CN103545001B - 使用安全注入箱的非能动安全注入系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用安全注入箱的非能动安全注入系统。非能动安全注入系统包括：安全壳；反应堆，其安装在安全壳中；安全注入箱，其安装在安全壳中；安全注入管线，其在反应堆或反应堆冷却剂系统与每个安全注入箱之间，以当由于发生冷却剂损失事故而使反应堆中的水位降低时将存储在安全注入箱中的水引导到反应堆中；以及压力平衡管线，其在反应堆或反应堆冷却剂系统与安全注入箱之间，以当发生冷却剂损失的事故时将来自反应堆的高温蒸汽引导到安全注入箱。安全注入管线在其上具有节流孔与止回阀，并且压力平衡管线在其上具有节流孔与隔离阀。安全注入箱中的水向反应堆中稳定地流入数小时。

Description

使用安全注入箱的非能动安全注入系统

技术领域

本发明通常涉及一种使用安全注入箱的非能动注入系统，并且更具体地，涉及一种使用在发生冷却剂损失事故时能够通过单独地或连续地使用由气压和/或重力产生的差压头而非使用安全注入泵来将存储在安全注入箱中的水向反应堆安全供给数小时的安全注入箱的非能动安全注入系统。

背景技术

与典型的工业发电站不同，核电站在反应堆已经关停（shutdown）以后的相当长的时间仍从反应堆堆芯产生余热，并且产生的余热量随着时间的流逝而快速减少。因此，当发生事故时核电站具有用于确保安全的多种安全设施。

在若干安全设施中，存在作为主系统的安全注入系统与余热移除系统以确保堆芯的完整性。当由于发生诸如与反应堆连接的管线破裂的冷却剂损失事故而使反应堆的冷却剂损失时，安全注入系统便补充冷却剂，并且余热移除系统将反应堆的显热（sensible heat）以及反应堆堆芯关停以后从堆芯发出的余热移除。

换句话说，商用反应堆（回路式加压水反应堆）的非能动反应堆包括堆芯补水箱（高压安全注入）、加压式安全注入箱（中压安全注入）、以及安全壳内换料用水存储箱（低压安全注入）。商用反应堆的能动反应堆包括高压安全注入泵、加压式安全注入箱（中压安全注入）、以及低压安全注入泵（近来集成在高压安全注入中的低压安全注入）。

应用于商用反应堆的安全注入箱是当由于发生大破口（large break）冷却剂损失事故而使反应堆的内部压力快速减小时，通过利用安全注入箱中的加压氮气的压力而将冷却水快速供给到反应堆中的装置。换句话说，安全注入箱设计为克服大破口冷却剂损失事故。安全注入箱是在冷却剂实际上以安全注入流速从重力式非能动安全注入系统或高压安全注入泵注入以前确保时间裕度的设备，并且安全注入箱被短时间使用（在运行以后约1-4分钟）。

因此，当由于在能动反应堆中发生大破口冷却剂损失事故而使反应堆的压力快速减小时，能动反应堆的安全注入系统以“加压式安全注入箱→高压安全注入泵”的顺序操作。当由于在能动反应堆中发生小破口冷却剂损失事故而使反应堆的压力缓慢减小时，能动反应堆的安全注入系统以“高压安全注入泵→加压式安全注入箱”的顺序操作。

当在非能动反应堆中发生大破口冷却剂损失事故或小破口冷却剂损失事故时，非能动安全注入系统在两种情形中具有“堆芯补水箱→加压式安全注入箱→安全壳内换料用水存储箱”的相同的操作顺序。然而，由于诸如堆芯补水箱的重力式箱代表低重力头（low gravitational head），因此注入流速低。因此，在发生大破口冷却剂损失事故的初始阶段中，从加压式安全注入箱注入的冷却剂的注入流速占注入到堆芯中的冷却剂的安全注入流速的大部分。此外，在非能动反应堆中操作自动降压系统以减小反应堆的压力，从而使得可以流畅地执行诸如来自安全壳内换料用水存储箱的注入的重力式安全注入。

