CN104183284B - 一种“非能动受迫循环”热量导出系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及反应堆设计技术，具体涉及一种“非能动受迫循环”热量导出系统。该系统包括设置在热源与冷源之间的非能动热量导出回路，非能动热量导出回路位于冷源的一侧设有热交换器，在非能动热量导出回路中设有引射管，所述引射管与蓄压箱相连接。本发明克服了传统设计中自然循环建立的脆弱性，通过蓄压箱在非能动热量导出管线中引入附加的驱动压头能够帮助在事故工况下建立和维持冷却剂受迫循环。

Description

一种“非能动受迫循环”热量导出系统

技术领域

本发明涉及反应堆设计技术，具体涉及一种“非能动受迫循环”热量导出系统设计。

背景技术

第三代核电厂广泛采用的“非能动”设计利用普遍存在的自然现象实现物质和能量的传递，例如，重力、密度差、压力差等，基于此思想的非能动安全系统仅依靠重力、自然循环和蓄压工作，安全系统投运时不需要机械设备的连续运转，不需要外部动力供应也不需要支持系统。

由于核电厂反应堆停闭之后依然有衰变热的产生，当前主流商用压水堆都采用基于自然循环的非能动热量导出系统来导出反应堆和安全壳内的热量，例如，美国西屋电气公司AP1000的非能动余热导出系统以及中国核工业集团公司ACP1000的二次侧非能动余热排出系统等，这些系统可以概括性统称为非能动热量导出系统。

AP1000的非能动余热导出系统（见图1）的非能动余热排出热交换器能够在非LOCA事故时将应急排出堆芯衰变热。该热交换器1由一组连接在管板上的C型管束和布置在上部（入口）和下部（出口）的封头组成。热交换器1的入口管线与反应堆冷却剂系统热管段相连接，出口管线与蒸汽发生器3的下封头冷腔室相连接，它们与冷却剂系统热管段和冷管段组成了一个非能动余热排出的自然循环回路，能够自动导出堆芯衰变热。从内置换料水箱2（IRWST）产生的蒸汽在安全壳钢壳内冷凝，并依靠重力流回IRWST。非能动余热导出热交换器与非能动堆芯冷却系统在闭环模式下，可以完全导出衰变热，直至无限长的时间。

ACP1000的非能动热量导出设计包括二次侧非能动余热排出系统（见图2）和非能动安全壳热量导出系统，这两个系统所采用的同样是热交换器1与冷却水箱4的组合，利用自然循环导出蒸汽发生器和安全壳中的热量。

此类非能动设计依靠冷却剂密度差而形成自然循环，以热交换器为媒介，将反应堆或安全壳内的热量传递至热阱，能够有效避免压力容器和安全壳超温超压。但是，在严重事故工况下，自然循环压头是否足以驱动自然循环有较大的不确定性。如果在地震发生时系统管道发生弯曲、变形，或热交换器发生形变，则可能改变自然循环系统管线的阻力特性，有可能严重影响注入流量。

在快堆和医用微堆的设计过程中，也应用了自然循环的设计特性，其堆外和堆内试验验证结果都证明：自然循环的建立需要较长的时间（中国实验快堆1:4模型试验用时25个小时、医用微堆在一星期的时间内仍没有建立稳定的自然循环）。而在AP1000的设计分析中都是假定，达到启动条件自然循环立即建立。然而，非能动余热排出系统完全是通过密度差压头驱动的，自然循环过程建立缓慢，特别是在事故工况下，由于系统的复杂性，具有非常大的不确定性。

同时，对于当前核电厂安全注射系统中广泛采用蓄压安注箱，由于其利用蓄压箱中高压氮气驱动箱中的冷却剂来注入反应堆，所以，冷却剂注射无法持续很长时间。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种“非能动受迫循环”热量导出系统，将蓄压安注箱和非能动热量导出系统结合起来，以蓄压安注箱的高压氮气提供非能动热量导出系统的驱动压头，与冷却剂密度差压头一起为热量导出提供动力。

