CN104051032A - 地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统，包括位于地下洞室内的乏燃料池，乏燃料池中盛放冷却水，冷却水将乏燃料组件淹没，还包括两端封闭、内腔充入工作溶剂的冷却热管，冷却热管的下端为吸热端、上端为冷凝端，其吸热端浸入冷却水中、冷凝端伸入岩体内。本发明采用非能动设计理念，通过液体受热蒸发吸热、冷凝放热、重力回流等自然物理过程实现乏燃料池的冷却过程，不需要额外提供外界电源，因此没有因失去冷却电源引起的乏燃料池冷却水蒸干和乏燃料烧损的潜在危害。冷却热管和事故应急热管的分级设置保证了乏燃料池安全运行及事故状态下都不存在放射性泄漏的危险。

Description

地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统
技术领域
本发明涉及核电技术，具体地指一种地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统。
背景技术
核电站随着运行其装载的燃料燃耗不断加深，当燃耗深度达到设计卸料燃耗时，必须从反应堆中卸出使用后的核燃料组件，这些卸出的核燃料即为乏燃料。乏燃料虽然无法继续维持链式核反应，但其中包含大量的放射性元素，会持续不断的放出大量的衰变热。核电站通常将乏燃料储存在装满水的乏燃料池中，保存一年甚至更长时间以使其冷却。同时在乏燃料池中使用强迫式水冷热交换器不断将衰变热导出乏燃料池，防止燃料包壳的烧损，以维持燃料芯块的完整。
目前的核电站设计中，通过强迫循环水冷却的方法导出乏燃料池内衰变热。在冷却过程中，需要外界提供持续的额外电源来维持循环水泵的运行。这种设计在事故工况下有可能失去外部电源，乏燃料池中的冷却水在衰变热的作用下被不断蒸发，当乏燃料裸露出水面时，不断累积的衰变热会烧毁燃料包壳，致使放射性的泄漏，如2011年日本福岛核事故中乏燃料池的放射性泄漏。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，结合地下核电站的特点与热管技术，提出一种地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统，既能满足地下核电站日常运行中乏燃料池的冷却要求，又能满足核电站事故中乏燃料池的冷却要求，从而能从设计上实质消除因失去电源引起的乏燃料池的放射性泄漏。
本发明的目的是通过如下措施来达到的：一种地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统，包括位于地下洞室内的乏燃料池，所述乏燃料池中盛放冷却水，所述冷却水将乏燃料组件淹没，其特殊之处在于，还包括两端封闭、内腔充入工作溶剂的冷却热管，所述冷却热管的下端为吸热端、上端为冷凝端，所述吸热端浸入冷却水中，所述冷凝端伸入岩体内。
在上述技术方案中，还包括两端封闭、内腔充入工作溶剂的事故应急热管，所述事故应急热管的下端为吸热端、上端为冷凝端，所述吸热端浸入冷却水中，所述冷凝端伸入岩体内。在事故状况下或新的乏燃料刚放入乏燃料池中的时候，由于乏燃料的温度过高，引起乏燃料池的水温额外增加，事故应急热管在水温增加到一定程度时自动投入运行，根据热量大小分级导出。
在上述技术方案中，所述冷却热管和事故应急热管上均设有散热翅，所述散热翅呈片状结构，并与冷却热管和事故应急热管垂直。设置散热翅可加速冷却热管和事故应急热管垂直内工作溶剂的冷却。散热翅根据实际散热情况设置其布置密度，如散热翅之间的间隔为10～20cm。
在上述技术方案中，所述乏燃料组件位于乏燃料池的一侧，所述冷却热管和事故应急热管位于乏燃料池的另一侧，所述冷却热管和事故应急热管冷凝端正下方的乏燃料池的底部向乏燃料组一侧倾斜。乏燃料池中冷却热管和事故应急热管冷凝端正下方的冷却水经热交换后其温度低于乏燃料组件一侧的冷却水温度，乏燃料池的底部向乏燃料组一侧倾斜，使温度低的冷却水流向乏燃料组，加速温度交换的过程。乏燃料池的底部的倾斜度为30°～60°效果最佳。
在上述技术方案中，所述冷却热管和事故应急热管中的工作溶剂为水或甲醇。水、甲醇为比热容大、容易蒸发的溶剂，具有较好的吸热效果。
本发明属于地下核电站的配套设计，该地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统及其他地下核电站厂房和设备都处于地底深处的地下洞室。地下岩体深埋地下，且常年处于较低的恒温状态，本发明结合地下核电站的布置优势和热管技术，利用乏燃料池和地下岩体环境的温度差，将乏燃料池的热量带出到地下环境中。
本发明提供的地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统，采用非能动设计理念，通过液体受热蒸发吸热、冷凝放热、重力回流等自然物理过程实现乏燃料池的冷却过程。本系统依靠自然物理过程运行不需要额外提供外界电源，因此没有因失去冷却电源引起的乏燃料池冷却水蒸干和乏燃料烧损的潜在危害。冷却热管和事故应急热管的分级设置保证了乏燃料池安全运行及事故状态下都不存在放射性泄漏的危险。
附图说明
图1为本发明地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统的结构示意图；
图中：1.乏燃料池，2.乏燃料组件，3.冷却水，4.事故应急热管，5.冷却热管，6.散热翅，7.岩体，8.吸热端，9.冷凝端。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统如图1所示，包括乏燃料池1，乏燃料组件2，冷却热管5，事故应急热管4和相关设备。乏燃料池1位于地下洞室内，乏燃料池1中盛放冷却水3，冷却水3将乏燃料组件2淹没，其中，冷却热管5和事故应急热管4两端封闭，下端为吸热端8，上端为冷凝端9。冷却热管5和事故应急热管4位于乏燃料池1一侧，其底部正下方的乏燃料池1底向乏燃料组件2一侧倾斜，倾斜度为45°。事故应急热管4和冷却热管5的吸热端8位于乏燃料池1内的冷却水3中，冷凝端9向上伸入岩体7内，且冷凝端9布置散热翅6，散热翅6呈片状结构，并与冷却热管5和事故应急热管4垂直，散热翅6之间的间隔为10cm。事故应急热管4和冷却热管5的内腔中充入工作溶剂，并形成独立的封闭空间，其内保持低气压。工作溶剂可以为水或甲醇，通过调节工作溶剂及事故应急热管4和冷却热管5内气压，使冷却热管5的工作温度保持在乏燃料池1正常运行的温度内，使事故应急热管4的工作温度高于冷却热管5的工作温度。
乏燃料池1的正常运行过程中，由于乏燃料组件2中乏燃料不断地释放衰变热，乏燃料池1内的冷却水3被加热，当冷却水3被加热到一定温度时，如水池水温达到30摄氏度时，冷却热管5内的工作溶剂吸热蒸发，由液体转变为气态，在此相变过程中吸收大量的热量。蒸发的工作溶剂在冷凝端9释放热量并冷凝成液态，释放的热量在散热翅6的作用下释放到地下岩体7中，同时，冷凝的液态工作溶剂在重力作用下返回冷却热管5的吸热端8，从新开始下一个循环吸热放热过程。冷却热管5吸热端8附近的乏燃料池1中冷却水3冷却后密度增加，在重力作用下沿倾斜的乏燃料池1池底流入乏燃料组件2所在处的乏燃料池1中，形成乏燃料组件2处的冷、热水的循环交替散热。在事故状况下或新的乏燃料组件2刚放入乏燃料池1中的时候，由于乏燃料的温度过高，引起乏燃料池1的水温额外增加，如水池水温达到40摄氏度或更高时，事故应急热管4在水温增加到一定程度时自动投入运行，将过多的热量导出，其运行过程与冷却热管5相似。
其它未详细说明的部分均为现有技术。

