CN103971764A - 多段式安全注入装置和具有该多段式安全注入装置的无源安全注入系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多段式安全注入装置，包括：安全注入水箱，该安全注入水箱形成为容纳当事故发生时通过水重力头注入反应堆容器的冷却剂，在该事故中反应堆容器的压力或水位减小；压力平衡管线，该压力平衡管线连接到反应堆容器和安全注入水箱以形成反应堆容器和安全注入水箱之间的压力平衡状态；以及一组安全注入管线，该组安全注入管线连接到安全注入水箱和反应堆容器以在反应堆容器和安全注入水箱之间的压力平衡状态下将冷却剂注入到反应堆容器，并以不同高度连接到安全注入水箱以根据安全注入水箱的水位减小逐渐降低注入反应堆容器的冷却剂流速。

Description

多段式安全注入装置和具有该多段式安全注入装置的无源安全注入系统

技术领域

本发明涉及当发生反应堆事故时能够将冷却剂逐步注入反应堆容器的多段式安全注入装置以及具有该多段式安全注入装置的无源安全注入系统。

背景技术

反应堆可根据安全系统的构型或主部件的安装位置来分类。根据安全系统的特征，反应堆可分类成i)使用诸如泵等的有源力的有源反应堆ii)使用诸如重力、压力等的无源力的无源反应堆。而且根据主部件（蒸汽发生器、增压器和泵推动器）的安装位置，反应堆还可分成i)其中主部件安装在反应堆容器外的循环式反应堆，以及ii)其中主部件安装在反应堆容器内的一体式反应堆。

当在反应堆中发生事故时，多种类型的无源水箱用来向反应堆容器提供紧急冷却水。i)用来在其中大管线破裂成使大量冷却剂流出的大破口失水事故过程中快速提供冷却剂给反应堆的氮气增压的安全注入水箱（储压器）用于国内外的商业循环式水冷反应堆，以及ii)在使得反应堆和水箱之间压力平衡之后使用水重力头的堆芯补水箱附加于氮气增压的安全注入水舱用于诸如AP600、AP1000等的美国威斯丁豪斯无源循环式反应堆中。

在一体式反应堆中，与商业循环式水冷反应堆相反，诸如泵和蒸汽发生器等的主部件安装在反应堆容器内，以及因此没有用来连接主部件的大管线。因此，在连接反应堆容器与诸如化学和容积控制系统、安全注入系统、停机冷却系统、安全阀等的系统的管线中，在一体式反应堆中具有小尺寸。由于这些特征，基本上消除大管线破裂的大破口失水事故。

此外，在一体式反应堆中，主部件安装在存在大量冷却剂的反应堆容器中。因此，当事故，由于诸如管线破裂等的破口的失水事故在一体式反应堆中发生时，反应堆容器内的压力和水位与循环式反应堆相比缓慢减小。即使一体式反应堆具有这些特征，但通常，一体式反应堆要求i)在其中堆芯液位相对快速减小的事故初始阶段的高流速冷却剂安全注入，ii)在其中冷却剂排放流速由于反应堆容器的高内压而相对大的事故早期和中间阶段的中流速冷却剂安全注入，以及iii)在其中冷却剂排放流速由于反应堆容器减小的压力而大大降低的事故中间和末期阶段的低流速冷却剂安全注入。应该注意，一体式反应堆的高流速与商业循环式反应堆中所要求的流速相比小很多。

然而，相关技术领域中氮气增压的安全注入水箱典型地设计成当反应堆容器的内压快速减小时以安全的方式快速注入高流速冷却剂，以及在相关技术领域中堆芯补水箱设计成在使得反应堆容器和堆芯补水箱之间的压力平衡之后由于水重力头以单一模式沿预定通道安全注入。因此，为了弥补在相关技术领域中的该缺点，各种类型的系统根据事故过程中安全注入所要求的特征以复杂的方式用于反应堆中。

例如，i)压力平衡堆芯补水箱（在高压下安全注入）、增压安全注入水箱（在中压下安全注入）、在安全壳中的补水存储水箱（在低压下安全注入）等以复杂方式用于诸如无源增压水冷反应堆AP600、AP1000等的无源安全系统中，以及ii)增压安全注入水箱（在中压下安全注入）、高压安全注入泵、低压安全注入泵等以复杂方式用于有源安全系统中。

因此，将考虑用来根据安全注入反应堆所要求的特征简化以复杂方式构造的安全注入设备以有效注入冷却剂的装置。

发明内容

本发明的一方面是简化以复杂方式构造的安全注入设备。

本发明的另一方面是提供一种安全注入设备，其中当事故发生时，冷却剂注入的流速根据安全注入反应堆所要求的特征变化。

为了完成前述方面，根据本发明实施例的多段式安全注入装置可包括：安全注入水箱，该安全注入水箱构成容纳当事故发生时通过水重力头注入反应堆容器的冷却剂，在该事故中反应堆容器的压力或水位减小；压力平衡管线，该压力平衡管线连接到反应堆容器和安全注入水箱以形成反应堆容器和安全注入水箱之间的压力平衡状态；以及一组安全注入管线，该一组安全注入管线连接到安全注入水箱和反应堆容器以在反应堆容器和安全注入水箱之间的压力平衡状态下将冷却剂注入到反应堆容器，以及以不同高度连接到安全注入水箱以根据安全注入水箱的水位减小而逐步降低注入反应堆容器的冷却剂流速。

根据与本发明相关联的实例，安全注入管线可形成根据安全注入水箱的水位降低而逐步增加的总流阻以减小注入反应堆容器的冷却剂流速。它基于这样一个原理，其中，总合计通道的流阻在用两个组合通道的安全注入情形下比仅用一个通道的减小，以及在三个组合通道情形下比具有两个组合通道的进一步减小。

根据与本发明相关的另一实例，安全注入管线可包括：第一安全注入管线，该第一安全注入管线连接到安全注入水箱的下端部以提供注入通道来将安全注入水箱内充满的冷却剂注入反应堆容器；以及至少一条第二安全注入管线，该至少一条第二安全注入管线以比第一安全注入管线高出预定高度的位置连接到安全注入水箱以提供冷却剂注入通道直到安全注入水箱的水位变成低于预定水位为止。

