CN104183285A - 一种反应堆压力容器外部冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反应堆压力容器外部冷却系统，包括能动冷却单元、非能动冷却单元和纳米流体单元，纳米流体单元并联在能动冷却单元与反应堆堆腔的连接管路上以及非能动冷却单元与反应堆堆腔的连接管路上；所述能动冷却单元包括能动注入水源和能动注入泵，能动注入水源通过能动注入泵与反应堆堆腔连通；所述非能动冷却单元包括非能动注入水源，非能动注入水源与反应堆堆腔连通；所述纳米流体单元包括纳米流体贮存罐。该系统通过纳米流体注入，使严重工况下压力容器获得更为可靠和强力的持续冷却，从而使IVR过程更为可靠。

Description

一种反应堆压力容器外部冷却系统

技术领域

本发明涉及核电厂堆芯熔融物滞留系统设计领域，具体涉及一种反应堆压力容器外部冷却系统。 

背景技术

堆芯熔融物滞留(In-vessel Retention,IVR)是目前普遍采用的轻水堆严重事故缓解策略之一，即：通过对反应堆压力容器外表面的持续冷却，使堆芯熔融物的热量获得有效导出，从而避免下封头失效，确保堆芯熔融物滞留于压力容器内部。目前已有的IVR系统包括基于自然循环的AP1000-IVR系统、能动结合非能动的ACP1000-CIS系统及基于自然循环的ACPR1000-IVR系统等。伴随对核安全问题的日益重视，业界对IVR技术的关注度与日俱增，对IVR可靠性和冷却能力的要求也不断提高。 

纳米流体是水中纳米颗粒的胶态分散体。典型的颗粒尺寸在1-100 nm范围内，材料包括氧化物和电化学贵金属。与水相比，纳米流体具有大得多的临界热流密度(CHF)，甚至浓度极低的纳米流体(水-铝纳米流体，体积份额低于0.1％，参考J.Buongiorno(MIT)等人的相关研究)，其CHF也比水高出50％。因此，在一般轻水堆严重事故的IVR策略中，纳米流体可以用于提升IVR系统的可靠性和冷却能力。韩国正在研发的APR1400核电系统，已确定将在其IVR系统中使用纳米流体。核电系统设计中采用纳米流体已有了一些有益的尝试，如：2010年，中国发明专利“一种基于流体同行的核电站严重事故缓解系统”(申请号201010527680.4)，利用纳米流体强化安全壳热量 导出过程；2011年，中国发明专利“基于纳米流体特性的沸水堆事故下非能动余热导出系统”(申请号201110175073.0)，利用纳米流体较强的换热特性以及较小的粘性系数，以较强的自然循环能力实现沸水堆内热量的快速导出。2012年，美国专利“NUCLEAR POWER PLANT USING NANOPARTICIES IN CLOSED CIRCUITS OF EMERGENCY SYSTEMS AND RELATED METHOD”(申请号US20070714423，公开号US8160197B2)，在事故工况下，利用纳米流体导出压力容器内燃料组件的衰变热；美国专利“NUCLEAR REACTOR HAVING EFFICIENT AND HIGHLY STABLE THERMAL TRANSFER FLUID”(公开号US20100290577A1，专利申请号US 12/280,286)，采用二氧化钛、钻石碳等纳米流体作为反应堆一回路工质。对国内外专利数据库的调研显示，目前尚无将纳米流体技术应用于加压轻水反应堆IVR策略的专利申请。 

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种反应堆压力容器外部冷却系统，该系统通过纳米流体注入，是严重工况下压力容器获得更为可靠和强力的持续冷却。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 

一种反应堆压力容器外部冷却系统，包括能动冷却单元、非能动冷却单元和纳米流体单元，纳米流体单元并联在能动冷却单元与反应堆堆腔的连接管路上以及非能动冷却单元与反应堆堆腔的连接管路上； 

所述能动冷却单元包括能动注入水源和能动注入泵，能动注入水源通过能动注入泵与反应堆堆腔连通；所述非能动冷却单元包括非能动注入水源，非能动注入水源与反应堆堆腔连通；所述纳米流体单元包括纳米流体贮存罐。 