与此同时，如图7中所示，为了确保在高压安全注入泵运行以前的充足的时间裕度，在安装于韩国的商用反应堆的一部分中的加压式安全注入箱中设置射流装置以便于用漩涡流进行二级流速改变。根据应用到韩国的商用反应堆的部分的射流装置，此射流装置装配有竖管与涡流室，并且在暴露竖管以前表现弱流阻。在暴露竖管以后，利用其中通过在漩涡室中形成强漩涡流而增加射流装置的流阻的现象，并且在完成射流装置的安全注入的时间点之前，持续地利用氮气压力。

图8中示出了将射流装置安装在上述安全注入箱中以及未安装射流装置的情形的主要特征。

此外，分别在2004年2月5日、2008年8月28日、以及2008年3月10日公布的注册号为10-419194、10-856501、与10-813939的韩国专利中公开了使用保护容器、加压式安全注入箱、以及与一体式反应堆相关的非能动残余热移除系统的紧急堆芯冷却方案。已经开发了其中应用保护容器的具有类似构思的反应堆（IRIS，Nuscale，U.S.）。

然而，由于保护容器是小于安全壳厂房（安全壳容器或反应堆厂房）并且大于反应堆的压力容器，因此保护容器在解决与下述情况相关的问题时具有很大困难：容器的制造与运输、长期的构建工作、当发生冷却剂损失事故时在高温与高压环境下安装在保护容器中的装置的完整性、以及换料与维护的方便性。

在根据相关技术的回路式非能动反应堆(在美国的AP1000)中，通过使用堆芯补水箱、加压式安全注入箱、安全壳内换料用水存储箱、以及再循环流动通道来构造非能动安全注入系统。非能动安全注入系统设计为，在发生冷却剂损失事故的初始阶段中将堆芯补水箱和安全注入箱的冷却水供给反应堆，并且在事故的中间阶段与后期阶段在供给安全壳内换料用水存储箱的冷却剂以后将冷却水填充到反应堆的外侧中以使冷却剂再循环。其中，在堆芯补水箱中，压力平衡管线与高温管线连接，并且隔离阀安装在安全注入管线上。堆芯补水箱设计为具有与反应堆相同的压力。因此，当出于使用数小时的目的而将箱子设计成大尺寸时，极大地增加了生产成本，并且扩张了反应堆的压力边界。

此外，由于所述安全注入箱与应用于回路式能动反应堆的安全注入箱类似，因此所述安全注入箱对于使用数小时的目的来说是不充足的。此外，与回路式反应堆不同，由于一体式反应堆基本地消除了大破口冷却剂损失事故，因此即使发生冷却剂损失事故反应堆也能在高压下保持数小时。因此，一体式反应堆在通过保护容器不增加反应堆的外部压力的情况下（压力平衡）通过重力将外部冷却水注入到一体式反应堆中具有困难。

此外，出于为发生大破口冷却剂损失事故做准备的目的，根据相关技术的回路式能动反应堆采用加压安全注入系统与安全注入泵来构造安全注入系统。在通过操作安全注入泵实现适当的安全注入性能以前、发生大破口冷却剂损失事故的初始阶段的堆芯暴露期间，，加压式安全注入箱通过利用气压将存储在安全注入箱中的冷却水快速地供给反应堆。通常地说，由于必须在较高的压力下设计应用到商用反应堆的加压式安全注入箱，因此极大地增加了加压式安全注入箱的制造成本，并且安全注入完成早（从几十秒到几分钟的范围内），因此加压式安全注入箱不适于供必须运行数小时的安全注入系统使用。

发明内容

因此，在牢记相关技术中发生的上述问题的情况下做出了本发明，并且本发明的一个目的是提供一种使用安全注入箱的非能动安全注入系统，其通过在将安全注入箱与反应堆连接的安全注入管线上安装节流孔，能够将存储在安全注入箱中的水向反应堆中供给数小时。

本发明的另一个目的是提供一种使用安全注入箱的非能动安全注入系统，其中安全注入箱通过安全注入管线与压力平衡管线与反应堆连接，以通过独立地或连续地利用由气压和/或重力产生的差压头将存储在安全注入箱中的水稳定地供给到反应堆中。