根据与本发明相关联的另一实例，多段式安全注入装置还包括多个孔，该多个孔中的至少一个安装到每条安全注入管线以用作冷却剂注入的流阻，并构造成根据安全注入水箱的水位减小而逐步增加总流阻。其旨在为每条安全注入管线提供适当流阻，从而当事故发生时，根据反应堆所要求的特征逐步实施适当冷却剂注入。

根据与本发明相关的另一实例，多段式安全注入装置还包括隔离阀，该隔离阀安装在压力平衡管线以阻止冷却剂在正常设备运行过程中从反应堆容器流入安全注入水箱，以及当事故发生时，通过从反应堆容器的压力或水位降低产生的控制信号而指定打开以在反应堆容器和安全注入水箱之间的压力平衡状态下通过水重力头实施冷却剂注入。

根据与本发明相关的另一实例，多段式安全注入装置还包括隔离阀，该隔离阀安装在安全注入管线以阻止冷却剂在正常设备运行过程中在反应堆容器的压力平衡状态下从安全注入水箱流到反应堆容器，以及当事故发生时，通过从反应堆容器的压力或水位降低产生的控制信号而指定打开以实施冷却剂从安全注入水箱注入到反应堆容器。

此外，为了实施前述任务，根据本发明，有公开一种无源安全注入系统。无源安全注入系统可包括：堆芯补水箱，该堆芯补水箱连接到反应堆容器以便当反应堆容器的压力或水位减小的事故发生时保持与反应堆容器的压力平衡状态以及将冷却剂注入到反应堆容器；以及多段式安全注入装置，该多段式安全注入装置连接到反应堆容器以在堆芯补水箱的注入之后在低于堆芯补水箱压力的压力下逐步将冷却剂注入反应堆容器；其中，多段式安全注入装置包括安全注入水箱，该安全注入水箱形成成容纳当事故发生时通过水重力头注入反应堆容器的冷却剂，在该事故中，反应堆容器的压力或水位减小；压力平衡管线，该压力平衡管线连接到反应堆容器和安全注入水箱以形成反应堆容器和安全注入水箱之间的压力平衡，以及连接到反应堆容器和堆芯补水箱以形成反应堆容器和堆芯补水箱之间的压力平衡；以及一组安全注入管线，该一组安全注入管线连接到反应堆容器和安全注入水箱以在反应堆容器和安全注入水箱的压力平衡状态下将冷却剂注入反应堆容器，并以不同高度连接到安全注入水箱以便根据安全注入水箱的水位降低而逐步降低冷却剂注入反应堆容器的流速。

根据与本发明相关的另一实例，无源安全注入系统还包括隔离阀，该隔离阀安装在压力平衡管线以阻止冷却剂在正常设备运行过程中从反应堆容器流入安全注入水箱，以及当事故发生时，通过从反应堆容器的压力或水位降低产生的控制信号而指定打开以在反应堆容器和安全注入水箱之间的压力平衡状态通过水重力头实施冷却剂注入。

附图说明

包括附图以供进一步理解本发明并且附图包含在本申请内且构成其中的一部分，这些附图示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1是示出关于本发明实施例的多段式安全注入装置的概念图；

图2是示出安装有图1中所示的多段式安全注入装置的一体式反应堆的正常设备运行状态的概念图；

图3是示出当在图2中所示的一体式反应堆中发生失水事故时安全设备的运行的概念图；

图4是示出当在图1中所示的多段式安全注入装置中发生失水事故时压力平衡步骤的概念图；

图5是示出在图4之后在多段式安全注入装置中的冷却剂注入步骤（中流速注入步骤）的概念图；

图6是示出在图5之后在多段式安全注入装置中的冷却剂注入步骤（低流速注入步骤）的概念图；

图7是示出在图1到6中所示的多段式安全注入装置和堆芯补水箱中实时冷却剂注入流速的曲线图；

图8是示出关于本发明另一实施例的多段式安全注入装置的概念图；

图9是安装有图8中所示的多段式安全注入装置的一体式反应堆的正常设备运行状态的概念图；

图10是示出当在图9中所示的一体式反应堆中发生失水事故时安全设备的运行的概念图；

图11是示出当在图8中所示的多段式安全注入装置发生失水事故中时压力平衡步骤的概念图；

图12是示出在图11之后在多段式安全注入装置中的冷却剂注入步骤（高流速注入步骤）的概念图；

图13是示出在图12之后在多段式安全注入装置中的冷却剂注入步骤（中流速注入步骤）的概念图；

图14是示出在图13之后在多段式安全注入装置中的冷却剂注入步骤（低流速注入步骤）的概念图；

图15是示出图8中所示的多段式安全注入装置的改型实例的概念图；以及

图16是示出在图8到15中所示的多段式安全注入装置中实时冷却剂注入流速的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更详细地描述关于本发明相的多段式安全注入装置和具有该多段式安全注入装置的无源安全注入系统。即使在根据本发明的不同实施例中，相同或类似附图标记表示相同或类似构造，以及其描述将由早期描述替代。除非明确提到，否则以单数形式在本发明中使用的术语可包括复数的意思。

图1到7是示出关于本发明实施例的多段式安全注入装置的示意图，以及图8到15是示出关于本发明另一实施例的多段式安全注入装置的示意图。

图1是示出关于本发明实施例的多段式安全注入装置100的概念图。

多段式安全注入装置100连接到反应堆容器12，并形成为当由于诸如管线破裂的破口而发生失水事故时使用无源力将冷却剂注入反应堆容器12。然而，在事故之后所要求的冷却剂注入流速根据时间推移可能不是恒定的，以及因此多段式安全注入装置100设计成根据时间推移来改变转换注入冷却剂的流速。

多段式安全注入装置100可包括安全注入水箱110、压力平衡管线120和一组安全注入管线130。

安全注入水箱110形成为其中容纳冷却剂。当发生反应堆容器12的压力或水位减小的失水事故时，储存在安全注入水箱110内的冷却剂由于水重力头从安全注入水箱110注入到反应堆容器12中。水重力头作为在重力场中由位置确定的水头是由设置在比反应堆容器12更高位置的安全注入水箱110形成的能量。因此，从安全注入水箱110到反应堆容器12的冷却剂注入由于水重力头而执行，该水重力头是无源力，且因此不需要从外部提供额外的能量。安全注入水箱110内排出冷却剂的空间充满气体（通常，使用氮气）。

