量导出装置，其中，所述的能动子系统的每台电动泵和汽动泵的排出管上分别设有止回阀。

进一步，如上所述的先进的二次侧堆芯热量导出装置，其中，所述的能动子系统的两个供水系列中，每个供水系列包括两台并联的50%容量的电动泵，四台电动泵由应急电源供电；四台电动泵的排出管合并成一条母管后，分别与各蒸汽发生器的主给水管道连接；每台电动泵的排出管上分别设有止回阀。

进一步，如上所述的先进的二次侧堆芯热量导出装置，其中，在所述的非能动余热排出冷却器与蒸汽发生器的主蒸汽管道连接的蒸汽管线上设有一个隔离阀，与蒸汽发生器的主给水管道连接的凝水管线上设有两个并联的隔离阀，两个并联的隔离阀下游设置一个止回阀。

进一步，如上所述的先进的二次侧堆芯热量导出装置，其中，在所述的非能动补水箱与非能动余热排出冷却器的上游蒸汽管线相连接的管线上设有一个隔离阀，与非能动余热排出冷却器的下游凝水管线相连接的管线上设有两个并联的隔离阀，两个并联的隔离阀下游设置一个止回阀。

本发明的有益效果如下：

（1）采用能动与非能动相结合的二次侧余热导出方案排出堆芯的热量，提高了反应堆的安全性；

（2）系统保证在事故工况下能动高效的排出堆芯余热，以及在事故情况下长期非能动的排出堆芯余热，改进传统能动型核电厂对安全级电源的依赖，提高电厂的安全性；

（3）设置事故冷却水箱作为能动子系统和非能动子系统的供水水源，整合了水源配置，简化了系统设置，节约了工程造价；

（4）由于采用非能动系统，可以满足系统设置多样性的要求，从而可以采用电动泵代替汽动泵，不仅在投资费用和维修费用上节省大量资金，另外也减少的占地面积，为布置提供了更有利的条件；

（5）大大降低了人因失误的可能性；

（6）可以显著降低堆芯损坏概率及大量放射性向环境释放概率。

附图说明

图1为现有技术中AP1000的非能动余热排出系统结构示意图；

图2为先进的二次侧堆芯热量导出装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明所提供的先进的二次侧堆芯热量导出装置，在核电站发生事故的情况下，当主给水设施不能使用时，通过能动的方式，依靠能动子系统，将堆芯内的热量导出。在发生全厂断电事故且能动子系统汽动泵丧失的情况下，非能动子系统自动投入运行，并建立稳定的两相自然循环流动，同时一回路冷却剂也形成稳定的自然循环流动，最终通过一回路和二回路的自然循环流动将堆芯热量传递到作为最终热阱的事故冷却水箱。

能动子系统是在电源有保障的情况下，通过给水泵强迫将堆芯余热导出，非能动设计是利用二回路和冷却回路冷热工质的密度差，以及冷热工质竖直位差，来建立自然循环。采用能动与非能动相结合的方案能够应对设计基准事故和严重事故下主给水丧失，维持堆芯热量的长期导出。

非能动子系统包括若干个非能动余热排出系列，每个非能动余热排出系列与一个反应堆环路的蒸汽发生器相对应，包括一台非能动余热排出冷却器，非能动余热排出冷却器的上游蒸汽管线连接蒸汽发生器的主蒸汽管道，其下游凝水管线与蒸汽发生器的主给水管道连接，非能动余热排出冷却器置于事故冷却水箱内，在非能动余热排出冷却器的上游蒸汽管线和下游凝水管线之间还设有非能动补水箱。能动子系统包括两个冗余的供水系列，每个供水系列的一端连接所有非能动子系统的事故冷却水箱，另一端与蒸汽发生器的主给水管道相连接。能动子系统的两个供水系列可分别从若干个非能动余热排出系列的事故冷却水箱取水。

采用能动与非能动相结合的二次侧余热排出系统来提高核电厂的安全水平是先进核电站设计的趋势，本发明能够保证在事故情况下堆芯热量的长期导出，保证了堆芯的完整性，缓解严重事故后果。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例

