CN104269194B - 一种温度触发的池式反应堆非能动事故余热排出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度触发的池式反应堆非能动事故余热排出系统，它由反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统组成，此系统显著的优点是堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统共用一套空气冷却系统，大大简化了反应堆的系统设计，节省了建造成本。反应堆安全容器辅助冷却系统是通过安全容器外侧的环境空气实现自然冷却，该过程具有非能动特点。本发明具有非能动性、独立性、高效性和高可靠性，符合池式反应堆的安全设计要求。

Description

一种温度触发的池式反应堆非能动事故余热排出系统

技术领域

本发明涉及池式反应堆非能动事故余热排出系统，属于池式反应堆的核反应堆设计技术、核安全技术和安全设施技术等相关领域。

背景技术

在池式核反应堆中，冷却剂在外部驱动力或自然循环驱动力的驱使下实现循环流动，通过导热、对流换热和辐射换热的方式实现热量传递，由一回路和二回路组成的热量传输系统实现此功能。其中，一回路的功能是由一回路冷却剂将堆芯中因核裂变产生的热量传输给二回路冷却剂，从而冷却堆芯，防止燃料棒烧毁。二回路的功能是由二回路冷却剂将一回路系统的热量传递给热阱，实现全系统的最终冷却。

当遭遇地震、全厂断电、蒸汽发生器损坏、二回路失效、一回路边界破裂等事故工况时，堆芯的余热无法通过一回路、二回路导出。为了能够顺利地释放出堆芯余热，避免堆芯裂变燃料熔化，必须设置一个事故余热排出系统。

国外设计的池式反应堆的事故余热排出系统通常是在反应堆安全容器外侧设置一个反应容器空气冷却系统，用于事故时排出堆芯余热，如欧盟的XADS、MYRRHA和EA都是采用这种形式。这种形式虽然可以在铅铋温度超过限值时排出堆芯的余热，但是由于反应容器空气冷却系统是由温差引起的完全非能动系统，反应容器空气冷却系统只能通过反应堆容器壁面带走热量，带出的热量有限，不能及时高效的带走热量。只有铅铋和容器壁温度较高时，才能有效的带走余热，在反应堆刚停堆时，该系统不能有效启动，不能及时的导出堆芯热量。

国内已建成的池式钠冷快堆—中国实验快堆的事故余热排出系统是一套独立的热传输系统，有独立的一回路和二回路，且采用自然循环的方式进行冷却，在系统的主管道中不设任何阀门，具有较好的非能动安全特性。但是空气热交换器的进出口风门的启动是能动的，在一定程度上降低了系统的非能动性。

国外已建成的池式钠冷快堆的事故余热排出系统通常是在二回路并联一个辅助冷却系统，用于事故时排出堆芯余热。这种设计虽然可以在事故时排出堆芯余热，但是由于辅助冷却系统与二回路并联，当两个系统共用的部分出现故障时，可能导致辅助冷却系统失效，从而无法带走余热。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对现有的池式反应堆的事故余热排出系统非能动性差、有效性差、带出热量效率低的问题，提供一种四套相互独立的依靠自然循环就能将堆芯的余热有效的排出，依靠堆芯出口温度来触发该事故余热排出系统，具有安全性、高效性、非能动性、高可靠性和独立性。

本发明的技术解决方案：一种温度触发的池式反应堆非能动事故余热排出系统，由反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统组成，在反应堆出现紧急事故，所有能动冷却系统都无法启动时，一方面可以由堆芯直接冷却系统从反应堆堆芯直接带走热量，防止堆芯熔化；另一方面由安全容器辅助冷却系统通过安全容器来带走堆芯的热量；所述反应堆堆芯直接冷却系统与主冷却回路直接相连，包括安装在反应堆铅铋池内的独立热交换器、空气热交换器、排气烟囱及连接管道，独立热交换器和空气热交换器通过连接管道连接，环境空气作为最终热阱，通过空气热交换器冷却铅铋，由排气烟囱排到大气环境；所述反应堆安全容器辅助冷却系统包括反应堆主容器、安全容器、主容器与安全容器之间的狭窄间隙、空气下降通道、空气上升通道(其中包括冷空气上升通道和热空气上升通道)、智能温控开关(由弹簧、绝热挡板和双金属片组成)、排气烟囱；所述冷空气下降通道和热空气上升管道由一层绝热壁隔离开；环境空气作为最终热阱，冷空气通过冷空气下降通道进入地坑，热空气通过上升通道从上部出口流出安全壳，由排气烟囱排到大气环境；所述的由弹簧、绝热挡板和双金属片组成的智能温控开关，在反应堆正常运行时，堆芯温度加热双金属片，使双金属片向上弯曲刚好触及绝热挡板的底部，弹簧拉住绝热挡板，使绝热挡板处于水平位置，阻止了空气上升空气通道中空气的流通，此时开关处于闭合状态；当反应堆发生事故，堆芯温度升高，此时双金属片的温度进一步升高使得双金属片向上弯曲的程度更高，向上推开绝热挡板，此时开关处于打开状态。所述的反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统的触发信号是温度，当堆芯温度处于正常温度时，智能温控开关处于闭合状态，反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统处于备用状态；当堆芯温度升高，此时智能温控开关处于打开状态，反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统处于工作状态。