为实现这些目的，根据本发明的一个方面，提供了一种使用安全注入箱的非能动安全注入系统。非能动安全注入系统包括：安全壳；反应堆，其安装在安全壳中；安全注入箱，其安装在安全壳中并且其中充满水和氮气；安全注入管线，其一端与所述反应堆的上部接合并且相对端与每个所述安全注入箱的下部接合，以当由于发生冷却剂损失事故而使所述反应堆中的水位降低时，将存储在所述安全注入箱中的水引导到所述反应堆中；以及压力平衡管线，其一端与反应堆的上部接合并且相对端与安全注入箱的上部接合，以当发生冷却剂损失事故时将从反应堆产生的高温蒸汽引导到安全注入箱中。安全注入管线在其上安装有节流孔与止回阀，并且压力平衡管线在其上安装有节流孔与隔离阀。

如上所述，根据使用本发明的安全注入箱的非能动安全注入系统，存储在安全注入箱中的水可以通过安装在安全注入管线上的节流孔向反应堆中流入数小时。

此外，根据使用本发明的安全注入箱的非能动安全注入系统，安全注入箱通过安全注入管线以及压力平衡管线而与反应堆连接，以根据由重力产生的差压头将存储在安全注入箱中的水稳定地供给到反应堆中。

此外，根据使用本发明的安全注入箱的非能动安全注入系统，压力平衡管线插入到安全注入箱中，并且在压力平衡管线的插入端部处形成穿孔，以便部分地执行安全降压功能，并且连续地利用由气压和/或重力形成的差压头，由此将存储在安全注入箱中的水稳定地供给到反应堆中，并且使设备简化。

附图说明

图1是示出使用根据本发明的安全注入箱的非能动安全注入系统的视图。

图2-图4是简要地说明在使用根据本发明的安全注入箱的非能动安全系统中的安全注入箱的水位的视图。

图5示出了描述将根据本发明的安全注入箱应用到非能动安全注入系统的构造中的安全注入流速与反应堆的水位的变化的曲线图。

图6示出了描述在包括根据本发明的堆芯补水箱与安全注入箱的非能动安全注入系统的构造中的安全注入流速与反应堆的水位的变化的曲线图。

图7是示出了根据相关技术的射流装置的形状的视图。

图8是示出根据现有射流装置的安全注入箱的流速特征的变化的曲线图。

具体实施方式

通过下面详细的描述与附图将会更加清楚理解本发明的上述与其它目的、新颖性特征以及其它优点。

在下文中，将参照附图描述根据本发明的结构。

图1是示出使用根据本发明的安全注入箱的非能动安全注入系统的视图。图2-图4是简要地说明在使用根据本发明的安全注入箱的非能动安全系统中的安全注入箱的水位的视图。

使用根据本发明的安全注入箱的非能动安全注入系统包括：安全壳10，其用作安全壳容器或反应堆厂房或保护容器；反应堆20，其安装在安全壳10中；安全注入箱30，其安装在安全壳10中；安全注入管线40，其将反应堆20与安全注入箱30连接起来；以及压力平衡管线50。

在回路式反应堆的情形中，反应堆20与反应堆冷却剂系统相应。此外，安全注入箱30可以安装在安全壳10的外部，或者压力平衡线50可以不按照核电站的要求的特征来安装。

安全壳10是用于当发生反应堆事故时防止多于法规限度的放射性材料排放到超过控制区的环境中的设备。

图1中示出的反应堆20包括安装在反应堆容器中的诸如堆芯21、蒸汽发生器22、增压器23、以及反应堆冷却剂泵24的叶轮的主装置。反应堆容器在其中保存了大量的冷却水W。供给水管线P1以及蒸汽管线P2与反应堆20的蒸汽发生器22连接，并且各种小的管线与反应堆20连接以便于反应堆20的操作。

安全注入箱30通过安全注入管线40以及压力平衡管线50与反应堆20连接。安全注入箱30不仅在其中存储水W而且还在其中充满了气体以使水W加压。在安全注入箱30中填充的气体通常地是氮气。

安全注入管线40的一端与反应堆20的上部接合并且相对端与安全注入箱30的下端接合。如果由于诸如管线破裂的事故而发生冷却剂损失事故时，那么反应堆20中的水位便下降。如果在反应堆20中的水位下降，那么由于冷却水的量不足以使反应堆20的堆芯21的温度降低，因此将存储在安全注入箱30中的水供给到反应堆20中以克服冷却水的不足。换句话说，存储在安全注入箱30中的水通过安全注入管线40流入反应堆20中。

