CN104064232A - 地下核电站安全壳热管非能动冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下核电站安全壳热管非能动冷却系统，包括充入工作溶剂的热管，热管由蒸发支管和冷凝支管通过主管连接组成，蒸发支管环绕紧贴地下洞室中安全壳的外壁，所凝支管置于通风竖井中，冷凝支管的水平位置高于蒸发支管，主管呈倾斜布置，通风竖井底部与地下廊道连通、顶部与地面上的地面烟囱连通。本发明在核电站严重事故情况下能利用工作溶剂循环吸热放热的自然物理过程导出安全壳热能并排出到大气中，不需要电力驱动，避免事故情况下电力系统供应中断，所引发的安全壳热量导出系统失效。而且，通过地下岩体和热管本身的隔离作用，避免了地下核电站安全壳冷却过程中放射性的泄漏。

Description

地下核电站安全壳热管非能动冷却系统

技术领域

本发明涉及核电技术，具体地指一种地下核电站安全壳热管非能动冷却系统。

背景技术

核电站严重事故在核电站设计中属于超设计基准事故，其发生的概率极低，一旦发生，事故后果极其严重。严重事故中核电站一回路压力边界破损，高温高压的冷却剂冲入安全壳内，使安全壳内压力和温度迅速升高，危及安全壳的完整性，如2011年日本福岛核事故。

现有的核电站设计中，针对严重事故下安全壳内温度升高的问题，主要通过引入外部水源对安全壳外壁或安全壳内空气降温，如AP1000核电站利用安全壳顶部设置的水箱对钢制安全壳喷淋冷却。这种设计中，由于采用外部引入水源冷却的方法，存在水腐蚀的问题，而且喷淋水靠重力沿安全壳外壁流下，在安全壳外壁冷却水接触不到的部分容易形成热点区，此外，设置的冷却水箱存在一定的容积，突发事件下，可能出现水源不足的问题，而且在严重事故后期，不能保证持续的给安全壳散热冷却。

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，结合地下核电站的布置特点和热管技术，提出一种地下核电站非能动安全壳冷却技术，既能满足严重事故工况下安全壳的冷却要求，又能避免严重事故中冷却水源不足的问题，还可以保证在严重事故后期安全壳持续的非能动冷却。

为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明所设计的一种地下核电站安全壳热管非能动冷却系统，包括充入工作溶剂的热管，其特殊之处在于，所述热管由蒸发支管和冷凝支管通过主管连接组成，所述蒸发支管环绕紧贴地下洞室中安全壳的外壁，所述冷凝支管置于通风竖井中，所述冷凝支管的水平位置高于蒸发支管，所述主管呈倾斜布置；所述通风竖井底部与地下廊道连通，所述通风竖井顶部与地面上的地面烟囱连通。

在上述技术方案中，所述蒸发支管为多圈环绕安全壳的半圆管。多圈环绕的半圆管使蒸发支管与安全壳的接触表面积最大。

在上述技术方案中，所述冷凝支管有多层，每层呈多圈螺旋形盘旋状排列。多圈螺旋形盘旋状排列的冷凝支管表面积最大，冷凝效果更好。冷凝支管布置至少三层。

在上述技术方案中，所述主管外部设置绝热套管。绝热套管减少热量在传输过程中的散失。

在上述技术方案中，所述主管的倾斜度为15°～45°。主管呈15°～45°向蒸发支管倾斜，使从冷凝支管中流出的低温工作溶剂快速流入蒸发支管中加热。

在上述技术方案中，所述工作溶剂为水或甲醇。水、甲醇为比热容大、容易蒸发的溶剂，具有较好的传热效果。

在上述技术方案中，所述蒸发支管沿安全壳外壁环绕布满整个安全壳。蒸发支管布满整个安全壳可以使安全壳的冷却速度更快。

在上述技术方案中，所述冷凝支管上设置散热翅，所述散热翅呈片状结构，并与冷凝支管垂直。设置散热翅可加速冷凝支管内的工作溶剂冷却。

在上述技术方案中，所述相邻散热翅之间的间隔为10～20cm。散热翅排布密度根据实际需要设置，如间隔10cm等。

本发明提供了一种地下核电站严重事故工况下的非能动安全壳冷却系统，严重事故工况下，安全壳内的热量通过热管不断被导出到远离反应堆厂房的通风竖井内，通过通风竖井的烟囱效应不断将热量排出到大气中。本发明在核电站严重事故情况下能利用工作溶剂循环吸热放热的自然物理过程导出安全壳热能并排出到大气中，不需要电力驱动，避免事故情况下电力系统供应中断，所引发的安全壳热量导出系统失效。同时，由于采用通风竖井的烟囱效应排热，在整个严重事故过程中，都能保证安全壳的排热和冷却，不必担心冷却源的缺失和不足。并且，由于热管的良好等温特性，避免了安全壳的局部过热缺陷，而且，通过地下岩体和热管本身的隔离作用，避免了地下核电站安全壳冷却过程中放射性的泄漏。

附图说明

图1为本发明地下核电站安全壳热管非能动冷却系统的结构示意图；

图中：1.地下洞室，2.安全壳，3.通风竖井，4.热管，4-1.蒸发支管，4-2.主管，4-3.冷凝支管，5.绝热套管，6.散热翅，7.地下廊道，8.地面烟囱，9.地面。