所述反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统均具有非能动特性。目前非能动余热排出系统大多是基于空气在排气烟囱中的自然循环，本发明充分利用该原理，设计了一套复合系统，共用安全壳外部的排气烟囱，大大简化了系统设备，同时可以冷却反应堆堆芯和反应堆主容器，即同时保证反应堆堆芯安全和安全容器的完整。

所述反应堆堆芯直接冷却系统采用冗余设计，由四个相互独立、结构相同的铅铋冷却环路组成，每个铅铋冷却环路均包含一台安装在铅铋池内的独立热交换器、安全壳外部的空气热交换器和排气烟囱。独立热交换器属于非能动的铅铋-铅铋热交换器，空气热交换器属于非能动的铅铋-空气热交换器。

所述的反应堆主容器与安全容器之间有个狭窄间隙，通常间隙的尺寸在50-150mm之间，在反应堆正常运行时，狭窄间隙呈真空或者充有少量氩气，真空或气体的导热率很小，保证反应堆主容器向安全容器的传热较少，这样从安全容器散失的热量较少，可以更好的利用反应堆功率，提高热效率；在出现紧急事故时，由于堆芯余热无法正常排出，使得铅铋温度升高发生热膨胀，液态铅铋流体的水平面就会上升，铅铋温度超过温度限值时，溢出进入反应容器与安全容器之间的狭窄间隙，铅铋的导热率较大，可以在间隙形成良好的导热层，保证反应堆主容器向安全容器的有效传热，进而带走堆芯余热。

本发明显著的特点是首次把双金属片温控技术应用于核安全领域，双金属片也叫热双金属片，它是由两个(或多个)具有不同热膨胀系数的金属或合金组元层牢固地结合在一起的复合材料，其中膨胀系数较大的金属称为主动层，膨胀系数较小的金属称为被动层，由于各组金属的热膨胀系数不同，当温度变化时，主动层的形变大于被动层的形变，从而金属就会向被动层一侧弯曲，其弯曲程度与温度呈正比，可利用双金属片的这种物理性质用来温度控制，实现电气设备自动化。主动层的材料主要有锰镍铜合金、镍铬铁合金、镍锰铁合金等；被动层的材料主要是镍铁合金，镍含量为34％～50％。双金属片被广泛用在继电器、开关、控制器等方面，例如日光灯的起辉器。另外还可以利用双金属片制成温度计，可以测量较高的温度。本发明把双金属片温控技术应用于核安全领域，通过测量反应堆堆芯出口温度来控制反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统的运行与否。

所述反应堆安全容器辅助冷却系统不需要任何的驱动装置和供电设施，由堆芯温度触发反应堆安全容器辅助冷却系统的双金属片智能温控开关，由空气温差形成的自然循环，属于完全非能动设计，使得系统可靠性更高。

本发明的另外一个特点是所述反应堆安全容器辅助冷却系统的空气上升通道采用双通道设计，使用空气上升通道隔热板把空气上升通道分为冷空气上升通道和热空气上升通道，空气在经过热空气上升通道时直接冷却安全容器，空气在冷却安全容器之后上升至烟囱的过程中还可以冷却反应堆堆芯直接冷却系统的空气热交换器，冷空气上升通道用来直接冷却堆芯直接冷却系统中的空气热换热器。