压力平衡管线（反应堆压力平衡管）120连接到反应堆容器12和安全注入水箱110以形成反应堆容器12和安全注入水箱110之间的压力平衡。当压力平衡管线120打开时，诸如蒸汽或水的流体从具有相对高压力的反应堆容器12移动到安全注入水箱110，以及因此反应堆容器12和安全注入水箱110彼此产生压力平衡。从安全注入水箱110到反应堆容器12的冷却剂注入由于水重力头而执行，以及因此应首先形成安全注入水箱110和反应堆容器12的压力平衡以注入冷却剂。孔（未示出）可安装在平衡管线120中以调整从反应堆容器12引入安全注入水箱110的流体流速。

隔离阀121可设置在压力平衡管线120中。设置在压力平衡管线120中的隔离阀121在正常设备运行过程中处于关闭状态以阻止流体从反应堆容器12引入安全注入水箱110。因此，在正常设备运行过程中，反应堆容器12和安全注入水箱110由于隔离阀121而保持隔离状态，以及因此其压力不是处于平衡状态。

当发生反应堆事故时，隔离阀121通过由反应堆容器的压力或水位的降低产生的相关系统的控制信号而打开。当流体从反应堆容器12引入安全注入水箱110以形成反应堆容器12和安全注入水箱110之间的压力平衡时，由于水重力头从安全注入水箱110开始冷却剂注入。

当在其中安装单一隔离阀121时，整个多段式安全注入装置100可能由于隔离阀121故障而无法运行，且因此，多个隔离阀121可分别安装在彼此独立运行的多条分支管线122中，如附图所示。此外，安装在平衡管线120中的隔离阀121通过由反应堆容器12的压力或水位的降低产生的控制信号打开，且因此设计成接收使用电池等的备用电源以便为断电(AC)作准备。

当在平衡管线120中安装隔离阀121时，除非隔离阀121打开，否则反应堆容器12和安全注入水箱110之间的压力不平衡且反应堆容器12的压力高于安全注入水箱110的压力以关闭止回阀132，以及因此即使当没有另外隔离阀（未示出）安装在安全注入管线中时冷却剂也不会从安全注入水箱110注入反应堆容器12。

安全注入管线130连接到安全注入水箱110和反应堆容器12以将安全注入水箱110内的冷却剂注入反应堆容器12。当反应堆容器12和安全注入水箱110之间的压力由于压力平衡管线120而平衡时，安全注入水箱110内充满的冷却剂通过安全注入管线130注入反应堆容器12。

根据本发明，一组安全注入管线130以不同的高度连接到安全注入水箱110以根据安全注入水箱110的水位降低来减小注入反应堆容器12的冷却剂流速。第一安全注入管线130a连接到安全注入水箱110的下端部以提供注入通道直到安全注入水箱110内的冷却剂几乎都注入反应堆容器12为止。第二安全注入管线130b在比第一安全注入管线130a高出预定高度的位置连接到安全注入水箱110以提供冷却剂注入通道直到安全注入水箱110的水位低于预定水位。连接到安全注入水箱的第一安全注入管线130a和第二安全注入管线130b之间的高度差可根据冷却剂注入反应堆所要求的特征而变化。

当冷却剂开始从安全注入水箱110注入反应堆容器12时，冷却剂注入首先通过第一安全注入管线130a和第二安全注入管线130b执行，但当冷却剂的水位变成低于第二安全注入管线130b和安全注入水箱110之间的连接位置时，通过第二安全注入管线130b的冷却剂注入不再执行（除非另外在本发明的上下文中有不同说明，第二安全注入管线130b的安装高度表示位置130b’，在该位置第二安全注入管线130b连接到安全注入水箱110）。因此，注入反应堆容器12的冷却剂的整体流速减小的量与通过第二安全注入管线130b注入的冷却剂流速一样大。

即使当冷却剂通过第一安全注入管线130a和第二安全注入管线130b注入时，水头差随安全注入水箱110内的水位减小而减小，以及因此冷却剂注入的流速减小到一定程度。类似地，即使当冷却剂的安全注入仅通过第一安全注入管线130a执行时，冷却剂注入的流速也根据安全注入水箱110内的水位降低而逐渐减小。然而，在冷却剂仅通过第一安全注入管线130a注入的情形下注入流速的减小速度慢于在冷却剂通过第一安全注入管线130a和第二安全注入管线130b注入的情形。这是因为在前一种情形下的冷却剂本身的注入流速小于在后一种情形。

当冷却剂由于安全注入水箱110的水位降低而不再通过第二安全注入管线130b注入时的瞬间，正在注入反应堆容器12的冷却剂流速突然快速减小。这是因为除了其水头差的单纯降低外，还去除了冷却剂的一个注入通道。

第一安全注入管线130a和第二安全注入管线130b可在注入反应堆容器12之前在任意位置合并，如附图中所示。在第一安全注入管线130a和第二安全注入管线130b并入的安全注入管线130c中可安装止回阀132。止回阀132是用来阻止冷却剂从反应堆容器12流回安全注入水箱110的装置。当冷却剂由于发生反应堆事故从安全注入水箱110注入反应堆容器12时，止回阀132通过水重力头打开。

安全注入水箱110的设计压力是由使得与反应堆容器12平衡的压力确定的。当隔离阀121安装在压力平衡管线120中且止回阀132安装在安全注入管线130c中时，在事故过程中反应堆容器12和安全注入水箱110之间的压力在隔离阀121打开之前不会平衡，以及因此安全注入水箱110的设计压力可设计成低于反应堆容器12的设计压力。

孔131安装在安全注入管线130中用作冷却剂的流阻。对于多段式安全注入装置100，至少一个孔131可安装到每条安全注入管线130以逐步调节冷却剂的注入流速。

根据反应堆所要求的特征，孔131为每条安全注入管线130形成适当流阻以逐步进行适当的冷却剂注入。总合计通道的流阻在用两个或三个总和通道进行安全注入情形下比仅用一个通道的安全注入的情形减小。这里，总通道流阻的减小程度可根据孔131的流阻进行设置。

如图中所示，当第二安全注入管线130b在比第一安全注入管线130a高的位置连接到安全注入水箱110时，由安装在第二安全注入管线130b中的第二孔131b形成的总流阻比安装在第一安全注入管线130a中的第一孔131a形成的总流阻相对小，从而允许相对较高的冷却剂流速流过安全注入管线130。