本发明的技术方案如下：一种“非能动受迫循环”热量导出系统，包括设置在热源与冷源之间的非能动热量导出回路，非能动热量导出回路位于冷源的一侧设有热交换器，在非能动热量导出回路中设有引射管，所述引射管与蓄压箱相连接。

进一步，如上所述的“非能动受迫循环”热量导出系统，其中，所述的引射管设置在热交换器的出口管线上，引射管通过阀门与蓄压箱连接。

进一步，如上所述的“非能动受迫循环”热量导出系统，其中，所述的引射管包括顺次连接的吸入室、混合室和扩压管，吸入室与热交换器的出口管线连接，吸入室内设有与蓄压箱连接的喷嘴，所述的混合室的截面面积大于所述的喷嘴的截面面积。

更进一步，所述的扩压管为截面积逐渐增大的锥形体结构。

进一步，如上所述的“非能动受迫循环”热量导出系统，其中，所述的蓄压箱内上部为加压氮气，下部为冷却水。

进一步，如上所述的“非能动受迫循环”热量导出系统，其中，所述的热交换器为C型立式传热管热交换器。

本发明的有益效果如下：本发明将核电厂设计中广泛采用的蓄压安注箱和非能动热量导出系统相结合，在热量导出系统回路中添加一个引射管和蓄压箱，利用蓄压箱在引射管中产生持续的相对较高流速的射流使得热量导出系统回路中产生持续的受迫循环，可以称之为“非能动受迫循环”。非能动受迫循环的引入能够克服传统设计中自然循环建立的脆弱性，特别是当自然循环管线由于地震等原因发生形变或出现泄漏时，阻力特性发生变化必然影响自然循环的建立和持续。通过蓄压箱在非能动热量导出管线中引入附加的驱动压头能够帮助在事故工况下建立和维持冷却剂受迫循环。

附图说明

图1为AP1000非能动余热导出系统示意图；

图2为ACP1000二次侧非能动冷却系统示意图；

图3为本发明非能动受迫循环热量导出系统示意图；

图4为引射管结构示意图；

图5为C型立式传热管热交换器结构示意图；

图6为本发明实施例中非能动受迫循环热量导出系统布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供了一种“非能动受迫循环”热量导出系统，可用于传统的非能动余热排出系统、非能动堆芯冷却系统、非能动二次侧热量导出系统、非能动安全壳冷却系统等。如图3所示，其结构包括设置在热源6与冷源5之间的非能动热量导出回路，非能动热量导出回路位于冷源5的一侧设有热交换器7，在非能动热量导出回路中设有引射管8，所述引射管8与蓄压箱9相连接。

引射管8设置在热交换器7的出口管线上，引射管8通过阀门12与蓄压箱9连接。引射管的结构如图4所示，包括顺次连接的吸入室13、混合室14和扩压管15，吸入室13与热交换器的出口管线连接，吸入室13内设有与蓄压箱连接的喷嘴16，所述的混合室14的截面面积大于所述的喷嘴16的截面面积，扩压管15为截面积逐渐增大的锥形体结构。引射管基于喷射泵的工作原理，喷射泵能够提高被引射流体的压强，输送被引射流体，只消耗工作流体的能量而无需外加动力，直接利用蓄压箱中贮存的氮气加压的冷却水高速射流作为引射管中的工作介质。选择喷射泵的另外一个重要原因在于喷射泵中的喷嘴截面积小对管道中自然循环的流体影响也小，比泵驱动冷却系统中的叶轮对流体的影响要小很多。

蓄压箱内的冷却剂在氮气压力下经过引射管喷嘴以高速度射出时，混合室内产生低压，被引射的流体吸入混合室，与从喷嘴喷射出的冷却剂相混合，一同进入扩压管。在经过扩压管时，混合流体的压力逐渐上升，然后排出管外。影响喷射泵性能的是混合室喉部与喷嘴喉部截面面积比，而且随着截面面积比的增加相对的压缩比降低而引射系数增加，为了在热量导出回路中产生大流量小流速的流体循环，采用较大的喉部截面积。

