CN103137223B - 注入含中子吸收元素的水以冷却危险状态的核反应堆堆芯的组件和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组件，其包括可移动结构(11)，可移动结构(11)包括设有第一端(12a)和第二端(12b)的主管道(30)，第一端(12a)连接至供水装置，第二端(12b)与连接至核反应堆的初级回路的回路连接，并且可移动装置在这两端之间的水循环方向上包括泵(14)、水加热装置(15)、将粉末状中子吸收元素注入该管道的水中的连续注入装置(20)、将粉末与水混合的第一混合及溶解系统(25)、以及驱动和控制水的流速和被注入粉末的流速的装置。

Description

注入含中子吸收元素的水以冷却危险状态的核反应堆堆芯的 组件和方法

技术领域

本发明涉及在危险状态下，例如在电力全部丧失且冷却系统失效的情况下用于注入含中子吸收元素的水以冷却核反应堆堆芯的设备和方法。

背景技术

加压水核反应堆包括槽，该槽包围核反应堆堆芯和初级回路，该初级回路确保与槽内的核反应堆堆芯接触的加压水进行循环和冷却。

核反应堆的初级回路包括至少一个环路，在该至少一个环路上设有通过第一管道或热段与槽直接联接的蒸汽发电机，确保与堆芯的燃料组件接触而被加热的加压水供给至蒸汽发电机的初级部分。蒸汽发电机的初级部分通过联接管道经由初级泵也连接至槽，具体地，该联接管道包括与槽连接的初级回路的环路的第二管道或冷段。

核反应堆的加压冷却水确保在蒸汽发电机中所供给的水被加热和汽化，以产生驱动涡轮的蒸汽。

可具体地通过向初级回路中注入包含中子吸收元素(例如硼10)的水溶液来对核反应堆的反应进行调节，即，对核反应堆运行时在核反应堆堆芯中产生的中子密度进行调节。

例如，可通过其上设有控制或调节装置(例如蝶阀)和注入装置(例如一个或多个容积泵)的注入管道来使用包含硼的溶液，例如硼酸溶液，该包含硼的溶液被存放在安全注入系统的应急储存器中或者与核反应堆的初级回路的至少一个冷段连接的加压容器中。

当核反应堆断电时，无论是正常断电还是意外断电，都必须将剩余电力从堆芯排出以避免燃料组件熔化。

此外，必须对断电的初级反应堆回路进行硼化以控制堆芯的反应。

即便在核电厂无法获得电力供给的情况下也必须确保这些功能。

在完全丧失电源供给和冷却系统的情况下，必须尽快启动连续注入包含中子吸收元素的水的装置，这种水例如是包含具有硼10的天然同位素含量的最少2500ppm的硼的水，并且在20-90立方米/小时的流速下注入。必须在反应堆断电后，迅速注入包含中子吸收元素(具体而言，硼10)的水，如果延迟，燃料组件将会开始熔毁。

如果不能避免燃料组件受损，也必须注入包含中子吸收元素的水以将堆芯保持在次临界冷却状态。必要流速随核反应堆堆芯中存在的剩余电力而变化。

至今预见的意外管理场景考虑到完全丧失现有冷却系统中电力供给，或者因主初级回路破坏而完全丧失散热材料。

然而，这些场景没有考虑到二者的组合。

为了弥补这种情况，必须将剩余电力从堆芯排出以通过连续注入包含由硼构成的中子吸收元素的水来避免燃料组件熔毁。

一种解决方案是使用现场的油布(tarpaulin)并且在紧急状况下，使用水和硼的混合物连续地填充该油布。

然而，在危险状态下传送在核反应堆的区域外部所准备的大量包含硼的水是困难的。

本发明试图提出一种用于注入包含中子吸收元素的水的组件，其能够避免这些问题并能够在核反应堆电力全部丧失的情况下运行。

发明内容

因此，本发明涉及用于在危险状态下注入包含中子吸收元素的水以使核反应堆堆芯冷却的组件，其特征在于，所述组件包括可移动结构，所述移动结构包括主管道，该主管道的第一端连接至供水装置，主管道的第二端与连接至核反应堆的初级回路的回路连接，为确保水循环，该组件在第一端与第二端之间包括：