Claims (7)

1.一种地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统，包括位于地下洞室内的乏燃料池(1)，所述乏燃料池(1)中盛放冷却水(3)，所述冷却水(3)将乏燃料组件(2)淹没，其特征在于：还包括两端封闭、内腔充入工作溶剂的冷却热管(5)，所述冷却热管(5)的下端为吸热端(8)、上端为冷凝端(9)，所述吸热端(8)浸入冷却水(3)中、所述冷凝端(9)伸入岩体(7)内。
2.根据权利要求1所述的地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统，其特征在于：还包括两端封闭、内腔充入工作溶剂的事故应急热管(4)，所述事故应急热管(4)的下端为吸热端(8)、上端为冷凝端(9)，所述吸热端(8)浸入冷却水(3)中，所述冷凝端(9)伸入岩体(7)内。
3.根据权利要求2所述的地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统，其特征在于：所述冷却热管(5)和事故应急热管(4)上均设有散热翅(6)，所述散热翅(6)呈片状结构，并与冷却热管(5)和事故应急热管(4)垂直。
4.根据权利要求2所述的地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统，其特征在于：所述乏燃料组件(2)位于乏燃料池(1)的一侧，所述冷却热管(5)和事故应急热管(4)位于乏燃料池(1)的另一侧，所述冷却热管(5)和事故应急热管(4)冷凝端正下方的乏燃料池(1)的底部向乏燃料组一侧倾斜。
5.根据权利要求2所述的地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统，其特征在于：所述冷却热管(5)和事故应急热管(4)中的工作溶剂为水或甲醇。
6.根据权利要求3所述的地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统，其特征在于：所述相邻散热翅(6)之间的间隔为10～20cm。
7.根据权利要求4所述的地下核电站乏燃料池非能动持续冷却系统，其特征在于：所述冷却热管(5)和事故应急热管(4)冷凝端正下方的乏燃料池(1)的底部的倾斜度为30°～60°。
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