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。

严重事故工况下，地下核电站的地下洞室1内的安全壳2的温度持续增加，安全壳2内的压力迅速升高，有可能达到甚至超出安全壳2的设计压力，从而破坏安全壳2的完整性，向环境释放放射性物质。

本发明利用地下核电站的地下布置优势和热管技术，严重事故中，依靠安全壳2和外部环境的温度差，非能动地将安全壳2内的热量导出安全壳2，达到安全壳2冷却的目的。如图1所示，本发明一种地下核电站安全壳热管非能动冷却系统包括热管4，热管4内维持低压，并充入工作溶剂，具体热管4内压力和工作溶剂视具体要求选择，如水、甲醇等，相应的热管材质为铜、镍、不锈钢等。热管4由蒸发支管4-1和冷凝支管4-3通过主管4-2连接组成。蒸发支管4-1环绕紧贴地下洞室1中安全壳2的外壁。蒸发支管4-1为多圈环绕安全壳2的半圆管，环绕圈数根据散热量设置，最多可以沿安全壳2外壁环绕布置满整个安全壳2。冷凝支管4-3置于通风竖井3中。冷凝支管4-3为多圈螺旋形盘旋状排列，布置为三层或三层以上。冷凝支管4-3上设置散热翅6，散热翅6呈片状结构，并与冷凝支管4-3垂直，散热翅6排布密度根据实际需要设置，如相邻散热翅6间隔10cm。冷凝支管4-3的水平位置高于蒸发支管4-1，主管4-2呈倾斜布置，主管4-2的倾斜度为15°～45°，主管4-2外部包覆绝热套管5，热管4内充工作溶剂，形成独立的封闭空间，并保持低气压。通风竖井3底部与地下廊道7连通、顶部与地面9上的地面烟囱8连通。

严重事故发生时，安全壳2内温度不断升高，紧贴在安全壳2外壁的蒸发支管4-1同时受热升温。当温度上升到热管4工作温度，如60摄氏度时，蒸发支管4-1内的工作溶剂吸热蒸发，吸热后的蒸汽在冷凝支管4-3处通过散热翅6释放热量的同时冷凝成工作溶剂。在这个过程中，通过工作溶剂的吸热蒸发和放热冷凝相变过程，安全壳2内的热量被导出到通风竖井3内。冷凝支管4-3冷却的工作溶剂在重力作用下回流到蒸发支管4-1完成一个工作循环。在安全壳2和外界温度差的作用下，该热管4内的工作溶剂不断完成吸热和放热过程，同时将安全壳2内的热量不断导出。处于地底的通风竖井3由于地底温度低(如地下100米处，恒温约为20摄氏度)，通风竖井3内的空气在冷凝支管4-3处被加热，热空气在密度差作用下从地面9上的地面烟囱8排出，同时，由于烟囱效应的抽吸作用，外界空气从地下廊道7不断补充到通风竖井3内，完成对冷凝支管4-3的不间断冷却。

其它未详细说明的部分均为现有技术。

Claims (10)

1.一种地下核电站安全壳热管非能动冷却系统，包括充入工作溶剂的热管(4)，其特征在于：所述热管(4)由蒸发支管(4-1)和冷凝支管(4-3)通过主管(4-2)连接组成，所述蒸发支管(4-1)环绕紧贴地下洞室(1)中安全壳(2)的外壁，所述冷凝支管(4-3)置于通风竖井(3)中，所述冷凝支管(4-3)的水平位置高于蒸发支管(4-1)，所述主管(4-2)呈倾斜布置；所述通风竖井(3)底部与地下廊道(7)连通，所述通风竖井(3)顶部与地面(9)上的地面烟囱(8)连通。

2.根据权利要求1所述的地下核电站安全壳热管非能动冷却系统，其特征在于：所述蒸发支管(4-1)为多圈环绕安全壳(2)的半圆管。

3.根据权利要求1所述的地下核电站安全壳热管非能动冷却系统，其特征在于：所述冷凝支管(4-3)有多层，每层呈多圈螺旋形盘旋状排列。

4.根据权利要求1所述的地下核电站安全壳热管非能动冷却系统，其特征在于：所述主管(4-2)外部设置绝热套管(5)。

5.根据权利要求1或4所述的地下核电站安全壳热管非能动冷却系统，其特征在于：所述主管(4-2)的倾斜度为15°～45°。

6.根据权利要求1所述的地下核电站安全壳热管非能动冷却系统，其特征在于：所述工作溶剂为水或甲醇。

7.根据权利要求2所述的地下核电站安全壳热管非能动冷却系统，其特征在于：所述蒸发支管(4-1)沿安全壳(2)外壁环绕布满整个安全壳(2)。

8.根据权利要求3所述的地下核电站安全壳热管非能动冷却系统，其特征在于：所述冷凝支管(4-3)上设置散热翅(6)，所述散热翅(6)呈片状结构，并与冷凝支管(4-3)垂直。

9.根据权利要求3所述的地下核电站安全壳热管非能动冷却系统，其特征在于：所述冷凝支管(4-3)至少为三层。

10.根据权利要求8所述的地下核电站安全壳热管非能动冷却系统，其特征在于：所述相邻散热翅(6)之间的间隔为10～20cm。