如图3所示，引射管8布置在热交换器7出口管线上，通过阀门12与蓄压箱9相连，蓄压箱9内上部为加压氮气10，下部为冷却水11。当阀门12打开，蓄压箱9内的冷却剂将在氮气压力下在引射管内产生高速射流带动冷却剂在余热导出回路中循环。

为便于热交换器中自然循环的建立，选用C型立式传热管热交换器（见图5），热交换器入口管与入口封头17相连接，入口封头17和管板通过一个外伸法兰固定在冷却水池的壁面上，热交换器由一个固定在冷却水池22上的框架19所支撑，传热管束20设置在传热管束支承件21上。外伸法兰的设计可以适应热膨胀。入口和出口封头管板设置有用于检查和维修的人口。

蓄压箱为碳钢并内衬不锈钢的球形水箱，其大部分空间由冷却水占据并由氮气加压，蓄压箱通过阀门连接到非能动受迫循环热量导出系统管线上，当该系统需要投运时，阀门打开，冷却水靠气压注入系统管道。蓄压箱靠压缩氮气提供驱动压力，在核电厂正常运行期间可根据要求调解压力。通常，蓄压箱与氮气供应管道隔离。蓄压箱的气体释放阀可防止超压。如果需要，系统也能远距离实现安注箱气体排放。

非能动受迫循环热量导出系统将蓄压箱和传统的自然循环热量导出系统相结合，克服了两者单独工作时存在着的不足，即蓄压箱冷却剂注射持续时间短，传统的自然循环热量导出系统在复杂的管路系统中自然循环建立的不确定性和脆弱性。通过引入引射管，利用蓄压箱向热量导出系统中注入小流量高流速的射流提供驱动压头，结合密度差带来的驱动压头实现更强的热量导出能力。

实施例

如图6所示，将本发明应用于非能动堆芯冷却系统中，在内置换料水箱23内设有热交换器7，热交换器7通过热量导出环路25与反应堆26连接，反应堆26连接蒸汽发生器24。在热交换器7的出口管线上设置引射管8，引射管8通过阀门与蓄压箱9连接。内置换料水箱23作为冷源，反应堆作为热源，可通过热量导出环路25进行自然循环换热。当由于某些外在原因导致自然循环的建立和维持受到影响时，通过开启控制阀门，由蓄压箱9内的压缩氮气提供驱动压力，在引射管8内形成喷射流，强化冷却剂循环运行，从而形成“非能动受迫循环”热量导出系统。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种“非能动受迫循环”热量导出系统，包括设置在热源(6)与冷源(5)之间的非能动热量导出回路，非能动热量导出回路位于冷源(5)的一侧设有热交换器(7)，其特征在于：在非能动热量导出回路中设有引射管(8)，所述的引射管(8)设置在热交换器(7)的出口管线上，引射管(8)通过阀门(12)与蓄压箱(9)连接，利用蓄压箱在引射管中产生持续的相对较高流速的射流使得非能动热量导出回路中产生持续的受迫循环。

2.如权利要求1所述的“非能动受迫循环”热量导出系统，其特征在于：所述的引射管包括顺次连接的吸入室(13)、混合室(14)和扩压管(15)，吸入室(13)与热交换器的出口管线连接，吸入室(13)内设有与蓄压箱连接的喷嘴(16)，所述的混合室(14)的截面面积大于所述的喷嘴(16)的截面面积。

3.如权利要求2所述的“非能动受迫循环”热量导出系统，其特征在于：所述的扩压管(15)为截面积逐渐增大的锥形体结构。

4.如权利要求1所述的“非能动受迫循环”热量导出系统，其特征在于：所述的蓄压箱(9)内上部为加压氮气(10)，下部为冷却水(11)。

5.如权利要求1所述的“非能动受迫循环”热量导出系统，其特征在于：所述的热交换器(7)为C型立式传热管热交换器。