上述安全注入管线40在其上安装有节流孔41。节流孔41极大地增加了安全注入管线40的流阻，因此存储在安全注入箱30中的水W可以向反应堆20中缓慢地流入数小时。

此外，安全注入管线40在其上安装有止回阀42。如上所述安装止回阀42以防止在反应堆20正常运行的高压下，水W从反应堆20倒流到安全注入箱30。

压力平衡管线50将反应堆20与安全注入箱30连接起来，并且压力平衡管线50的一端与反应堆20的上端或上部接合以及相对端与安全注入箱30的上部接合。因此，如果发生冷却剂损失事故，那么从反应堆20产生的高温蒸汽G便沿着压力平衡管线50流动，以将高温蒸汽G供给到安全注入箱30中。

在回路式反应堆的情形中，压力平衡管线与安全注入管线与反应堆冷却剂系统相连接。

压力平衡管线50在其上安装有隔离阀51，因此当发生冷却剂损失事故时，如果为了使隔离阀51作用而将反应堆20的压力减小到设定值或者更小，那么隔离阀51就自动地打开。如果闭合的隔离阀51打开，那么从反应堆产生的高温蒸汽G便被供给到安全注入箱30中。隔离阀51可以安装在与压力平衡管线50连接的两个分支管线50-1上，以使得可以通过两个分支管线50-1独立地操作隔离阀51。因此，可以考虑隔离阀的单一故障，并且可以确保隔离阀51的关闭与打开。

安装在压力平衡管线50上的全部四个隔离阀51都储备来自电池的能量，以为能量损失做准备，以使压力平衡管线50可以被打开或闭合。详细地说，隔离阀51通常通过普通能量管线接收能量，并且在紧急情形中通过储备能量来打开/关闭压力平衡管线50。

因此，如果发生冷却剂损失事故，那么隔离阀51便根据操作信号打开，并且从反应堆20产生的高温蒸汽G便沿着压力平衡管线50流动，以将高温蒸汽G供给到安全注入箱30中。

此外，压力平衡管线50可以在其上安装有节流孔52。更详细地说，节流孔52可以安装在插入于隔离阀51与安全注入箱30之间的压力平衡管线50上。节流孔52安装在压力平衡管线50上，以当从反应堆20产生高温蒸汽G时缓解过度的压力波动并且根据管线与阀的布置来调节管线的流阻的变化，从而使得能够容易地设计此管线。

与此同时，将压力平衡管线50的相对端插入到安全注入箱30中，并且在其插入部分设有多个穿孔50a。更详细地说，将压力平衡管线50的相对端浸没在存储在安全注入箱30中的水中。

如果安全注入箱30的水位降低，那么压力平衡管线50的相对端（其中设有穿孔50a并且浸没在存储在安全注入箱30中的水中）便暴露到安全注入箱30内部的氮气气氛中，以使填充在安全注入箱30中的氮气与从反应堆20供给到安全注入箱30中的高温蒸汽G相互交换。

关于在压力平衡管线50中的气体与蒸汽的流动，反应堆20的内部设置为高压，而安全注入箱30的内部设置为比反应堆20的正常操作压力更低的低压与中压。如果在此状态中发生诸如管线破裂的冷却剂损失事故，那么反应堆20的内部压力就会减小。如果为了此后使隔离阀51作用而将反应堆20的压力减小到设定值或更小，那么安装在压力平衡管线50上的隔离阀51便打开，以便将从反应堆20的内部产生的高温蒸汽G供给到安全注入箱30中并且冷凝。因此，如果在发生冷却剂损失事故的初始阶段中打开隔离阀51，那么存储在安全注入箱30中的水W的水位就会升高。

接着，如果由于持续排放并且通过非能动余热移除系统冷却来自反应堆20的蒸汽G而使反应堆20的压力减小，并且如果由于持续供给来自反应堆20的蒸汽G以及持续减小反应堆20的压力而使安全注入箱30的内部压力增加到比反应堆20的内部压力大，那么便会利用填充在安全注入箱30中的氮气通过安全注入管线40将存储在安全注入箱30中的水W供给到反应堆20中。