如图2所示，能动子系统有两个冗余的供水系列，一种具体的实施方式中，可以包括电动泵子系统和汽动泵子系统，以及与泵吸入管和排出管有关的阀门等。其中，一个供水系列包括两台并联的50%容量的电动泵6，另一个供水系列包括两台并联的50%容量的汽动泵7，每台电动泵和汽动泵的排出管上分别设有止回阀；两台电动泵6由应急电源供电，两台汽动泵7由蒸汽发生器主蒸汽隔离阀上游的主蒸汽管线供汽；两台电动泵6和两台汽动泵7的排出管合并成一条母管后，可以分别与多台蒸汽发生器的主给水管道连接。给水泵从非能动子系统的事故冷却水箱中吸水。在失去主给水的情况下，水泵能够提供足够的流量，以导出堆芯余热，防止冷却剂通过稳压器卸压阀泄出和蒸汽发生器管板裸露。

在主给水系统发生事故时，能动子系统投入运行，向蒸汽发生器供水，反应堆冷却剂系统的热量通过蒸汽发生器传给二回路系统，二回路系统通过汽轮机旁通系统排入凝汽器或排向大气冷却。这样导出堆芯余热，直到反应堆冷却剂系统达到正常余热排出系统可投入运行的工况。

在能动子系统的另一种实施方式中，将两台汽动泵用电动泵替代，即每个供水系列包括两台并联的50%容量的电动泵，四台电动泵由应急电源供电，每台电动泵的排出管上分别设有止回阀；四台电动泵的排出管合并成一条母管后，可以分别与多台蒸汽发生器的主给水管道连接。这种方式可以明显降低设备的投资和维护成本，并减少系统的占地面积。能动子系统中之所以能采用电动泵替代汽动泵，实现成本的降低，主要是因为非能动子系统的结合设置，保证了系统设置多样性的要求。

非能动子系统包括若干个非能动余热排出系列，反应堆每个环路的蒸汽发生器二次侧都设置一个非能动余热排出系列，每个系列包括一台非能动余热排出冷却器13，非能动余热排出冷却器13的上游蒸汽管线连接蒸汽发生器8的主蒸汽管道10，其下游凝水管线与蒸汽发生器8的主给水管道9连接，非能动余热排出冷却器13置于事故冷却水箱12内，在非能动余热排出冷却器13的上游蒸汽管线和下游凝水管线之间还设有非能动补水箱11。

在发生全厂断电事故且能动子系统汽动泵系列失效工况下，非能动子系统投入运行，在不超过规定的燃料设计限值和冷却剂压力边界设计条件的前提下，导出堆芯余热及反应堆冷却剂系统各设备的储热，在72小时内将反应堆维持在安全的停堆状态。

蒸汽管线与非能动余热排出冷却器13入口接管嘴相连，非能动余热排出冷却器13布置在事故冷却水箱12中。在整个运行期间，要求非能动余热排出冷却器13浸泡在水中，不允许裸露。凝水管由非能动余热排出冷却器出口引出，凝水管出口与蒸汽发生器的主给水管道和辅助给水管道相连。凝水管道上设置了两个并联的常关气动隔离阀，实现系统备用期间的隔离，同时保证在需要系统投入时凝水管线能够顺利连通，下游设置一个止回阀，以防止蒸汽发生器给水通过凝水管道旁流。

在所述的非能动余热排出冷却器13与蒸汽发生器8的主蒸汽管道10连接的蒸汽管线上设有一个电动隔离阀，机组正常运行期间，系统蒸汽管线上的电动隔离阀保持常开，凝水管线上的气动隔离阀保持常关，非能动余热排出冷却器管侧充满水。在系统投入信号发出后，凝水管线上的气动隔离阀开启，系统投入运行，非能动余热排出冷却器管内的水在重力作用下注入蒸汽发生器二次侧，被堆芯余热加热后变成蒸汽，蒸汽进入非能动余热排出冷却器管内，与事故冷却水箱里的冷却水进行热量交换，蒸汽将热量传递给冷却水后被冷凝为水，冷凝水在重力的作用下返回蒸汽发生器二次侧，从而完成蒸汽-凝水回路的自然循环。事故冷却水箱中的水由于持续受热蒸发而减少，其水容积能够保证系统持续运行72小时。