冷却剂流速在安全注入仅通过第一安全注入管线130a执行的情形下小于在安全注入同时通过第一安全注入管线130a和第二安全注入管线130b执行的情形。由于当冷却剂注入通过第一安全注入管线130a和第二安全注入管线130b的组合路径执行时，通过第二安全注入管线130b产生额外流速。如上所述的设置冷却剂的注入流速的原因是为了在实施相对低流速的安全注入的情形下延长注入时间，从而在长时间内（在无源安全注入体系统的情形下超过约72小时）实施安全注入。

安全注入管线130a、130b以彼此不同的高度连接到安全注入水箱110，且因此当安全注入水箱110内的水位降低到低于130b’的位置时，冷却剂不再从第二安全注入管线130b引入。因此，对于多段式安全注入装置100，从安全注入水箱110到反应堆容器12的安全注入可分多阶段执行，以及安全注入水箱110的尺寸、安全注入管线的高度和孔的流阻根据反应堆所要求的安全注入特征而设置，从而在反应堆所要求的很长时间段内以持续和连续方式注入冷却剂。

在相关技术领域中已经以复杂方式构造的安全注入设备具有诸如在实施安全注入流速的转换过程中使得每个安全注入水箱进行压力平衡的时间延迟或重叠的问题，但根据本发明中提出的多段式安全注入装置100，冷却剂的流速转换可在使得安全注入水箱110和反应堆容器12之间的压力平衡的状态下连续执行，因此不会导致在安全注入水箱110开始运行之后诸如流速转换的过程中时间延迟或重叠的问题。此外，多段式安全注入装置100是无源安全注入系统，从而与有源安全注入系统相比增强可靠性和稳定性。

在下文中，将描述在正常设备运行或发生事故期间安装在一体式反应堆中的多段式安全注入装置和其他系统布置的运行。

图2是安装有图1中所示的多段式安全注入装置100的一体式反应堆10的正常设备运行状态的概念图。

对于一体式反应堆10，反应堆容器12设置在安全壳建筑物（容器）11内。对于一体式反应堆10，诸如反应堆冷却剂泵12a、增压器12b、蒸汽发生器12c等等的主部件安装在如上所述的反应堆容器12内。

水通过给水管线13a从位于安全壳建筑物11外的给水系统13供给到蒸汽发生器12c，以及水从堆芯12中发生的核裂变接收能量以变成高温高压蒸汽并通过蒸汽管线14a移动到位于安全壳建筑物11外的涡轮系统14。在正常设备运行过程中，安装在给水管线13a和蒸汽管线14a中的隔离阀13b、14b处于打开状态。

无源余热去除系统15安装在安全壳建筑物11外，且连接到蒸汽管线14a和给水管线13a以在事故发生时从反应堆容器12去除热量。然而，在一体式反应堆10的正常设备运行过程中，隔离阀15a保持在关闭状态。

自动减压系统16安装在安全壳建筑物11内，且连接到反应堆容器12以在事故发生时降低反应堆容器12的压力。然而，在自动减压系统16中，自动减压阀16a在一体式反应堆10的正常设备运行过程中类似于无源余热去除系统15也保持在关闭状态。

无源安全注入系统200安装在安全壳建筑物11内，且连接到反应堆容器12以将冷却剂注入反应堆容器12。无源安全注入系统200通常由多列组成。无源安全注入系统200可包括多段式安全注入装置100和堆芯补水箱210，且两隔离阀121、211在一体式反应堆10的正常设备运行过程中都保持在关闭状态。

在一体式反应堆10的正常设备运行过程中，安全壳建筑物隔离阀17处于打开状态，且无源安全注入系统200、无源余热去除系统15和自动减压系统16不运行。

图3是示出当在图2中所示的一体式反应堆10中发生失水事故时安全设备运行的概念图。

当发生诸如管线破裂等的失水事故时，其中冷却剂排放及因此反应堆容器12的压力或水位减小，安全壳建筑物隔离阀17关闭以及安装在给水管线13a的隔离阀13b和安装在蒸汽管线14a的隔离阀14b通过相关系统的控制信号也关闭以停止给水系统13和涡轮系统14的运行。

无源余热去除系统15的隔离阀15a通过相关控制信号打开。冷凝换热器15e内的冷却剂通过止回阀15b和孔15c引入给水管线13a以转移来自反应堆容器12的余热，且返回到蒸汽管线14a以使用冷凝换热器15e去除余热。

类似地，自动减压系统16的阀16a通过相关控制信号打开以降低反应堆容器12的压力，从而平稳地实施从无源安全注入系统200安全注入。

堆芯补水箱210通过压力平衡管线120连接到反应堆容器12以保持与反应堆容器12的压力平衡状态，且通过安全注入管线130c连接到反应堆容器12以在事故发生时将冷却剂注入反应堆容器12。因此，堆芯补水箱210通过压力平衡管线120和安全注入管线130c连接到反应堆容器12，但每条管线的功能完全不同。压力平衡管线120连接反应堆容器12和堆芯补水箱210的部分一直打开，且因此反应堆容器12和堆芯补水箱210保持压力平衡状态。因此，堆芯补水箱210的设计压力与反应堆容器12一个水平高。

安装在堆芯补水箱210和安全注入管线130c之间的隔离阀211通过由反应堆容器12压力或水位降低产生的控制信号而打开，且由于堆芯补水箱210水位的压力平衡式安全注入而开始进入反应堆容器12。冷却剂穿过隔离阀211、止回阀212和孔213并注入反应堆容器12，以及流速在此时通过孔213适当地建立。与多段式安全注入装置100相比，由于堆芯补水箱210的安全注入以相对高流速执行，这将在后面描述。

当反应堆容器12压力或水位由于反应堆容器12的冷却、从破裂部分排放等等进一步降低时，从相关系统产生控制信号以打开安装在压力平衡管线120中的隔离阀121，从而在反应堆容器12和安全注入水箱110之间形成压力平衡。安装在压力平衡管线120中的隔离阀121设计成在反应堆容器的压力或水位降低到一定程度之后打开，且因此安全注入水箱110的设计压力设计成低于堆芯补水箱210的设计压力，且到反应堆容器12的冷却剂注入也在低于堆芯补水箱210的压力下执行。