所述反应堆安全容器辅助冷却系统的触发信号是温度，反应堆正常运行时，堆芯温度加热双金属片，使双金属片向上弯曲刚好触及绝热挡板的底部，此时开关处于闭合状态，反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统处于备用状态；当反应堆发生事故，例如反应堆失去热阱导致堆芯温度升高，此时双金属片的温度进一步升高使得双金属片向上弯曲的程度更高，由此推开绝热挡板，反应堆安全容器辅助冷却系统开始工作，冷却反应堆安全容器，带出堆芯余热，整个系统的运行是由堆芯温度触发的，具有完全非能动设计。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)非能动性。所述的反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统均依靠自然循环进行冷却，不需要借助交流电源，最大限度的提高系统的非能动安全特性，与国内钠冷池式快堆相比，反应堆堆芯直接冷却系统的空气热交换器的风门长期打开，不需要设置驱动装置。

(2)独立性。所述的反应堆堆芯直接冷却系统采用冗余设计，由四个相互独立、结构相同的铅铋冷却环路组成，每个铅铋冷却环路均与主冷却回路直接相连，由安装在反应堆铅铋池内的独立热交换器、空气热交换器、排气烟囱及连接管道组成，四个铅铋冷却环路之间互相独立，均可以有效地带走堆芯余热，而且不依靠主热传输系统就能将堆芯余热排出。

(3)高效性。本发明考虑了同时冷却堆芯和主容器，降低了池内冷却剂和主容器的最大可能温度，使得在各种事故工况下，都能提供足够的余热冷却能力。

(4)高可靠性。整个系统的运行是由堆芯温度触发的，减少了控制系统故障或运行人员误操作的可能性，具有较高的可靠性。综上，本发明具有非能动性、独立性、高效性和高可靠性的特点，能满足池式反应堆的安全设计要求。

附图说明

图1为本发明系统原理图。

图中，1.堆芯2.主容器3.安全容器4.独立热交换器5.堆芯热池6.止回阀7.空气热交换器8.烟囱9.烟囱通道10.混凝土地基11.空气通道热隔离层12.冷空气上升通道13.热空气上升通道14.空气上升通道隔热板15.弹簧16.绝热挡板17.双金属片18.空气下降通道19.空气上升管道20.间隙。

具体实施方式

如图1所示，本发明是由非能动的、相互独立的冷却系统组成，系统依靠自然循环进行冷却，不需要借助交流电源，其中包括反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统。

反应堆堆芯直接冷却系统，包含四个相互独立、结构相同的铅铋冷却环路，四个铅铋冷却环路在反应堆的铅铋池内呈现90度对称分布，在运行时四个铅铋冷却环路相互之间是独立的，提高了系统的可靠性和有效性，每个铅铋冷却环路均与主冷却回路直接相连，由安装在反应堆铅铋热池5内的独立热交换器4、空气热交换器7、烟囱通道9、排气烟囱8及连接管道组成，独立热交换器4和空气热交换器7通过连接管道连接，环境空气作为最终热阱，通过空气热交换器7冷却铅铋，由排气烟囱8排到大气环境。反应堆堆芯直接冷却系统的触发信号是温度，不需要任何的驱动装置和供电设施，在反应堆正常运行时，堆芯1温度加热双金属片17，使双金属片17向上弯曲刚好触及绝热挡板16的底部，弹簧15拉住绝热挡板16，使绝热挡板16处于水平位置，阻止了空气上升空气通道19中空气的流通，此时开关处于闭合状态，反应堆堆芯直接冷却系统处于备用状态；在反应堆出现紧急事故造成堆芯1温度增加时，独立热交换器4内的铅铋受热膨胀沿着管道向上流动，此时双金属片17的温度进一步升高使得双金属片17向上弯曲的程度更高，由此推开绝热挡板16，此时智能温控开关打开，环境空气就会通过空气下降通道18和空气上升通道19对空气热交换器7里面的铅铋进行冷却，在这四个铅铋冷却环路中就会产生铅铋的自然循环，从而把堆芯1的热量带出去。本发明中的铅铋池内的独立热交换器4是一种非能动的浸入式的铅铋-铅铋热交换器，在铅铋池内的独立热交换器4和安全壳外部的空气热交换器7通过连接管道组成一个铅铋冷却回路，在下降管道处设置一个止回阀6，只允许铅铋流体向下流动，阻止独立热交换器4中的铅铋流体通过连接管道向上流动，这样就保证了在事故情况下此铅铋冷却回路可以通过自然循环来冷却堆芯1。安全壳外部的空气热交换器7是一种非能动的铅铋-空气热交换器，这两种热交换器均是逆流热交换装置。空气热交换器7长期启动，不需要设置驱动装置。