进一步，如上所述的一种反应堆压力容器外部冷却系统，所述纳米流体贮存罐的入口管路上设有广义非能动流体控制单元，出口管路上设有出口止回阀。 

进一步，如上所述的一种反应堆压力容器外部冷却系统，所述纳米流体贮存罐中的纳米流体为质量浓度15％～30％的H₂O基Gd₂O₃颗粒纳米流体。 

进一步，如上所述的一种反应堆压力容器外部冷却系统，在H₂O基Gd₂O₃颗粒纳米流体中注入稀硝酸，注入后的纳米流体的pH值范围是[3.5，4.2]。 

进一步，如上所述的一种反应堆压力容器外部冷却系统，非能动冷却单元与反应堆堆腔的连接管路上设有广义非能动流体控制单元。 

进一步，如上所述的一种反应堆压力容器外部冷却系统，能动冷却单元与反应堆堆腔的连接管路上以及非能动冷却单元与反应堆堆腔的连接管路上分别设有流量标定孔板。 

再进一步，如上所述的一种反应堆压力容器外部冷却系统，能动冷却单元的个数m≥1，非能动冷却单元的个数n≥1。 

本发明的有益效果为：(1)系统采用纳米流体作为压力容器外表面冷却工质可以显著提高CHF值，从而使IVR过程更为可靠；(2)系统采用Gd₂O₃纳米颗粒可以为堆芯熔融物邻近区域提供极大的中子毒性，从而彻底避免堆 芯熔融物的临界；(3)系统非能动注入模式的控制采用了广义非能动流体控制单元，这使系统的启动及控制可以在失去交流电及直流电的情况下维持，从而使系统具有更高的可靠性。 

附图说明

图1为本发明一种反应堆压力容器外部冷却系统的框图； 

图2为具体实施方式中一种反应堆压力容器外部冷却系统的结构示意图； 

图3为图2中系统在能动运行模式下的结构示意图； 

图4为图2中系统在非能动运行模式下的结构示意图； 

图5为图2中系统不同运行模式与主要部件状态的关系示意图； 

图6为广义非能动流体控制单元示意图。 

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。 

图1示出了本发明一种反应堆压力容器外部冷却系统的框图，图2示出了本发明反应堆压力容器外部冷却系统的一种实施方式，该系统主要包括能动冷却单元10、非能动冷却单元20和纳米流体单元30，纳米流体单元30并联在能动冷却单元10与反应堆堆腔40的连接管路上以及非能动冷却单元20与反应堆堆腔40的连接管路上。本实施方式中所述的反应堆压力容器是指反应堆外的不锈钢承压容器，而反应堆堆腔是压力容器所在的隔室。 

其中，如图2所示，所述能动冷却单元10包括能动注入水源11和能动注入泵12，能动注入水源11通过能动注入泵12与反应堆堆腔40连通；所述非能动冷却单元20包括非能动注入水源21，非能动注入水源21与反应堆 堆腔40连通；所述纳米流体单元30包括纳米流体贮存罐31。本实施方式中，纳米流体单元30并联在了能动注入泵12与反应堆堆腔40的连接管路上。 

本实施方式中，纳米流体贮存罐31的入口管路上设有广义非能动流体控制单元32，出口管路上设有出口止回阀33。纳米流体贮存罐31中的纳米流体为质量浓度15％～30％的H₂O基Gd₂O₃颗粒纳米流体，在H₂O基Gd₂O₃颗粒纳米流体中注入稀硝酸(通常指浓度低于68％的硝酸水溶液)，使注入后的纳米流体的pH值范围在3.5-4.2之间，将pH值控制在该范围可以避免纳米流体中的纳米颗粒发生团聚。Gd₂O₃纳米颗粒可以为堆芯熔融物邻近区域提供极大的中子毒性，从而彻底避免堆芯熔融物的临界。 

非能动冷却单元20与反应堆堆腔40的连接管路上设有广义非能动流体控制单元32。能动冷却单元10与反应堆堆腔40的连接管路上以及非能动冷却单元20与反应堆堆腔40的连接管路上分别设有流量标定孔板13。 

本实施方式中通过在纳米流体贮存罐31的入口管路上以及非能动冷却单元20与反应堆堆腔40的连接管路上设置广义非能动流体控制单元32，使的系统可以在失去供电的情况下维持，从而使系统具有更高的可靠性。广义非能动流体控制单元是一种新型流体机械，可以在失去外界控制及动力的情况下，依靠自身电池供电完成既定流体控制任务，其结构如图6所示，该单元包括传感器子系统1、执行子系统2、能源子系统3、智能子系统；I/0子系统4以及联接子系统5，具体细节可参考2011年第六期核动力工程杂志中的文献《广义非能动流体控制单元的设计及试验研究》(2009，韩旭等)。 

本发明的反应堆压力容器外部冷却系统具有能动和非能动两种运行方式，能动运行模式下，系统通过能动注入路径向反应堆堆腔40注入冷却剂即能动注入泵12自能动注入水源11向反应堆堆腔40注入冷却剂；非能动运行模式下，系统通过重力注入路径(非能动注入路径)向反应堆堆腔40 注入冷却剂即自非能动注入水源21向反应堆堆腔40注入冷却剂。 