参照图1，由于多段式安全注入装置100的冷却剂注入可分成两个阶段。当由于堆芯补水箱210的冷却剂注入设置成高流速安全注入时，由于多段式安全注入装置100的冷却剂注入可在低于堆芯补水箱210的压力下分两阶段执行，且因此每个阶段可分成中流速安全注入和低流速安全注入。中流速安全注入在低于堆芯补水箱210的高流速安全注入的压力条件下通过多段式安全注入装置100的第一安全注入管线130a和二安全注入管线130b执行，且低流速安全注入从安全注入水箱110的冷却剂液位降低到低于第二安全注入管线130b的安装位置的时间点开始通过第一安全注入管线130a执行。

由于堆芯补水箱210的高流速安全注入和由于多段式安全注入装置100的低流速安全注入可分别表示相对流速，以及每个流速可根据反应堆所要求的安全注入特征而设置。

要求多段式安全注入从高流速到低流速的原因是由于反应堆的事故特征。具体地说，对于一体式反应堆10，当发生事故时，堆芯的水位相对快地减小，以及因此要求快速注入高流速冷却剂。无源安全注入系统200通过堆芯补水箱210实施高流速安全注入。

在事故发生之后，从事故早期到中期阶段，反应堆容器的内部压力通过仍然高，冷却剂排放流速相对高，但从事故的中期到后期阶段，反应堆的压力减小，冷却剂排放流速相对低，且因此分别要求中低流速安全注入。对于无源安全注入系统200，中低流速安全注入通过多段式安全注入装置100逐步执行。

参照图3，堆芯补水箱210的内部是空的且因此已事先完成由于堆芯补水箱210的高流速安全注入。安全注入水箱110内的冷却剂液位定位在第二安全注入管线130b连接到安全注入水箱110的位置以下，以及因此可看到的是中流速安全注入已完成，而较低流速安全注入仅通过第一安全注入管线130a执行。

在下文中，将参照图4到6描述通过多段式安全注入装置100的中低流速安全注入过程。

图4是示出当在图1中所示的多段式安全注入装置100中发生失水事故时压力平衡步骤的概念图。

当安装在压力平衡管线120中的隔离阀121通过控制信号打开时，流体通过压力平衡管线120从反应堆容器12引到安全注入水箱110。多段式安全注入装置100是使用反应堆容器12和安全注入水箱110之间压力平衡方法的安全设备，以及因此，压力平衡应在开始从安全注入水箱110注入冷却剂之前在反应堆容器12和安全注入水箱110之间形成。

当流体从反应堆容器12引入时，安全注入水箱110内的上部充满蒸汽和事先已填充于其中的氮气气体。反应堆容器12和安全注入水箱110之间的压力根据流体的引入逐渐平衡，且安装在安全注入管线130中的止回阀132通过安全注入水箱110的水重力头而打开且开始安全注入。

图5是示出图4之后在多段式安全注入装置100中的冷却剂注入步骤（中流速注入步骤）的概念图。

当安全注入通过多段式安全注入装置100开始时，中流速安全注入通过第一安全注入管线130a和第二安全注入管线130b执行直到安全注入水箱110的水位低于第二安全注入管线130b的安装高度130b'为止。

安装在第一安全注入管线130a中的第一孔131a构造成当冷却剂以单一模式注入时根据反应堆所要求的特征注入预定流速的冷却剂，且安装在第二安全注入管线130b中的第二孔131b形成为当冷却剂同时通过第一安全注入管线130a和第二安全注入管线130b注入时根据反应堆所要求的特征注入预定流速的冷却剂。因此，同时通过第一安全注入管线130a和第二安全注入管线130b注入的冷却剂流速高于仅通过第一安全注入管线130a注入的冷却剂流速。

即使在通过第一安全注入管线130a和第二安全注入管线130执行中流速安全注入期间，水重力头也通过安全注入水箱110的水位降低而逐渐减小，且注入反应堆容器12的冷却剂流速逐渐降低。注入反应堆容器12的冷却剂流速仅逐渐降低而不会突然和快速降低直到安全注入水箱110的水位降低到低于第二安全注入管线130b的安装高度130b'为止。然而，当安全注入水箱110的水位降低到低于第二安全注入管线130b的安装高度130b'时，注入反应堆容器12的冷却剂流速突然和快速降低。

图6是示出在图5之后在多段式安全注入装置100中的冷却剂注入步骤（低流速注入步骤）的概念图。

由于安全注入水箱110的水位降低到低于第二安全注入管线130b的安装高度130b'，不再通过第二安全注入管线130b执行冷却剂注入，而是仅通过第一安全注入管线130a执行低流速的冷却剂注入。

流阻由安装在第一安全注入管线130a中的第一孔131a形成，且因此注入反应堆容器12的冷却剂量通过第一孔131a调节成低流速。根据低流速安全注入的进展，安全注入水箱110内冷却剂的水位逐渐降低，且其水重力头逐渐减小而不是突然和快速降低，由于通过第一安全注入管线130a注入的冷却剂量相对小，且因此水重力头减小的速度和冷却剂注入流速降低的速度非常慢。

低流速安全注入可持续到安全注入水箱110内的冷却剂几乎都注入反应堆容器12为止，以及可保持到要求在无源反应堆中用无人操作或紧急AC电源安全注入的时间点（大约72小时）。

在下文中，将参照图7描述通过在图1到6中所示的多段式安全注入装置100和堆芯补水箱210的实时冷却剂安全注入流速变化。

图7是示出在图1到6中所示的多段式安全注入装置100和核芯补水箱210中实时冷却剂注入流速的曲线图。

水平轴表示从发生失水事故等的瞬间开始的时间流，而纵轴表示通过多段式安全注入装置和核芯补水箱的冷却剂注入流速。

在事故发生的早期阶段，在反应堆容器中的堆芯水位相对快速减小，且因此在堆芯补水箱中执行高流速安全注入。即使在执行高流速安全注入的同时，由于堆芯补水箱的水头减小，流速逐渐减小。

在事故早期阶段之后执行通过多段式安全注入装置的中低流速安全注入。堆芯补水箱和多段式安全注入装置的运行和注入时间根据反应堆的事故情形而变化，且因此在多段式安全注入装置运行之后的压力平衡过程期间使用多段式安全注入装置的安全注入开始时间延迟或堆芯补水箱和多段式安全注入装置的冷却剂注入重叠现象是不可避免的物理现象。然而，当在多段式安全注入装置内执行流速转换（即中流速到低流速）时，冷却剂注入的重叠或延迟不会发生，如附图中所示。