反应堆安全容器辅助冷却系统包括反应堆主容器2、安全容器3、主容器2与安全容器3之间的狭窄间隙20、空气下降通道18、空气上升通道19(包括冷空气上升通道12和热空气上升通道13)、智能温控开关(由弹簧15、绝热挡板16和双金属片17组成)、烟囱通道9、排气烟囱8；所述的空气下降通道18是依托混凝土地基10的构造建立的空气下降通道，空气下降通道18和空气上升管道19由一层空气通道热隔离层11隔离开，冷空气通过冷空气下降通道18进入地坑，热空气在通过上升通道19时，分别流经冷空气上升通道12和热空气上升通道13，由排气烟囱8排到大气环境，其中冷空气上升通道12和热空气上升通道13由空气上升通道隔热板14隔开，环境空气作为最终热阱，

反应堆安全容器辅助冷却系统的触发信号是温度，不需要任何的驱动装置和供电设施，在反应堆正常运行时，堆芯1温度加热双金属片17，使双金属片17向上弯曲刚好触及绝热挡板的底部，弹簧15拉住绝热挡板16，使挡板处于水平位置，挡住空气上升空气通道中的空气，此时开关处于闭合状态，反应堆安全容器辅助冷却系统处于备用状态；在反应堆出现紧急事故造成堆芯1温度增加时，此时双金属片17的温度进一步升高使得双金属片17向上弯曲的程度更高，向上推开绝热挡板16，此时智能温控开关打开，环境空气就会通过空气下降通道18和热空气上升通道13对反应堆安全容器3进行冷却，从而把堆芯1的热量带出去。反应堆主容器2与反应堆安全容器3与之间的狭窄间隙20，在反应堆正常运行时呈真空状态或者充有少量氩气，作为一个独立的隔热层保温层；在出现紧急事故时，铅铋温度升高发生热膨胀，当其温度超过限值时，就会溢出主容器2，进入狭窄间隙20，铅铋充满间隙20时，在反应堆主容器2与反应堆安全容器3之间就建立了一个良好的热传导，反应堆堆内部的热量可以很好的通过反应堆安全容器与空气上升通道中的空气进行热交换。

由弹簧15、绝热挡板16和双金属片17组成的智能温控开关，通过测量反应堆堆芯1出口温度来控制反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统的运行与否，在反应堆正常运行时，堆芯1温度加热双金属片17，使双金属片17向上弯曲刚好触及绝热挡板的底部，此时开关处于闭合状态，反应堆堆芯直接冷却系统处于备用状态；当反应堆发生事故，堆芯1温度升高，此时双金属片17的温度进一步升高使得双金属片17向上弯曲的程度更高，由此推开绝热挡板16，此时开关处于打开状态。

池式反应堆一回路为池式结构，作为一回路边界的反应堆容器为双层结构，内层为主容器2，外层为安全容器3。主容器2包容一回路冷却剂和覆盖气体，支撑堆顶盖和堆内所有结构，将核反应限制在金属容器包裹的区域内进行，是防止放射性物质外泄的重要屏障；安全容器3主要是在反应容器2发生泄漏时，包容一回路冷却剂。

本发明的反应堆安全容器辅助冷却系统是由空气温差形成的自然循环，属于完全非能动设计，使得系统可靠性更高，同时由弹簧15、绝热挡板16和双金属片17组成的智能温控开关来控制反应堆安全容器辅助冷却系统的运行与否。反应堆正常运行时，堆芯1温度加热双金属片17使双金属片17向上弯曲刚好触及绝热挡板16的底部，此时开关处于闭合状态，反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统处于备用状态；当反应堆发生事故，例如反应堆失去热阱导致堆芯1温度升高，此时双金属片3的温度进一步升高使得双金属片17向上弯曲的程度更高，由此推开绝热挡板16，反应堆安全容器辅助冷却系统开始工作，冷却反应堆安全容器3，带出堆芯1余热，整个系统的运行是由堆芯温度触发的，具有完全非能动设计。基于铅铋的热膨胀和空气对流等自然机理，完全不依赖于能动设施和操作员的操作就可以把堆芯余热排出。