每个系列设置一台非能动补水箱11，其上部通过一个隔离阀与非能动余热排出冷却器13的上游蒸汽管线相连，下部通过两个并联布置的隔离阀和一台止回阀与非能动余热排出冷却器的下游凝水管线相连。在系统投入运行时，非能动补水箱中的水注入蒸汽发生器二次侧，以补偿蒸汽发生器二次侧蒸汽的丧失和水体积的收缩。

在全厂断电事故叠加能动子系统汽动泵失效事故工况下，由于主泵停运，非能动子系统利用系统在反应堆部分及蒸汽发生器部分的温差和高度差，具有一定的自然循环能力，将反应堆的热量向蒸汽发生器传递，完成反应堆冷却剂回路的自然循环，导出堆芯余热，保障堆芯的安全。

本发明将能动系统和非能动系统相结合，从总体上提高了事故工况下核电站的安全性。同时，将系统的结构进行优化设计，事故冷却水箱作为能动子系统和非能动子系统的供水水源，整合了水源配置，简化了系统设置，节约了工程造价。另外，由于采用了非能动系统，可以满足系统设置多样性的要求，能动子系统可以进行相应的改进设计，用电动泵代替汽动泵，在投资费用和维修费用上能够节省大量资金，并减少占地面积，为系统布置提供了更加有利的条件。

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 (7)

1.一种先进的二次侧堆芯热量导出装置，其特征在于：包括非能动子系统和能动子系统，所述的非能动子系统包括若干个非能动余热排出系列，每个非能动余热排出系列与一个反应堆环路的蒸汽发生器相对应，包括一台非能动余热排出冷却器（13），非能动余热排出冷却器（13）的上游蒸汽管线连接蒸汽发生器（8）的主蒸汽管道（10），其下游凝水管线与蒸汽发生器（8）的主给水管道（9）连接，非能动余热排出冷却器（13）置于事故冷却水箱（12）内，在非能动余热排出冷却器（13）的上游蒸汽管线和下游凝水管线之间还设有非能动补水箱（11）；所述的能动子系统包括两个冗余的供水系列，每个供水系列的一端连接非能动子系统的事故冷却水箱（12），另一端与蒸汽发生器的主给水管道（9）相连接。

2.如权利要求1所述的先进的二次侧堆芯热量导出装置，其特征在于：所述的能动子系统的两个供水系列中，一个供水系列包括两台并联的50%容量的电动泵（6），另一个供水系列包括两台并联的50%容量的汽动泵（7）；两台电动泵（6）由应急电源供电，两台汽动泵（7）由蒸汽发生器主蒸汽隔离阀上游的主蒸汽管线供汽；两台电动泵和两台汽动泵的排出管合并成一条母管后，分别与各蒸汽发生器的主给水管道连接。

3.如权利要求2所述的先进的二次侧堆芯热量导出装置，其特征在于：所述的能动子系统的每台电动泵和汽动泵的排出管上分别设有止回阀。

4.如权利要求1所述的先进的二次侧堆芯热量导出装置，其特征在于：所述的能动子系统的两个供水系列中，每个供水系列包括两台并联的50%容量的电动泵，四台电动泵由应急电源供电；四台电动泵的排出管合并成一条母管后，分别与各蒸汽发生器的主给水管道连接。

5.如权利要求4所述的先进的二次侧堆芯热量导出装置，其特征在于：所述的能动子系统的每台电动泵的排出管上分别设有止回阀。

6.如权利要求1所述的先进的二次侧堆芯热量导出装置，其特征在于：在所述的非能动余热排出冷却器（13）与蒸汽发生器的主蒸汽管道（10）连接的蒸汽管线上设有一个隔离阀，与蒸汽发生器的主给水管道（9）连接的凝水管线上设有两个并联的隔离阀，两个并联的隔离阀下游设置一个止回阀。

7.如权利要求1所述的先进的二次侧堆芯热量导出装置，其特征在于：在所述的非能动补水箱（11）与非能动余热排出冷却器（13）的上游蒸汽管线相连接的管线上设有一个隔离阀，与非能动余热排出冷却器（13）的下游凝水管线相连接的管线上设有两个并联的隔离阀，两个并联的隔离阀下游设置一个止回阀。

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