当通过多段式安全注入装置的中流速安全注入开始时，安全注入与高流速安全注入的情形相比是减少的。此外，在通过多段式安全注入装置实施中流速安全注入的期间，冷却剂注入流速由于水头减小而逐渐减小。

当安全注入水箱的水位降低到低于第二安全注入管线的安装高度时，冷却剂注入流速突然和快速地减小以实施低流速安全注入。即使在实施低流速安全注入期间，流速也持续降低，但降低速度非常缓慢且执行持续安全注入以使其保持反应堆所要求的一段时间。

如上所述，根据本发明的多段式安全注入装置可形成为根据反应堆所要求的安全注入特征逐渐步小冷却剂注入流速，从而在很长一段时间内注入冷却剂。

在下文中，将参照图8到16描述关于本发明另一实施例的多段式安全注入装置。先前在图1到7中所示的重复描述将由更早描述替代。

图8是示出关于本发明另一实施例的多段式安全注入装置300的概念图。

多段式安全注入装置300形成为当发生事故时将冷却剂注入反应堆容器12，以及可包括安全注入水箱310、平衡管线320和安全注入管线330。

安全注入水箱310形成为容纳当发生事故时注入反应堆容器22的冷却剂，在该事故中反应堆容器22的压力或水位减小。安全注入水箱310全部充满冷却剂（硼酸溶液）。

压力平衡管线320连接到反应堆容器22和安全注入水箱310以形成反应堆容器22和安全注入水箱310之间的压力平衡。其与图1中所示的多段式安全注入装置100不同的是在平衡管线320中没有安装隔离阀。因此，平衡管线320一直保持在打开状态，以及当不仅在事故发生时而且在正常设备运行过程中反应堆容器22的压力变化时，流体从反应堆容器22引入到安全注入水箱310以在短时间内保持压力平衡。对于平衡管线320，可根据设计特征来安装孔（未示出）以限制从反应堆容器22引入的流体流速。

当如上所述保持反应堆容器22和安全注入水箱310之间的压力平衡时，安全注入水箱310的设计压力应设计成与反应堆容器22一个水平高。

安全注入管线330连接到反应堆容器22和安全注入水箱310以在事故中在反应堆容器22和安全注入水箱310之间的压力平衡状态下将冷却剂注入反应堆容器22中。一组安全注入管线330以不同的高度连接到安全注入水箱310以根据安全注入水箱310的水位降低逐步减小注入反应堆容器22的冷却剂流速。

如图8中所示，安全注入管线330可包括：第一安全注入管线330a，该第一安全注入管线330a连接到安全注入水箱310下端部；第二安全注入管线330b，该第二安全注入管线330b比第一安全注入管线330a高预定高度的位置连接到安全注入水箱310侧面；以及第三安全注入管线330c，该第三安全注入管线330c以比第二安全注入管线330b高预定高度的位置连接到安全注入水箱310侧面。

由于当发生事故时冷却剂从安全注入水箱310注入反应堆容器22，因此安全注入水箱310的水位逐渐减小。当冷却剂注入首先开始时，冷却剂通过第一安全注入管线330a、二安全注入管线330b和第三安全注入管线330c注入。当安全注入水箱310的冷却剂液位由于实施冷却剂注入而低于第三安全注入管线330c的安装高度时，冷却剂不再引入到第三安全注入管线330c，且冷却剂仅通过第一安全注入管线330a和二安全注入管线330b注入。然后，当冷却剂开始不引入到第三安全注入管线330c时，冷却剂的注入流速突然和快速地减小。

当安全注入水箱310的水位由于进一步实施冷却剂注入而低于第二安全注入管线330b的安装高度时，冷却剂不再引入到第二安全注入管线330b，且冷却剂仅通过第一安全注入管线330a注入。类似地，当冷却剂开始不引入到第二安全注入管线330b时，冷却剂的注入流速突然和快速地减小。

注入流速在冷却剂通过所有第一安全注入管线330a、第二安全注入管线330b和第三安全注入管线330c注入的情形下可称为高流速安全注入，且注入流速在冷却剂通过第一安全注入管线330a和第二安全注入管线330b注入的情形下称为中流速安全注入，以及注入流速在冷却剂仅通过第一安全注入管线330a注入的情形下称为低流速安全注入。高、中和低流速分别是相对值，以及可根据安全注入水箱310、安全注入管线330的安装高度和每条安全注入管线330的流阻来不同地设计。

孔331安装在安全注入管线330中以作为流阻。对于多段式安全注入装置300的高、中和低流速安全注入，孔331根据安全注入管线330连接到安全注入水箱310的安装高度形成基于反应堆所要求特征的适当流阻，从而以适当流速注入。当第一安全注入管线330a以图8中的单一模式运行时，第一孔331a的流阻设置成低流速条件，以及当第一安全注入管线330a和第二安全注入管线330b同时运行时，第二孔331b的流阻设置成中流速条件，以及当第一安全注入管线330a、第二安全注入管线330b和第三安全注入管线330c同时运行时，第三孔330c的流阻设置成高流速条件。

因此，当实施高流速安全注入时，通过第一安全注入管线330a、第二安全注入管线330b和第三安全注入管线330c注入的冷却剂大于通过第一安全注入管线330a和第二安全注入管线330b注入的冷却剂，以及当实施中流速安全注入时，通过第一安全注入管线330a和第二安全注入管线330b注入的冷却剂大于通过第一安全注入管线330a注入的冷却剂。

形成具有不同流阻的孔331的原因是为了提供安全注入的高、中和低流速阶段以及冷却剂注入所要求的不同时间段。当发生事故时，应快速注入相对高流速的冷却剂，反之，在事故的中后期阶段，要求长时间注入相对低流速的冷却剂。

在多段式安全注入装置300中，孔331形成为具有不同流阻，以及因此设计成随着反应堆事故后果之后流动时间所要求的冷却剂的注入量和注入时间。

隔离阀33设置在第一安全注入管线330a、第二安全注入管线330b和第三安全注入管线330c所并入的安全注入管线330d中。隔离阀333在正常设备运行中保持在关闭状态以阻止冷却剂从安全注入水箱310引入反应堆容器22。当发生事故时，隔离阀333通过相关系统的控制信号打开。反应堆容器22和安全注入水箱310已处于压力平衡状态，以及因此冷却剂注入随着隔离阀333打开而从安全注入水箱310开始。