-泵；

-将粉末状中子吸收元素连续注入到主管道的水中的注入装置；

-用于将粉末状中子吸收元素混合到并溶解于水中的第一系统； 以及

-对水的流速和被注入粉末的流速进行驱动和控制的装置。

根据本发明的其它特征；

-主管道在泵与注入装置之间包括用于加热水的装置，所述用于加热水的装置通过驱动装置控制，

-组件包括第二管道，该第二管道具有连接至供水装置的第一端、以及第二端，所述第二端在第一混合系统与主管道的第二端之间连接至主管道，

-该第二管道包括泵，

-主管道在第二管道的第二端与主管道的第二端之间包括第二辅助系统，第二辅助系统用于将粉末状中子吸收元素和来自第二管道的水混合，

-第一混合及溶解系统由机械混合器和超声诱导器形成，该第一混合及溶解系统由驱动装置控制，

-第二混合系统由机械混合器形成，以及

-主管道中水的流速小于第二管道中水的流速。

本发明还涉及用于在危险状态下利用诸如如上所述的组件使核反应堆堆芯冷却的方法，其特征在于：

-将可移动结构运输至罩住发生故障的核反应堆的建筑物的附近，

-将主管道的第一端连接至供水装置，将该主管道的第二端连接至与核反应堆的初级回路连接的回路，

-通过驱动装置控制主管道的泵、将粉末状中子吸收元素注入到主管道的水中的装置、以及用于将粉末形式的中子吸收元素混合并溶解于水中的第一系统，

-将包含已溶解的中子吸收元素的水供给至核反应堆的初级回路以使核反应堆堆芯逐步地冷却，以及

-通过驱动装置控制水的流速和粉末的流速以及第一混合及溶解系统。

根据本发明的其它特征：

-主管道中的水被加热，并且水温通过驱动装置控制，

-该方法包括：

-将第二管道的第一端连接至供水装置，

-通过驱动装置控制第二管道的泵，

-来自第二管道的水在所述第一混合及溶解系统与所述主管道的第二端之间注入主管道，

-通过驱动装置控制第二混合系统以提供粉末与水的次级混合物，

-将包含中子吸收元素的水供给至核反应堆的初级回路，以及

-通过驱动装置控制主管道和第二管道中的水的流速、粉末的流速、以及第一混合及溶解系统和第二混合系统。

附图说明

通过示例并参考附图给出的以下描述，本发明的特征和优点将是显而易见的，在附图中：

图1是根据本发明用于注入包含中子吸收元素的水的组件的第一实施方式的示意图；以及

图2是根据本发明用于注入包含中子吸收元素的组件的第二实施方式的示意图。

具体实施方式

在附图中，示意性地示出了例如在电力和冷却装置完全失效的危险情况下用于注入包含诸如硼10的中子吸收元素的水的组件的两个实施方式。

使用了可溶形式的硼，例如，硼酸或硼酸盐。

在这些附图中，示意性地示出了核反应堆堆芯，其参考标记为1，以更大比例示出的冷却组件的参考标记为10。

冷却组件10包括紧凑的可移动结构11，可移动结构11具有有限的重量和尺寸并且适于通过陆运或海运交通工具或通过直升飞机运 送。

该结构11例如包括底架(chassis)，该底架包含通过注入包含诸如硼10的中子吸收元素的淡水或盐水来冷却核反应堆堆芯的全部元件。

根据图1所示的第一实施方式，可移动结构11具有主管道12，主管道12的第一端12a例如通过公知连接器连接至淡水或盐水供给装置13。主管道12包括第二端12b，第二端12b连接到通过已有龙头2与核反应堆的初级回路连接的回路上，已有龙头2使得包含中子吸收元素的水注入该初级回路。

为此，主管道12在第一端12a与第二端12b之间的水循环方向上包括泵14和用于对在主管道12内循环的水加热的装置15。该加热装置15例如由传统的电环加热系统或由任何其他适当的公知加热系统形成。

主管道12在加热装置15的下游还包括将具有粉末状中子吸收元素的水连续注入的装置20以及用于使该粉末混合并溶解在水中的第一系统25。

注入装置20例如由螺旋输送器21形成，螺旋输送器21的入口连接至进料器22，粉末状中子吸收元素例如通过未示出的公知装入机(desacking machine)连续地排放到进料器22中。