其中，能动冷却单元10和非能动冷却单元的个数可以根据需要设置，能动冷却单元的个数m≥1，非能动冷却单元的个数n≥1。 

下面结合具体实施例对本发明的反应堆压力容器外部冷却系统进行进一步说明。 

实施例 

如图2所示，本实施例的反应堆压力容器外部冷却系统设置了两条能动注入路径，即包括了两个能动注入单元10，纳米流体单元30也设置了两个，其中，图中的标记NO1-NO9表示路径上不同的节点，PO1和PO2为两个能动注入泵12，CV01-CVO4为出口止回阀33，GP01-GP03为广义非能动流体控制单元32，DI01和DI02为流量标定孔板13，MV02和MV03为电动隔离阀14。 

本实施例中，为了节省系统所占空间，能动注入路径与非能动注入路径之间设置了公用段即N05→N07和N06→N08之间的管路。两条能动注入路径为：N02→N05→N07→N04、N03→N06→N08→N04；非能动注入路径为：N01&N09→N05&N06→N07&N08→N04。两个纳米流体贮存罐31与能动注入路径和非能动注入路径均并联。 

本实施例的两条能动注入路径之间设置了桥接管线，桥接管线上设有电动截止阀MV02和MV03，这两个阀门一般状态设置为常关，失去供电时将自动开启。在失去供电转入非能动运行模式后，非能动注入模式的最后控制由各个广义非能动流体控制单元完成，这些控制单元具有广义非能动特性，不需要供电。 

能动运行模式下，系统如图3所示，系统通过能动注入泵P01及能动注入泵P02自各自的能动注入水源11分为两个能动注入路径(N02→N05→N07 →N04、N03→N06→N08→N04)向反应堆堆腔40注入冷却剂；非能动运行模式下，系统如图4所示，该模式下电动截止阀MV02和MV03开启，系统通过重力注入路径(N01&N09→N05&N06→N07&N08→N04)自非能动注入水源21向反应堆堆腔40注入冷却剂。 

本实施例中的流量标定孔板13设置在了能动注入路径和非能动注入路径的公用段，在非能动运行模式下，进行纳米流体注入时，流量标定孔板DI01及DI02可使四条注入支路(N05→N07、GP01→CV03、N06→N08、GP02→CV04)流量基本一致。 

非能动注入路径前半段(N01&N09→N05)设置的广义非能动流体控制单元GP03，其一般状态设置为常关，只有在非能动注入模式下才开启。 

在实际操作中，纳米流体是否注入到反应堆堆腔中是根据事故的具体情况由操作员确定的。本实施例中不同运行模式下上述各设备的运行状态如图5所示，备用状态下，所有设备均处于关闭状态；在能动运行模式中在一个能动注入单元工作、纳米流体单元不工作的状态下，只需将工作的能动注入单元的能动注入泵及水源注入管路上的止回阀打开即可；在非能动运行模式下，系统通过重力注入路径值非能动注入水池向反应堆堆腔注入冷却剂；在需要进行纳米流体注入时，只需打开纳米流体注入单元中纳米流体贮存罐两端的广义非能动流体控制单元和出口止回阀即可。 

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 (7)

1.一种反应堆压力容器外部冷却系统，其特征在于：包括能动冷却单元(10)、非能动冷却单元(20)和纳米流体单元(30)，纳米流体单元(30)并联在能动冷却单元(10)与反应堆堆腔(40)的连接管路上以及非能动冷却单元(20)与反应堆堆腔(40)的连接管路上；

所述能动冷却单元(10)包括能动注入水源(11)和能动注入泵(12)，能动注入水源(11)通过能动注入泵(12)与反应堆堆腔(40)连通；所述非能动冷却单元(20)包括非能动注入水源(21)，非能动注入水源(21)与反应堆堆腔(40)连通；所述纳米流体单元(30)包括纳米流体贮存罐(31)。

2.如权利要求1所述的一种反应堆压力容器外部冷却系统，其特征在于：所述纳米流体贮存罐(31)的入口管路上设有广义非能动流体控制单元(32)，出口管路上设有出口止回阀(33)。

3.如权利要求1所述的一种反应堆压力容器外部冷却系统，其特征在于：所述纳米流体贮存罐(31)中的纳米流体为质量浓度15％～30％的H₂O基Gd₂O₃颗粒纳米流体。

4.如权利要求3所述的一种反应堆压力容器外部冷却系统，其特征在于：在H₂O基Gd₂O₃颗粒纳米流体中注入稀硝酸，注入后的纳米流体的pH值范围是[3.5，4.2]。

5.如权利要求1所述的一种反应堆压力容器外部冷却系统，其特征在于：非能动冷却单元(20)与反应堆堆腔(40)的连接管路上设有广义非能动流体控制单元(32)。

6.如权利要求1所述的一种反应堆压力容器外部冷却系统，其特征在于：能动冷却单元(10)与反应堆堆腔(40)的连接管路上以及非能动冷却单元(20)与反应堆堆腔(40)的连接管路上分别设有流量标定孔板(13)。

7.如权利要求1至6之一所述的一种反应堆压力容器外部冷却系统，其特征在于：能动冷却单元(10)的个数m≥1，非能动冷却单元(20)的个数n≥1。