隔离阀333可设计成通过电池等接收备用以为断电（AC）作准备，且多个隔离阀333可分别安装到多条分支管线以防止整个多段式安全注入装置300的运行由于隔离阀的单一故障而停止。

图9是安装有图8中所示的多段式安全注入装置300的一体式反应堆的正常设备运行状态的概念图。

多段式安全注入装置300安装在一体式反应堆20的安全壳建筑物21内，并通过压力平衡管线320和安全注入管线330连接。由多列组成的安全注入水箱310通常安装在高于反应堆容器22的位置用来冷却剂由于水重力头而注入。在正常设备运行过程中，在多段式安全注入装置300中隔离阀处于关闭状态。

图9中所示的一体式反应堆20与图2中所示的一体式反应堆10不同在于：不存在堆芯补水箱，且多段式安全注入装置300的安全注入管线330更多，且隔离阀333安装在安全注入管线330而不是压力平衡管线320。

安全注入水箱310通过压力平衡管线320连接到反应堆容器22，且压力平衡管线320一直打开，安全注入水箱310的设计压力与反应堆容器22一个水平高。因此，设计有高压的安全注入水箱310承担在图2中当事故发生时已注入高流速冷却剂到反应堆容器22的堆芯补水箱的功能。三条安全注入管线330安装在其中用于多段式安全注入的高、中和低流速。

图10是示出当在图9中所示的一体式反应堆20中发生失水事故时安全设备运行的概念图。

当发生诸如管线破裂27a等的失水事故且反应堆容器22的压力或水位降低时，安装在安全注入管线330中的隔离阀333通过相关系统的控制信号而打开，且安全注入开始从多段式安全注入装置300进入反应堆容器22。

在图10中，安全注入水箱310的冷却剂液位在第二安全注入管线330b和第三安全注入管线330c之间，以及因此冷却剂不再注入第三安全注入管线330c，且通过这可看到高流速安全注入阶段已经结束。安全注入通过第一安全注入管线330a和第二安全注入管线330b执行，以及因此图10示出中流速安全注入阶段。

图11是示出当在图8中所示的多段式安全注入装置300中发生失水事故时压力平衡步骤的概念图。

当在事故发生时控制信号通过相关系统产生时，安装在安全注入管线330中的隔离阀333通过控制信号而打开，且因此冷却剂的安全注入由于水重力头而开始。流体从反应堆容器22通过压力平衡管线320引入到安全注入水箱310，且因此反应堆容器22和安全注入水箱310保持压力平衡状态。

图12是示出在图11之后在多段式安全注入装置300中的冷却剂注入步骤（高流速注入步骤）的概念图。

当事故发生时，安全注入水箱310内的冷却剂通过第一安全注入管线330a、第二安全注入管线330b和第三安全注入管线330c注入反应器容器22。总流阻在通过第一安全注入管线330a、第二安全注入管线330b和第三安全注入管线330c三个通道注入冷却剂的情形下与仅通过第一安全注入管线330a一个通道注入冷却剂的情形相比减小，且因此当事故发生时，高流速冷却剂注入反应器容器22。

水重力头通过冷却剂的水位降低逐渐减小直到安全注入水箱310的冷却剂液位降低到低于第三安全注入管线330c的安装高度330c'，且因此冷却剂注入流速逐渐降低。然后，冷却剂注入的流速在安全注入水箱310的冷却剂液位降低到低于第三安全注入管线330c的安装高度330c'的瞬间突然和快速地降低。

图13是示出在图12之后在多段式安全注入装置300中的冷却剂注入步骤（中流速注入步骤）的概念图。

安全注入水箱310的冷却剂液位降低到低于第三安全注入管线330c的安装高度330c'，且因此冷却剂不通过第三安全注入管线330c注入，而是通过第一安全注入管线330a和第二安全注入管线330b执行中流速的安全注入。

安全注入水箱310的冷却剂液位在实施中流速安全注入的期间持续降低，以及从安全注入水箱310注入反应堆容器22的冷却剂量逐渐减小。在安全注入水箱310的冷却剂液位降低到低于第二安全注入管线330b的安装高度330b'的瞬间，冷却剂不再通过第二安全注入管线330b引入以及注入反应堆容器22的冷却剂流速突然和快速地降低。

图14是示出在图13之后在多段式安全注入装置300中的冷却剂注入步骤（低流速注入步骤）的概念图。

安全注入水箱310的水位降低到低于第二安全注入管线330b的安装高度330b'，且因此从安全注入水箱310进入反应堆容器22的安全注入仅通过第一安全注入管线330a执行，从而实施低流速安全注入。

流阻在仅通过第一安全注入管线330a一个通道实施的情形中比通过第一安全注入管线330a和第二安全注入管线330b两个通道实施的情形或通过第一安全注入管线330a、第二安全注入管线330b和第三安全注入管线330c三个通道实施的情形相对大，且因此低流速安全注入可执行很长一段时间。低流速安全注入持续直到安全注入水箱310的冷却剂几乎都注入反应堆容器22，且注入时间可根据安全注入水箱310的设计来调节。目前，在无源反应堆20中具有无人操作或紧急AC电源的安全系统的运行所要求的时间大约是72小时。

图15是示出图8中所示的多段式安全注入装置的改型实例的概念图。

多段式安全注入装置300具有与图8中所示的多段式安全注入装置300相同的构造，但与图8不同在于：在图15中所示的多段式安全注入装置300中，第三安全注入管线330c是在并到安全注入管线330d之前首先并到第二安全注入管线330b。

图16是示出在图8到15中所示的多段式安全注入装置中实时冷却剂注入流速的曲线图。

在多段式安全注入装置中，高、中和低流速安全注入都从安全注入水箱执行以便当事故发生时，在短时间内注入高流速冷却剂。随后，在事故的早期和中期阶段执行中流速安全注入以实施比高流速阶段更长时间段的安全注入。最后，在事故的中后期阶段，在平稳减小其注入速度的同时，低流速安全注入执行很长一段时间。

通过多段式安全注入装置的冷却剂多阶段安全注入可在反应堆容器和安全注入水箱之间压力平衡已经完成的状态下实施流速转换，且因此在图16中所示的流速转换过程期间，可持续和连续地注入冷却剂而不会导致在冷却剂注入上延迟或重叠。