第一混合及溶解系统25由使水和粉末状中子吸收元素混合的机械混合器形成，并且通过增加粉末在水中溶解效能的超声诱导器(未示出)来增强机械混合(mechanicalbrewing)。

通过公知的驱动装置(未示出)来控制各种因素，即，泵14的运行或停止、加热装置15、水和粉末状中子吸收元素的流速、以及第一混合及溶解系统25。

因此，水和粉末的流速被控制并且水被加热，以避免粉末状中子吸收元素结晶。

在图2中示出了第二实施方式，其中与前述实施方式相同的元件由相同的参考标记表示。

根据图2的第二实施方式的注入组件10也包括可移动结构11， 该可移动结构11包括具有泵14的主管道12、加热装置15、使粉末状中子吸收元素连续注入主管道的水中的注入装置20、以及用于将粉末混合及溶解于主管道12的水中的第一系统25。

在第二实施方式中，该结构11还包括第二管道30，第二管道30具有第一端30a，第一端30a通过公知的连接器连接至淡水或盐水供给装置。第二管道30还包括第二端30b，第二端30b在第一混合及溶解系统25与主管道12的第二端12b之间连接至主管道12。第二管道30还包括通过驱动装置控制的泵31。

在图2所示的该实施方式中，主管道12在第二管道30的第二端30b与主管道12的第二端12b之间包括第二辅助系统26，第二辅助系统26用于将粉末状中子吸收元素和来自第二管道30的水进行混合。

第二混合系统26由机械混合器形成，该机械混合器也通过驱动装置控制。

通常，主管道12中水的流速小于第二管道30中水的流速。例如，主管道12中的流速为0.5-5l/s(升/秒)，而第二管道中水的流速为10-50l/s。第二管道30中的水处于室温。

现在参照图2所示的实施方式，将对注入组件10的操作进行描述。

在核反应堆处于丧失电力和冷却系统的危险状态的情况下，通过适当的运输装置将结构11运送到罩住反应堆的建筑物附近。

当结构11就位时，将其连接至外部电源，并将主管道12的第一端12a和第二管道30的第一端30a连接至淡水或盐水供给装置。

同样地，将主管道12的第二端12b连接至通向核反应堆的初级回路的回路。

接着，操作人员启动驱动装置，以便启动泵14和31、加热装置15、使粉末状中子吸收元素连续注入主管道12的水中的注入装置20、用于将粉末混合并溶解的第一系统25、以及用于混合该粉末的第二辅助系统26。

粉末被连续地注入进料器22，螺旋输送器21将粉末连续地注入主管道12内部的被预热的水中。

通过第一系统25执行的机械混合使水和粉末立即混合，第一系统 25的超声诱导器增强粉末状中子吸收元素在水中的溶解效能。在线的加热装置15增加了粉末状中子吸收元素溶解速度并阻止其结晶。作为示例，主管道12中水的流速为0.5-51/s。

将包含已溶解的中子吸收元素的水注入第二混合系统26中，确保在来自第二管道30的、处于室温的且更高流速的水流中稀释包含中子吸收元素的水。

作为示例，第二管道30中水的流速10-501/s。

在主管道12的第二端12b处，水和溶解在水中的中子吸收元素被注入到危险状态下核反应堆的初级回路中，以通过利用充分流速的包含足够中子吸收元素的水冷却堆芯来阻止堆芯熔毁，以及在该注入系统投入运行太迟不能阻止严重事故的情况下减缓或停止堆芯熔毁。

在结构11仅包括主管道12的情况下，如图1所示，包含已溶解的中子吸收元素的水在第一混合及溶解系统25的出口处直接注入到核反应堆的初级回路中。

构成注入组件10的元件通过驱动装置来控制，以便获得包含中子吸收元素的混合物，该混合物确保中子被捕获，并确保核反应堆的有效冷却。

根据本发明的注入组件具有紧凑的优点，并且其重量和尺寸适于通过陆运或海运交通工具或通过直升飞机运输。

该组件可以远程存放并且根据需要快速地运送至现场。

使用粉末状而非液态的冷却剂可以减轻重量，并且该组件适于盐水或淡水供给装置，这避免了将粉末溶解于缓冲油布的步骤，该步骤非常繁琐并且需要混合及加热装置以及将水从一个油布转移至另一个的转充装置(transfilling device)。