在隔离阀51打开并且反应堆20的内部压力高于安全注入箱30的压力的状态中，安全注入箱30用作用于容纳从反应堆20排放的蒸汽G的降压箱，并且隔离阀51用作安全降压阀。此后，如果存储于安全注入箱30中的水W的水位减小到达到压力平衡管线50的插入在安全注入箱30中的相对端，便在反应堆20与安全注入箱30之间形成蒸汽G与氮气的通道，以使蒸汽G与氮气可以通过此通道进行交换。如果蒸汽G与氮气交换，那么致使安全注入箱30的内部压力与反应堆20的内部压力平衡，由于存储在安全注入箱30中的水位与存储在反应堆20中的水位之间的差（即，重力差压头），因此使存储在安全注入箱30中的水W被持续地供给到反应堆20中。由于安全注入箱30的水位比反应堆20中的水位高，因此水通过重力从安全注入箱30流动到反应堆20。

更详细地说，当压力平衡管线50的具有穿孔50a的相对端浸没在存储于安全注入箱30中的水W中时，从反应堆20供给的高温蒸汽G在安全注入箱30中冷凝，从而使存储在安全注入箱30中的水W的水位升高，同时水W的温度增加，并且安全注入箱30的内部的氮气压力增加。

此后，当将存储在安全注入箱30中的水W持续地供给到反应堆20中时，浸没在水W中的压力平衡管线50的具有穿孔50a的相对端暴露出，通过穿孔50a从反应堆20供给的高温蒸汽G与安全注入箱30中的氮气交换，从而使得反应堆20与安全注入箱30一起达到压力平衡。

如果使反应堆20与安全注入箱30一起达到压力平衡，那么由于安全注入箱30与反应堆20的差压头而非氮气压力，存储在安全注入箱30中的水W便供给到反应堆20中。

换句话说，由于安全注入箱30布置为比反应堆20更高，因此存储在安全注入箱30中的水W的水位比存储在反应堆20中的冷却水W的水位更高。因此，由于安全注入箱30与反应堆20之间的水位差，存储在安全注入箱30中的水W便被供给到反应堆20中。

如上所述，本发明涉及待安装到反应堆中的安全注入系统，其基本上消除了如同一体式反应堆的大破口冷却剂损失事故。更具体地说，本发明涉及在事故发生以后通过使用诸如存在于系统中的气压或重力的自然力而非使用诸如安全注入泵的泵来在残余热显著减少前的相当长的时间期间执行安全注入的非能动安全注入系统，并且涉及在发生事故的中间阶段与后期阶段操作的并且执行安全注入数小时的非能动安全注入系统。非能动安全系统设计为，即使当发生设计基础事故时不能使用包括设置在核电站中的应急柴油发电机的外部交流电力系统，在操作者未采取行动的情况下，也能安全地保持反应堆数小时（当前要求72小时或更多）。

当与其中可能发生大破口冷却剂损失事故的回路式反应堆相比，在一体式反应堆中不会发生大破口冷却剂损失事故。因此，如果在一体式反应堆中发生冷却剂损失事故，那么反应堆的压力便缓慢地减小。

根据上述特征，根据一体式反应堆的用于安全注入的要求的特征（72小时操作），通过改进应用到根据相关技术的商用反应堆的加压式安全注入箱来构造本发明。

以加压式、重力式、及其混合式构造本发明，并且以此种方式构造使得一种类型的安全注入箱具有高流速（安全注入箱，加压式）与低流速（安全注入，重力式），其特征在于改进了根据相关技术的高流速-中流速-低流速安全注入系统。另选地，本发明以此种方式构造，使得另外地应用堆芯补水箱（高流速，重力式），并且安全注入箱具有中流速（安全注入箱，加压式）与低流速（安全注入箱，重力式）特征。

在图5中示出了当一种类型的安全注入箱具有高流速（安全注入箱，加压式）与低流速（安全注入，重力式）特征时，安全注入流速与反应堆的水位的变化。在图6中示出了当额外地应用堆芯补水箱（高流速，重力式）并且安全注入箱具有中流速（安全注入箱，加压式）与低流速（安全注入箱，重力式）特征时，安全注入流速与反应堆的水位的变化。