前述多段式安全注入装置可根据反应堆所要求的安全注入特征分多阶段通过单一安全注入水箱注入冷却剂。因此，具有多段式安全注入装置的反应堆可有效地使用安全注入水箱内的冷却剂以及因此可能不是每个压力条件都要求额外安全注入设备，从而简化设备和降低经济成本。

本发明可不仅应用于一体式反应堆而且应用于用来将堆芯补水箱的性能改变为多阶段的循环式反应堆。在循环式反应堆中，反应堆容器对应于反应堆冷却剂系统。

包括多段式安全注入装置的无源安全注入系统可形成为完全无源型，以及因此当发生事故时，安全功能可仅使用诸如气体压力或重力的系统中含有的自然力而不使用诸如泵的有源装置以及还无人操作地执行无源系统所要求的一段时间。因此，不要求紧急AC电源系统，这增强安全注入系统的可靠性以及增强反应堆的安全性。

根据上述实施例的构型和方法不能以限制方式应用到前述多段式安全注入装置和具有该多段式安全注入装置的无源安全注入系统，以及每个实施例的所有或部分可选择地组合和构造成对其做出各种改型。

根据具有前述构型的本发明，能够将由于反应堆所要求的安全注入特征以复杂方式使用的各种安全注入设备简化为单一类型设备。

此外，根据本发明，注入反应堆容器的冷却剂流速在开始冷却剂注入之后可根据安全注入水箱的水位降低而逐步减小，且因此冷却剂可根据反应堆所要求的安全注入特征仅通过单一类型设备注入，该特征在事故之后根据时间推移而变化。

Claims (8)

1.一种多段式安全注入装置，包括：

安全注入水箱，所述安全注入水箱形成为容纳当事故发生时通过水重力头注入反应堆容器的冷却剂，在所述事故中，所述反应堆容器的压力或水位减小；

压力平衡管线，所述压力平衡管线连接到所述反应堆容器和安全注入水箱以形成所述反应堆容器与所述安全注入水箱之间的压力平衡；以及

一组安全注入管线，所述一组安全注入管线连接到所述反应堆容器和所述安全注入水箱以在所述反应堆容器和所述安全注入水箱的压力平衡状态下将冷却剂注入所述反应堆容器，并以不同高度连接到所述安全注入水箱以便根据所述安全注入水箱的水位降低而逐渐降低冷却剂注入所述反应堆容器的流速。

2.如权利要求1所述的多段式安全注入装置，其特征在于，所述安全注入管线根据所述安全注入水箱的所述水位降低而形成逐渐增加的总流阻以减小注入所述反应堆容器的冷却剂流速。

3.如权利要求1所述的多段式安全注入装置，其特征在于，所述安全注入管线包括：

第一安全注入管线，所述第一安全注入管线连接到所述安全注入水箱的下端部以持续地提供所述安全注入水箱内充满的冷却剂注入所述反应堆容器的注入通道；以及

至少一条第二安全注入管线，所述至少一条第二安全注入管线以比所述第一安全注入管线高预定高度的位置连接到所述安全注入水箱以提供冷却剂注入通道直到所述安全注入水箱的所述水位变成低于预定水位为止。

4.如权利要求1所述的多段式安全注入装置，其特征在于，还包括：

多个孔，所述多个孔中的至少一个安装到每条所述安全管线以用作冷却剂注入的流阻并构造成根据所述安全注入水箱的所述水位降低而逐步增加总流阻。

5.如权利要求1所述的多段式安全注入装置，其特征在于，还包括：

隔离阀，所述隔离阀安装在所述压力平衡管线以阻止冷却剂在正常设备运行过程中从所述反应堆容器流入所述安全注入水箱，以及当事故发生时，通过从所述反应堆容器的所述压力或水位降低产生的控制信号指定成打开以在所述反应堆容器和所述安全注入水箱之间的压力平衡状态下通过水重力头实施冷却剂注入。

6.如权利要求1所述的多段式安全注入装置，其特征在于，还包括：

隔离阀，所述隔离阀安装在所述安全注入管线以阻止冷却剂在正常设备运行过程中在所述反应堆容器的压力平衡状态下从所述安全注入水箱流到所述反应堆容器，以及当事故发生时，通过从所述反应堆容器的所述压力或水位降低产生的控制信号而指定打开以实施冷却剂从所述安全注入水箱注入到所述反应堆容器。

7.一种无源安全注入系统，包括：

堆芯补水箱，所述堆芯补水箱连接到反应堆容器以便当事故发生时保持与所述反应堆容器的压力平衡状态以及将冷却剂注入到所述反应堆容器，在所述事故中，所述反应堆容器的压力或水位减小；以及

多段式安全注入装置，所述多段式安全注入装置连接到所述反应堆容器以在所述堆芯补水箱的注入之后在低于堆芯补水箱压力的压力下逐渐将冷却剂注入所述反应堆容器，

其中所述多段式安全注入装置包括：

安全注入水箱，所述安全注入水箱形成为容纳当事故发生时通过水重力头注入反应堆容器的冷却剂，在所述事故中，所述反应堆容器的压力或水位减小；

压力平衡管线，所述压力平衡管线连接到所述反应堆容器和所述安全注入水箱以形成所述反应堆容器和所述安全注入水箱之间的压力平衡，并连接到所述反应堆容器和所述堆芯补水箱以形成所述反应堆容器和所述堆芯补水箱之间的压力平衡；以及

一组安全注入管线，所述一组安全注入管线连接到所述反应堆容器和所述安全注入水箱以在所述反应堆容器和所述安全注入水箱之间压力平衡的状态下将冷却剂注入所述反应堆容器，并以不同高度连接到所述安全注入水箱以便根据所述安全注入水箱的水位降低而逐步降低冷却剂注入所述反应堆容器的流速。

8.如权利要求7所述的多段式安全注入装置，其特征在于，还包括：

隔离阀，所述隔离阀安装在所述压力平衡管线以阻止冷却剂在正常设备运行过程中从所述反应堆容器流入所述安全注入水箱，以及当事故发生时，通过从所述反应堆容器的所述压力或水位降低产生的控制信号而指定打开以在所述反应堆容器和所述安全注入水箱之间的压力平衡状态下通过水重力头实施冷却剂注入。