根据本发明的组件允许中子吸收元素直接溶解于水，并允许将如此获得的混合物以所需的流速连续地注入。

Claims (13)

1.一种用于在危险状态下注入包含中子吸收元素的水以使核反应堆的堆芯冷却的组件，其特征在于，所述组件包括可移动结构(11)，所述可移动结构(11)包含主管道(12)，所述主管道(12)的第一端(12a)连接至供水装置，所述主管道(12)的第二端(12b)与连接至所述核反应堆的初级回路的回路连接，并且为确保水循环，所述可移动结构(11)在所述第一端(12a)与第二端(12b)之间包括：

-泵(14)；

-将以粉末状中子吸收元素连续注入到所述主管道(12)的水中的注入装置(20)；

-用于将所述粉末状中子吸收元素混合到且溶解于水中的第一系统(25)；以及

-用于控制水的流速和所述粉末状中子吸收元素的流速的控制装置。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述主管道(12)在所述泵(14)与所述注入装置(20)之间包括用于加热水的装置(15)，所述用于加热水的装置(15)通过所述控制装置控制。

3.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述组件包括第二管道(30)，所述第二管道(30)具有第一端(30a)和第二端(30b)，所述第二管道(30)的所述第一端(30a)连接至供水装置，所述第二管道(30)的所述第二端(30b)在所述第一系统(25)与所述主管道(12)的所述第二端(12b)之间连接至所述主管道(12)，所述第二管道(30)包括泵(31)。

4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述主管道(12)在所述第二管道(30)的所述第二端(30b)与所述主管道(12)的所述第二端(12b)之间包括第二辅助系统(26)，所述第二辅助系统(26)用于将所述粉末状中子吸收元素和来自所述第二管道(30)的水进行混合。

5.根据权利要求1、2和4中任一项所述的组件，其特征在于，所述第一系统(25)通过由驱动装置控制的机械混合器和超声诱导器形成。

6.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述第一系统(25)通过由驱动装置控制的机械混合器和超声诱导器形成。

7.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述第二辅助系统(26)由机械混合器形成。

8.根据权利要求4、6和7中任一项所述的组件，其特征在于，所述主管道(12)中水的流速小于所述第二管道(30)中水的流速。

9.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述主管道(12)中水的流速小于所述第二管道(30)中水的流速。

10.根据权利要求5所述的组件，其特征在于，所述主管道(12)中水的流速小于所述第二管道(30)中水的流速。

11.一种在危险状态下利用根据权利要求1-10中任一项所述的组件冷却核反应堆的堆芯的方法，其特征在于：

-将所述可移动结构(11)运送至发生故障的核反应堆的建筑物附近，

-将所述主管道(12)的所述第一端(12a)连接至供水装置，将所述主管道(12)的所述第二端(12b)连接至与所述核反应堆的初级回路连接的回路，

-通过控制装置控制所述主管道(12)的所述泵(14)、将所述粉末状中子吸收元素注入到所述主管道的水中的注入装置(20)以及用于将所述粉末状中子吸收元素混合到并溶解于水中的第一系统(25)，

-将包含已溶解的中子吸收元素的水供给至所述核反应堆的所述初级回路，以逐步地冷却所述核反应堆的堆芯，以及

-通过所述控制装置控制水和所述粉末状中子吸收元素的流速以及所述第一系统(25)。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述主管道(12)中的水被加热，并且水温通过所述控制装置控制。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于：

-将第二管道(30)的第一端(30a)连接至供水装置，并且将所述第二管道(30)的第二端(30b)在所述第一系统(25)与所述主管道(12)的所述第二端(12b)之间连接至所述主管道(12)，

-通过所述控制装置控制所述第二管道(30)的所述泵(31)，

-来自所述第二管道(30)的水在所述第一系统(25)与所述主管道(12)的所述第二端(12b)之间注入所述主管道(12)，

-通过所述控制装置控制位于所述第二管道(30)的所述第二端(30b)与所述主管道(12)的所述第二端(12b)之间的第二辅助系统(26)，以便提供所述粉末状中子吸收元素与水的第二混合物，

-将包含所述中子吸收元素的水供给至所述核反应堆的所述初级回路，以及

-通过所述控制装置控制所述主管道(12)和第二管道(30)中的水的流速、所述粉末状中子吸收元素的流速以及所述第一系统(25)和所述第二辅助系统(26)。