图5示出了描述应用根据本发明的安全注入箱的非能动安全注入系统的构造中的安全注入流速与反应堆的水位的变化的曲线图。图6示出了描述包括根据本发明的堆芯补水箱与安全注入箱的非能动安全注入系统的构造中的安全注入流速与反应堆的水位的变化的曲线图。

如图5和图6中所示，如果应用根据本发明的安全注入箱，那么当发生冷却剂损失事故时，不会暴露堆芯，并且适当地执行安全注入。然而，图5和图6示出了根据本发明的详细实施方式中的一个。可以根据本发明的设计应用，诸如设计压力、操作压力、气压、流体体积、箱直径、箱高度、箱容量、以及安全注入箱的插入管的深度，使安全注入性能提高或变差。

此外，如图7中所示，直到完成安全注入的时间点时，才利用漩涡现象、并且利用氮气压力将根据相关技术的射流装置安装在加压式安全注入箱的下部上。然而，本发明与相关技术的区别在于，根据本发明的安全注入箱用作降压箱，在安全注入箱的上部中安装有插入管，安全注入箱利用一种现象，在该现象中当安全注入箱的类型改变到与堆芯补水箱的类型相似的压力平衡式（重力式）时，在加压式安全注入完成（替代漩涡流）的时间点，注入流速改变。

详细地说，在流速变化方面，除了降压箱的功能以外，根据相关技术的射流装置的目的与本发明的目的类似。然而，相关技术与本发明基本上具有以下区别。尽管根据相关技术的射流装置利用下述现象，即在流速变化的时间点处由于漩涡流而使流阻增加，因此流速减小，但是本发明利用下述现象替代了增加流阻的现象，所述现象即用于安全注入的驱动力从气压改变到重力以使流速减小。

尽管出于说明的目的描述了本发明的优选实施方式，但是本领域中的技术人员应该理解的是，在不偏离如在所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，能够进行多种修改、增加与替换。

Claims (6)

1.一种使用安全注入箱的非能动安全注入系统，所述非能动注入系统包括：

安全壳；

反应堆，其安装在所述安全壳中；

安全注入箱，其安装在所述安全壳中并且其中充满了水与氮气，以便通过所述安全注入箱能够同时实现气压式非能动安全注入系统和压力平衡重力式非能动安全注入系统的功能；以及

安全注入管线，其一端与所述反应堆或反应堆冷却剂系统的上部接合并且相对端与每个所述安全注入箱的下部接合，以当由于发生冷却剂损失事故而使所述反应堆中的水位降低时，将存储在所述安全注入箱中的水引导到所述反应堆中，其中，在所述安全注入管线上安装有节流孔，

并且，所述反应堆或反应堆冷却剂系统与所述安全注入箱还通过压力平衡管线相连接，且所述平衡管线上安装有隔离阀，

其中，所述压力平衡管线，其一端与所述反应堆或所述反应堆冷却剂系统的上部接合，且其相对端与所述安全注入箱的上部接合，并且当发生冷却剂损失事故时所述隔离阀打开，以便将从所述反应堆产生的高温蒸汽供给到所述安全注入箱中。

2.根据权利要求1所述的非能动安全注入系统，还包括安装在插入所述反应堆或所述反应堆冷却剂系统与所述安全注入箱之间的所述安全注入管线上的止回阀。

3.根据权利要求1所述的非能动安全注入系统，其中，所述隔离阀安装在与所述压力平衡管线连接的两个分支管线上，以便通过两个分支管线独立地操作所述隔离阀。

4.根据权利要求1所述的非能动安全注入系统，其中，所述隔离阀从电池接收动力，以使所述压力平衡管线打开或关闭。

5.根据权利要求1所述的非能动安全注入系统，还包括安装在插入所述反应堆或所述反应堆冷却剂系统与所述安全注入箱之间的所述压力平衡管线上的节流孔。

6.根据权利要求1所述的非能动安全注入系统，其中，所述压力平衡管线的相对端插入到所述安全注入箱中，并且在其插入部分设有多个穿孔。