当反应堆正常运行时，本发明处于备用工况状态；当反应堆遭遇地震、全厂断电、蒸汽发生器损坏、二回路失效、一回路边界破裂等事故工况时，本发明处于工作工况(冷却工况)状态；且反应堆堆芯直接冷却系统立即启动冷却堆芯，反应堆安全容器辅助冷却系统随即进入工作状态。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种温度触发的池式反应堆非能动事故余热排出系统，其特征在于：由反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统组成，在反应堆出现紧急事故，所有能动冷却系统都无法启动时，一方面可以由反应堆堆芯直接冷却系统从反应堆堆芯(1)带走热量，防止堆芯(1)熔化；另一方面由反应堆安全容器辅助冷却系统通过安全容器(3)来带走堆芯(1)的热量；所述反应堆堆芯直接冷却系统包含四个相互独立、结构相同的铅铋冷却环路，每个铅铋冷却环路均与主冷却回路直接相连，每个铅铋冷却环路由安装在反应堆铅铋池(5)内的独立热交换器(4)、空气热交换器(7)、烟囱通道(9)、排气烟囱(8)及连接管道组成，独立热交换器(4)和空气热交换器(7)通过连接管道连接，环境空气作为最终热阱，通过空气热交换器(7)冷却铅铋，由排气烟囱(8)排到大气环境；所述反应堆安全容器辅助冷却系统包括反应堆主容器(2)、安全容器(3)、主容器(2)与安全容器(3)之间的狭窄间隙(20)、空气下降通道(18)、空气上升通道(19)、由弹簧(15)、绝热挡板(16)和双金属片(17)组成的智能温控开关和排气烟囱(8)；所述空气下降通道(18)和空气上升通道(19)由一层空气通道热隔离层(11)隔离开；环境空气作为最终热阱，冷空气通过空气下降通道(18)进入地坑，热空气通过空气上升通道(19)从上部出口流出安全壳，由排气烟囱(8)排到大气环境；智能温控开关通过测量反应堆堆芯(1)出口温度来控制反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统的运行与否，在反应堆正常运行时，堆芯(1)加热双金属片(17)，使双金属片(17)向上弯曲刚好触及绝热挡板(16)的底部，弹簧(15)拉住绝热挡板(16)，使绝热挡板(16)处于水平位置，阻止了空气上升通道(19)中空气的流通，此时开关处于闭合状态；当反应堆发生事故，堆芯(1)温度升高，此时双金属片(17)的温度进一步升高使得双金属片(17)向上弯曲的程度更高，向上推开绝热挡板(16)，此时智能温控开关处于打开状态；所述的反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统的触发信号是温度，当堆芯(1)温度处于正常温度时，智能温控开关处于闭合状态，反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统处于备用状态；当堆芯(1)温度升高，此时智能温控开关处于打开状态，反应堆堆芯直接冷却系统和反应堆安全容器辅助冷却系统处于工作状态。

2.根据权利要求1所述的温度触发的池式反应堆非能动事故余热排出系统，其特征在于：所述空气上升通道(19)采用双通道设计，使用空气上升通道隔热板(14)把空气上升通道(19)分为冷空气上升通道(12)和热空气上升通道(13)，空气在经过热空气上升通道(13)时直接冷却安全容器(3)，空气在冷却安全容器(3)之后上升至排气烟囱(8)的过程中还可以冷却反应堆堆芯直接冷却系统的空气热交换器(7)，冷空气上升通道(12)用来冷却堆芯直接冷却系统中的空气热交换器(7)。

3.根据权利要求1所述的温度触发的池式反应堆非能动事故余热排出系统，其特征在于：所述的反应堆主容器(2)与安全容器(3)之间的狭窄间隙范围为50-150mm，在反应堆正常运行时呈真空状态或者充有少量氩气，作为一个独立的隔热层即保温层；在出现紧急事故时，反应堆堆内铅铋温度升高，铅铋受热膨胀，铅铋水平面会上升，当其温度超过限值时，就会溢出主容器(2)，进入狭窄间隙(20)，铅铋充满狭窄间隙(20)时，在反应堆主容器(2)与反应堆安全容器(3)之间就建立了一个良好的热传导，反应堆堆内部的热量能够很好的通过反应堆安全容器与空气上升通道中的空气进行热交换。

4.根据权利要求1所述的温度触发的池式反应堆非能动事故余热排出系统，其特征在于：所述的双金属片(17)是由两个或多个具有不同热膨胀系数的金属组元层牢固地结合在一起所形成的复合材料，其中，膨胀系数较高的称为主动层；膨胀系数较低的称为被动层。

5.根据权利要求4所述的温度触发的池式反应堆非能动事故余热排出系统，其特征在于：所述主动层的材料为锰镍铜合金、镍铬铁合金或镍锰铁合金；所述被动层的材料为镍铁合金；主动层和被动层材料中镍的含量为34％～50％。